虚实融合的实训教学环境及应用研究*——以数控加工为例

朱孝平 ，林晓伟 ，张剑平

(1.浙江大学 教育技术研究所，浙江 杭州 310028；2.浙江省永康职业技术学校，浙江 永康 321300)

虚实融合的实训教学环境及应用研究*
——以数控加工为例

朱孝平1，林晓伟2，张剑平1

(1.浙江大学 教育技术研究所，浙江 杭州 310028；2.浙江省永康职业技术学校，浙江 永康 321300)

在职业教育的各类教学环境当中，实训教学环境的发展与变化最为迅速。近年来，伴随着各种新技术的应用，虚实融合的实训环境正在成为一种重要的教学环境类型。该文以虚实融合数控模具加工环境为背景开展了实训活动的初步研究，发现该类实训环境具有明确的支持教学作用，并且存在“时点效应”，即应用于校内认知性与验证性的实训以及熟练员工能力提升的培训时效果较好。进行该类教学活动必须进行整体与合理的设计，把虚实融合环境下的实训作为节点嵌入教学活动链中，使得活动与环境协同，充分发挥教学环境的作用，取得更好的教学效果。

中职教育；实训教学；虚实融合；教学环境；教学设计

实训教学是职业教育教学的关键环节之一，承担着培养学生职业能力与职业素养的重要任务。相对于其他类型的教学，实训教学对于教学环境的依赖性更大，可以说，离开了具体的、专门的实训环境，相应的实训活动就无法顺利开展。正因为如此，近年来，在推进职业教育质量提升与内涵发展的过程当中，各级各类职业院校高度重视实训环境的建设。以浙江省为例，近十年余来，通过“职业教育六项行动计划”以及“职业教育现代化工程”的实施，职业学校的实训环境发生了巨大了变化，生产与服务的各种设备设施以及教育技术不断进入该类环境，实训教学环境成为教学环境中发展最快、变化最明显的领域，出现了各种虚实融合的实训环境类型。

但是，伴随着“快速发展”也带来了“问题积累”，主要集中在两个方面：一是环境对教学的有效支持问题，虚实融合的实训环境究竟如何有效地支持实训教学？在理论上阐明并不困难，但是实践中却存在不少分歧；二是实训活动与实训环境的协同性，实训教学活动该怎么设计与实施，才能与虚实融合的实训环境相协同以取得更好的效果？本文以职业教育中虚实融合数控模具加工环境为例，从基于设计的研究视角分析探讨该类环境下的实训教学问题。

一、虚实融合的实训环境

(一)实训教学环境及其分类

在职业教育中，实训教学环境直接支持实训教学的展开，实训活动的成效对实训环境存在很大的依赖性[1]。为了深入研究实训环境与实训教学之间的这种互动关系，在2010年1月至2013年1月间，我们组织力量开展了针对中职实训教学的调研，观察各类实训课197节，获得了丰富的一手资料。其间，又专门组织了实训教学环境的观察与调查，结合对相关实训环境装备的调查，发现实训教学环境在本质上是对真实现场环境的一种“逼近”，其分类如下页图1所示。

第一类是通过“实物”的模拟。传统的实训环境多数采用这样的技术路线，即通过“实物”来模拟生产或是服务的现场，例如职业学校的钳工实训室、普车实训室等，从模拟的程度上又可以分为低模拟度与高模拟度两种。近年来，随着各级各类实训基地建设工作的推进，以及企业参与教学的不断深入，一些工厂的车间搬入学校，成为实际意义上的实训教学环境，即“学校车间”，这样的教学环境与生产现场之间已没有实质性的区别。

图1 实训教学环境的分类

第二类是通过“软件”技术的虚拟。其典型特征是计算机技术与信息技术的高度参与，通过虚拟现实等技术来虚拟生产与服务的环境，或是生成虚拟化的任务与角色，其环境中的关键成分是计算机以及相应的软件系统，目前职业院校的各种仿真实训室以及电脑游戏性质的实训环境即属于此类。同样，该类实训环境依据仿真的程度可以分为低仿真度与高仿真度两类。

