职业教育中虚拟现实教学资源的开发现状与应用评价

杜棋东

(广州铁路职业技术学院，广东 广州 510430)

职业教育是一种面向职业岗位、注重技能培养的就业能力教育，其显著特征是实践性教育教学。在职业教育教学过程中，由于实训场地、设备设施、污染、安全、不可再现等因素，导致实践教学效果不理想。利用虚拟现实技术开发教学资源，能在一定程度上解决上述实践教学问题。在职业教育领域，虚拟现实教学资源基于工作过程和行动导向，从广义的角度，可分为网络性教学资源、实训性教学资源、岗位性实践教学资源以及“教学做”一体化实践教学资源。换言之，利用虚拟现实技术开发的资源无论是软件资源、硬件设备资源或软硬件设备资源，只要是应用于教学、实践于教学，都称为虚拟现实教学资源。

虚拟现实教学资源对学生的学习具有极大的促进作用，能够完美呈现物体内部结构和空间关系，能够模拟特定场景和技能操作，能够融合游戏化特征，能够提供丰富多彩的个性化学习环境，创设知识呈现的直观性与情境性，为学生提供主动探索和互动的机会。尽管如此，虚拟现实教学资源在职业教育应用上仍有不足之处，主要表现在虚拟现实技术教学资源专业描述与职业教育教学需求性描述有差异。鉴于此，本文从中国知网(CNKI)数据库中精心挑选一批参考文献，力求全面、准确分析职业院校虚拟现实教学资源的开发现状，并对虚拟现实教学资源的应用进行基本评价，以期能为改革现行虚拟现实教学资源开发提供参考。

一、研究设计

(一)研究样本来源

本文选取中国知网(CNKI)数据库收录的虚拟现实相关的文献作为研究样本，文献筛选时间范围从2011年1月1日至2017年7月31日，筛选过程未将“职业教育”、“教学资源”、“开发”、“评价”等关键词作为条件进行搜索，原因是搜索出来的文章篇数较少,不足以作为研究样本。为了增强研究内容的说服力，提高研究结果的可信度，从出发点、切入点、着力点、结合点确定关键词对文献进行较大范围的筛选。

1.找准出发点：应用导向。利用虚拟现实技术进行各种教学资源的开发，目的均在于应用，从目的性的角度，倒推出“应用”是本文筛选研究对象的出发点。即在中国知网(CNKI)数据库以“虚拟现实”和“应用”为标题关键词进行筛选，共有1496篇，其中文献数量最高的年份是2016年达到273篇。

2.把握切入点：教育教学。职业教育中的虚拟现实教学资源，一方面强调是职业教育领域，另一方面强调是用于教学的资源。从语句上看，“职业教育”与“教学资源”作为关键词比较合适，然而筛选出的文献数量较少。为了筛选更多的文献，把“教育”、“教学”作为关键词，以“虚拟现实”和“应用”以及“教育”或“教学”为标题关键词进行筛选，共有359篇。

3.抓住着力点：注重质量。筛选文献多，质量参差不齐，如果不区分文献质量高低进行研究，对研究结果会有一定影响。为了提高分析现状与应用评价的高度，必须要有一部分中文核心期刊作为重要研究对象。以“虚拟现实”和“应用”为标题关键词，来源类别是“核心期刊”进行筛选，共有122篇。

4.明确结合点：围绕资源。本文研究的重点内容之一是虚拟现实教学资源，所以在研究样本上必须结合教学资源。虽然教学资源、学习资源、数字化资源、实践教学软硬件资源、教育资源等资源各自内涵有所不一，但是笼统来说都归属于资源。因此，即以“虚拟现实”与“资源”为标题关键词进行筛选，共有15篇。

根据上述条件筛选1722篇，详细数据如表1所示。

表1 虚拟现实主题相关的文献

备注：“&”表示且的意思，“|”表示或的意思。

(二)研究样本确定

设置过滤机制，对研究样本进一步筛选确定：主观上，一是标题法，通过观察文献标题是否与本文研究相关进行筛选；二是摘要法，通过研读文献的摘要进行判断文献是否有参考价值。客观上，可把期刊的下载数量和引用数量作为参考因素，首先，从表1中可看出，“虚拟现实&资源”的筛选条件文献篇数最少，全部作为研究样本；其次，“虚拟现实&应用&核心期刊”按照每年不大于15篇的原则选择确定；再次，“虚拟现实&应用|教育|教学” 按照每年不大于20篇的原则选择确定，并且与之前已选择确定的文献不重复；最后，“虚拟现实&应用” 按照每年不大于20篇的原则选择确定，并且与之前已选择确定的文献不重复，考虑到2016年篇数较多，故2016年筛选出30篇。研究对象确定共400篇，具体分布数据如表2所示。