第三类是虚实结合的实训环境。从技术路线上看，该类教学环境对生产与服务现场的模拟处于前两者之间。通过计算机硬、软件技术与实物的有机结合实现，从结合的紧密程度上看，一种是物理意义上的简单组合，而另一种则是技术状态下的整体融合。近年来，职业院校的实训环境中出现了越来越多的虚实融合的趋势，虚实融合实训环境正在成为开发与研究的热点领域。

(二)虚实融合实训环境的内涵与特征

关于虚实融合的概念存在着多种理解。虚实融合既是一个技术领域的概念，也是一个哲学领域的概念，虚实融合思想明确应用于教育领域则是近年来的事。对于虚实融合环境目前还没有公认的定义。在虚拟现实技术领域，Milgram等[2]把真实环境与虚拟环境之间的开集定义为混合现实，包括增强现实(AR)和增强虚拟(AV)。黄荣怀等[3]从虚拟世界与现实世界关联的视角提出了虚实融合的定义，认为虚实融合环境是一种通过各类传感器设备识别、获取真实环境中与学习活动相关的客观信息，并通过互联网将课堂、社会中的真实学习环境与基于网络、多媒体的虚拟学习空间融为一体的新型学习环境。在此基础上，张剑平等[4]进一步把“进行现场讲授、演示、操作的真实环境”视为“现实”学习环境，把借助于网络与多媒体等手段支持非面对面学习的活动场所视为“虚拟”学习环境，认为两种环境各有长处与短处，两者的融合成为“虚实融合”环境。

综合上述观点，结合对职业院校实训教学环境的分析与研究，本文认为虚实融合实训环境是指为了达成实训教学目标，由实体性设备与数字化资源组成，通过传感、互联等技术将现场环境与虚拟环境有机结合在一起，能支持系列化、弹性化实训教学任务的生成，促进学生知识技能学习并整合形成职业能力与综合素质的一类教学环境。虚实融合实训教学环境具有以下三个方面的特征。

1.技术特征

多种技术的应用、渗透与融合。虚实融合环境的最大特征在于它的“技术性”，其核心基础是计算机技术，特别是与之高度关联的虚拟现实技术、机电一体化技术与物联网技术，在实际的应用中，这些技术之间又在不断相互渗透与融合。正因为这种高度的“技术性”，虚实融合的实训环境一般由专业公司设计开发。

2.结构特征

丰富的联接与多层次的结构。虚实融合的实训环境包含的要素更为丰富，在层次上表现为支持操作的器具、支持教学的设施、支持交流的空间与网络以及作为文化心理层面的职业情景。在要素与要素之间，层次与层次之间存在多种物理的联接，多层次的结构与丰富的联接在理论上使虚实融合的实训环境“内部相洽”又“外部开放”。

3.功能特征

全面支持学习产出的功能。虚实融合的实训环境因为其较完备的结构，因而潜在地具有对教学的多向支持功能，既可以支持现场操作、问题解决，也可以支持非正式学习，打破时空限制，实现自主学习等。学习者通过与环境中的器具互动获得知识与技能，在相对真实任务的完成过程中获得能力，在职业情景中获得情感发展、素质提升。

(三)案例：虚实融合的数控加工实训环境

近年来各职业院校随着企业专业人才需求的增加，纷纷设置数控、模具类专业，在实训基地建设过程中，购置了大量的生产型数控加工设备，试图通过完全真实的设备与任务下的实训，提高学生的职业能力。但是在教学过程中暴露出不少问题，首先是学校花费数百万元购置的数控设备与加工中心，依然无法满足实训的需要，不同于钳工实训，数控实训工位不足的矛盾更加突出；其二是成本巨大，多数学校的实训耗材没有财政补助，实训的过程成本无限增加；其三是教学组织困难，教学活动不同于生产与服务，特别是在集体教学的情况下，教学进程的有效控制受到挑战。因此，客观上职业学校需要更加合理的实训教学环境来支持实训活动的开展。浙江XR公司正是在这种需求的驱动下，开发了虚实融合的数控实训环境。

1.实训环境整体架构

虚实融合的数控加工实训环境旨在“改善学习体验、增加学习兴趣、减少设备投入、提高教学效率”，其整体结构如图2所示。

图2 虚实融合数控加工的实训环境结构

该实训环境的核心设备是由软硬件结合构成的模拟加工操作单元，包括显示器、操控面板以及相应的软件系统，由于空间位置紧凑可以容纳更多学生实训。模拟加工操作单元与教学投影等多媒体展示设备相联，单元内的操作过程可以显示于教学投影设备上，方便教师进行演示、讲解以及点评指导等。同时，模拟加工操作单元还实现了与真实加工设备的联接，加工单元内的数据可以传送到加工车间的实际设备上，经过试运行的程序可以用于实际的生产加工。

2.软件系统的主要特点

(1)按照真实数控加工中心的结构和比例来进行建模，并对三维模型进行真实感优化，具有逼真的外观效果；

(2)采用隐匿式菜单和右键快捷菜单管理机床的各项功能，将屏幕完全用于机床的完整显示，改善用户的操作体验；

(3)对FANUC数控面板进行了完整的仿真，按照真实面板的外观制作了虚拟的数控面板，可进行显示模式切换和隐藏控制，方便用户的学习；

(4)结合部件提示、结构认知、机床显示控制和鼠标视图控制等功能，可对机床模型进行全方位的观察和学习，便于用户熟悉机床结构；

(5)可选择教、练、考三种教学方式，可对学生的操作进行实时控制，指导其进行机床操作的练习，伴有语音和文字提示，便于学生理解，考试模式能记录学生的实际操作过程，并对其操作正确与否进行评分，生成成绩单；

(6)可选择无线模式，采用Android平板电脑与PC端建立无线连接，将平板电脑作为控制端，实现对数控机床的远程操作，代替PC端完成相关的操作控制，使学生有身临其境的体验。

(三)主要功能界面

以职业院校学生为核心，通过全新的人机交互，丰富使用者感官体验，降低操作学习的难度。

在系统主界面中，为减少用户的学习成本，采用UG软件的视图操作方式，可方便地对数控加工中心进行全方位观察体验。为减少功能菜单对界面的干扰，系统中将主要功能的选项都集中到了屏幕上方的隐匿式菜单中，只有在需要启动相应功能时才会调出相应菜单。当鼠标移动到屏幕上方区域时该隐匿式菜单即自动出现，当有子功能选项时，会启动相应的下拉列表式菜单，以方便于用户选择。

在实训的过程中，学生可选择相应的案例进行学习，进入相应的使用界面如图3所示。根据学习阶段的不同，会出现不同的功能菜单，用户可以根据相应文字和语音提示，进行相关的操作。

图3 数控加工实训系统的使用界面

二、教学活动的设计与实施案例

虚实融合实训教学环境具有多种支持教学需求的优势，如克服工位不足，节省成本，增加可控制性以及增强学习者体验等方面。但是在实践中，这些优势的体现需要条件保障。自2013年9月开始，我们开展了基于设计的研究，即通过为特定场合设计教学环境，采用“逐步完善”的方法实现理论与实践的双重发展，基于设计的研究其过程一般包括“设计开发”“实施验证”“分析评价”“完善优化”等阶段[5]。利用该虚实融合实训环境，开展的案例研究过程如下。

(一)实施验证

在第一个阶段，学校与任教的老师充满了期待，虚实融合实训环境采用了多种最新技术，能创造条件帮助学生做中学，实现“理实一体”，这些特征都是职业教育理念的体现。在尝试阶段，教师直接利用该环境进行数控加工的教学，结果很快发现存在几个方面的问题：其一是教师对该类型实训环境不熟悉，而且教学环境越复杂，这一熟悉的过程会越长，教师明显感觉到不适应，教学活动的设计比较困难，难以达到理想中的效果；其二是学生的兴趣会衰减，在实训的初期，职校生对动态演示加工过程充满好奇，但是如果没有实质性的任务学习跟进，这种浅层兴趣会很会递减；其三是真正意义上的“理实一体”难以保证，虚实融合实训环境类似于“理实一体”实训环境，需要“理实一体”的任务设计与之协同。初步的实施验证表明，虚实融合的实训环境虽然具有多种理论上的优势，但是并不能完全适合实际教学的要求。

(二)分析改进

虚实融合实训环境提供了支持教学的可能性，也能帮助生成虚实融合的实训任务，但是教师的教学设计依然十分重要。要取得好的教学效果，必须围绕项目进行教学设计，在项目与任务的匹配模式上，根据课程的特点，主要采用“循环式”[6]，这样的设计也方便了教学的组织。经过改进后，其围绕项目与任务的教学环节如图4所示。

图4 虚实融合实训环境下围绕项目的教学设计环

重点讨论围绕某一项目的教学设计。教学的流程一般由四个环节构成，即“知识讲解”“熟悉环境”“模拟操作”“真实训练”。我们可以称之为虚实融合环境下的“实训教学环”。

知识讲解：实训教学离不开一定的知识讲解，这也是实现理实一体的前提之一。有时知识的讲解甚至需要离开虚实融合的环境，在教室环境或是其他环境下进行，以避免学生受到过多的干扰，影响教学进程控制。

熟悉环境：是指让学生适当熟悉虚实融合实训环境。对于教学环境的设计者而言，他们掌握充分的技术，对教学环境了如指掌，但是对于学习者来说，却是完全陌生的一类“器具”，如果学习者不事先对操作环境进行一定的熟悉，就会因操作困难离开学习或是盲目操作“离开任务”。

模拟操作：主要是通过模拟实际的操作，理解掌握过程性的知识，这也是实训的根本目标之一，通过虚实融合环境下的仿真操作，可以减少成本，增加安全与过程可控性，同时又有较高的真实体验感。

真实训练：指采用真实设备，真实材料进行的真实训练。任何模拟都无法完全代替真实，除了各种感官的体验以外，还有更重要的“心理体验”，即误操作产生的后果、成功的喜悦等等都需要实战体验。

有效利用虚实融合的实训环境进行教学，需要进行教学策略的改进，改进后的策略为：

1.围绕项目的教学设计一般从“知识讲解”开始，按顺时针的顺序展开，但是这样的顺序并不是固定的，知识讲解有时可以嵌套在模拟操作之后，甚至是真实训练之后，四个环节之间的顺序如何处理，需要根据具体的教学情境。

2.在时间的比例上，随着学习者对教学环境的熟悉，熟悉环境的用时可以不断减少，随着模拟操作技能的提高，以及学生模拟训练兴趣的递减，该环节的用时也要不断减少，与此相应，真实训练的时间比例要不断增加。

3.当学习者较好掌握各种实际的操作技能，进入需要进一步提升数控编程能力以及理论性知识学习的阶段，又可以减少真实训练的时间，增加模拟操作甚至知识讲解的时间比例。

(三)完善提升

在经过了近一年的实践尝试之后，我们举办了浙江省模具教学研讨会。该环境开发公司介绍了虚实融合实训环境的功能与开发情况，承办学校介绍了该环境下教学尝试的经验与做法，并精心开展了教学观摩课。

1.教学观摩

采用浙江省课程改革成果教材《模具加工技术》项目二《模具零件的数铣加工》中的任务二《动模模框的加工》作为教学任务，授课老师对任务内容进行了适当地改造，加工零件如图5所示。

图5 动模模框加工项目示意图

为了在有限的时间内(90分钟)展示教学的核心环节，并体现项目教学的整体设计，在课前进行了必要的知识讲解以及教学环境熟悉。教学实施的主要步骤如下：

(1)课前准备：包括分组，明确岗位分工，进行必要讲解与安全教育；

(2)任务导入：创设情景，导入工作任务动模模框的加工；

(3)小组讨论：根据工作任务书，讨论制订加工工艺方案，填写工具清单与加工工序卡片；

(4)虚拟加工：利用虚实融合环境，分小组进行虚拟仿真练习，验证加工工艺方案，记录发现的问题并讨论加以解决；

(5)实机操作：分小组进行实机操作，并记录过程；

(6)检测评价：检测作品，分析问题，交流展示，总结评价。

2.教学研讨

参加会议的代表在课堂观察的前提下，对虚实融合环境下的教学活动进行研讨，主要议题为该类型的教学环境在支持数控类专业实训教学中的作用与局限性；教学活动应该如何设计才能取得更好的实训效果。研讨的目的是获得有关虚实融合环境下实训教学的新认识，以进一步验证与发展相关的理论。

三、分析与讨论

基于设计的研究是一种研究的范式，可以综合采用多种研究方法，在研究的过程中，我们通过观察、访谈、文本分析等手段全面收集资料，特别是针对数控类专业教师进行了多轮次访谈。针对本文提出的两个问题，进行了资料的分析工作，对虚实融合实训环境的作用整理形成了如下表所示的结果。

虚实融合实训环境的作用分析(以数控加工环境为例)

(一)作用分析

1.有明确效果。虚实融合实训环境存在特定的支持教学的作用。这些效果包括克服工位不足、节能减排、降低成本、安全可控、教学组织便利等。但是站在不同的层面对该类环境的作用认识不同，站在政府层面，会提供节能减排等理由；站在学校层面，会比较多地考虑安全性与克服工位不足等方面的理由；而对于授课教师而言，可控制性、教学组织方便是最重要的。由此可见不同的观点之间并不矛盾，而是相互支持的。

2.作用有局限性。虚拟只能部分代替真实，就本案例而言，其对于“学”的支持作用还不够充分，原因之一是部分重要信息无法模仿，比如加工过程中产生的气味是重要的反馈信息，但是现有的技术条件下无法模仿，或是模仿的成本会很高。在职业能力培养的过程中，虚实融合环境起到的是支持性的作用，而不是必不可少的。在过度使用的情况下，甚至可能会产生一些负面的影响。因此，虚实融合的实训环境应当适度运用，当学习进入到一定的阶段以后，必须过渡到生产性的实训或是真实环境下的学习。

3.存在“时点”效应。这是研究中最重要的发现，虚实融合实训环境用在什么“时点”效果最好？一是代替认知性的学习，即让学习者熟悉设备、环境以及操作的基本过程；二是用于学习者的后期培训与考核。熟练的操作者都存在一些习惯性的错误或需要提升的能力，虚实融合的实训环境，对于熟练的使用者，找出自己的问题所在，进行反思性的校正会有明确帮助，这是教师们在实践中形成的一个认识：即虚实融合的实训环境运用于校内的认知性实训，以及用于熟练后的员工的能力提升培训或是考核可能会取得最好的效果。

4.对将来充满期待。对于该类型实训环境的将来，职业院校的教师充满期待，因为技术的发展是无限的，特别是手机等生活中的产品给了教师们很大的信心，认为再过若干年，虚实融合的实训环境会非常先进，智能化水平会不断提高，从而给实训教学带来巨大便利。

(二)教学活动设计建议

虚实融合环境下的学习活动与传统环境下的学习相比，其在学习主体、学习资源、学习工具、交互方式等方面都具有特殊性[7]。要充分发挥虚实融合实训教学环境的作用并克服其局限性，教学设计必须与环境协同。

1.嵌入整个教学链条。虚实融合环境下的实训只是一种实训教学的类型，是实训教学的一个或多个阶段。因此，在教学活动的设计中，要把虚实融合环境下的实训作为一个环节嵌入整个实训教学或是职业教育教学的链条当中，不能简单地用该类环境下的教学代替实训。

2.充分凸显作用“时点”。虚实融合环境对教学的支持存在“时点”效应，即两端效应，与此相对应，实训活动设计要充分体现环节对应，把虚实融合环境下的实训安排在校内认知性的实训阶段，以及熟练后的考核或是熟练后的员工培训阶段，使之与完全真实环境下的实训构成互促互补的关系。

3.控制时间比例构成。这是教学设计与实施中最困难与复杂的一部分，整体的时间比例以及每一个项目教学中的环节时间比例都须进行适当控制。教学环境提供了支持教学的潜在可能，但是要充分发挥其作用，教师不能简单依赖教学环境或是教学环境的智能化，而是要通过精心设计与实施教学活动实现与环境的协同。

四、结束语

虚实融合的实训环境是近年来实训教学环境发展的一种重要类型，由于综合运用了多种先进技术，能有机融合真实的现场环境与虚拟环境，因而具有支持实训教学活动开展、促进实训教学质量提升的明确作用。但是在现有的技术条件下，虚实融合的实训环境还不能完全代替真实环境，虚实融合实训环境对教学的支持作用存在时点效应，主要支持校内认知性、验证性的实训以及熟练后的员工考核或是培训。

实训教学与实训教学环境之间存在相互依存、相互促进的关系。教学活动的设计要与环境协同，把虚实融合环境下的实训有机嵌入到整个职业教育的教学链条当中，才能充分发挥该类环境的作用，促进职业教育教学质量的全面提升。

[1]朱孝平.虚实融合环境下的中职实训教学研究[D].杭州:浙江大学,2015.

[2]Milgram P, Kishino A F. A Taxonomy of Mixed Reality Visual Displays[J].IEICE Transactions on Information Systems,1994,(12):1321-1329.

[3]黄荣怀,杨俊锋等.从数字学习环境到智慧学习环境——学习环境的变革与趋势[J].开放教育研究,2012,(1):75-84.

[4]张剑平,许玮等.虚实融合学习环境:概念、特征与应用[J].远程教育杂志,2013,(3)：3-9.

[5]张文兰,刘俊生.基于设计的研究——教育技术学研究的一种新范式[J].电化教育研究, 2007,(10):13-17.

[6]徐国庆.职业教育项目课程开发指南[M].上海:华东师范大学出版社,2009.126-128.

[7]李红梅,张剑平等.虚实融合环境下的学习活动及其设计[J].中国电化教育, 2013, (1):23-29.

朱孝平：博士，特级教师，研究方向为职教课程与教学(zjzhuxp@163.com)。

林晓伟：一级教师，研究方向为数控教学(lxw_william@qq.com)。

张剑平：教授，博士生导师，研究方向为数学化学习(21zjp@VIP.163.com)。

2015年10月17日

责任编辑：赵兴龙

Research on Virtual-reality Fusion Environment for Practice Training and Its Application——A Case Study of Numerical Control Processing

Zhu Xiaoping1, Lin Xiaowei2, Zhang Jianping1
(1.Institute of Education Technology, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310028;2.Yongkang Vocational and Technical School of Zhejiang Province, Yongkang Zhejiang 321300)

Practice training environment has the most rapid change and development compared to other kinds of teaching environment in vocational education. In recent years, practice training in virtual-reality fusion environment is becoming an important type of teaching environment with the application of many new technologies. This study focuses on the practice training of numerical control processing in virtual-reality fusion environment, demonstrates that such kind of teaching environment has a definite support on teaching. The effect is obvious at the time when it is applied in teaching, and it's better in the cognitive and experimental practical training and the training of improving skilled employees. The teaching activities in such environment should be designed integrally and reasonably. The practice training in virtual-reality fusion environment should be implanted as a part in teaching process to harmonize the activities and the environment so that such teaching environment can be utilized completely to gain a better result of practice training.

Secondary Vocational Education; Practice Training; Virtual-reality Fusion; Teaching Environment; Teaching Design

G434

A

1006—9860(2015)12—0087—06

* 本文系国家社科基金教育学课题“虚实融合环境中的非正式学习模型及其应用研究”(项目编号：BCA130018)的研究成果。