表2 经过筛选后虚拟现实主题相关的文献

备注：“&”表示且的意思，“|”表示或的意思。

二、虚拟现实教学资源开发现状

由于专业领域、教学应用视角不同，对“虚拟仿真”、“虚拟现实”内涵的理解也有所不同，但在本文的研究中，都视为虚拟现实应用的范畴。通过研究400篇关于职业教育虚拟现实相关的文献，就虚拟现实网络性教学资源、实训性教学资源、岗位性实践教学资源以及“教学做”一体化实践教学资源等相关内容进行归纳，并整合出四大类虚拟现实教学资源并进行分析。

(一)漫游类型虚拟现实教学资源

漫游类型虚拟现实教学资源应用较多，可分为三种形式:一是单纯式漫游，在立体的、逼真的漫游场景或者画面，学生利用鼠标或者键盘，按照操控规范，实现对场景或者画面的控制，了解场景中的环境、目标特征等，学生可获得如亲临实地的现场学习效果。例如景观设计专业方面的虚拟现场参观、目标观察实训。[1]二是互动式漫游，在单纯式漫游的基础上，根据能力目标要求，在场景某些对象增加了交互模块，即点击激活交互对象，能够进行交互操作，达到理解交互对象相关的知识点或操作步骤的目的。例如在操作虚拟图书馆虚拟翻书查阅相关资源。[2]三是含逻辑属性的漫游，漫游场景对象自身运动或者交互运动会根据运动学、物理学、力学、化学等逻辑属性的算法进行位移，模拟真实运动效果。例如在电力系统应用时，设计结合虚拟现实的带电作业智能机器人，使操作者作业交互控制精度得到更大提高。[3]

(二)考核类型虚拟现实教学资源

这种类型主要是考核学生学习效果，主要有四种表现形式：一是判断轨迹，即记录学生在漫游场景中的轨迹，判断学生行走路线是否正确。二是判断操作，即根据学生在虚拟场景中对目标交互操作的规范性，判断学生操作是否正确。三是考核知识，即在虚拟场景中随机弹出与当前场景相关的问题，考核学生对基础知识的理解。四是考核技能，即对于较为复杂的带有运动学、物理学等逻辑属性的虚拟交互场景，能够考核学生对技能的熟练程度。典型案例如在汽修维护保养方面，学生可以在虚拟现实系统里面对发动机更换机油、过滤以及车辆轮胎平衡实验，并填写完成工单，系统会对操作的项目进行考评，对项目的操作熟练程度和流程即时进行反馈。[4]另外，罗陆锋等人还专门研究虚拟现实技术与技能实训教学考评相结合，将三维虚拟环境下的人机交互技术运用于技能实训课程的操作考评。[5]

(三)可穿戴传感器类型虚拟现实实训教学资源

可穿戴传感器主要是指体积小且单一的传感器实物如定位头套、数据手套、手柄、脚垫等传感器。学习者在身体上穿戴传感器，加上身体动作可对虚拟现实场景中的位置、仪器、仪表、物品等进行判断或深度交互。赵晶等研究基于VR技术的地震救援虚拟训练系统[6]，使用带有红外夜视功能、通讯功能、防护功能的头盔，让使用者可以在同一画面上看到真实环境和虚拟物体的实时叠加，便于使用者判断被救人位置。基于虚拟现实技术的工程机械模拟培训系统[7]，利用手柄与按钮控制计算机中的塔吊，可以实现各机构的正确运动和吊重的真实感运动模拟。例如，基于虚拟现实技术的食品机械设计平台[8]，支持数据手套、头盔传感器，可以身临其境地对虚拟场景中的对象进行检测。

(四)专用传感器类型虚拟现实实训教学设备资源

专用传感器类型虚拟现实实训教学设备资源与可穿戴型的对比，其突出特点是多个传感器组成系统部件，每个传感器都有各自的作用性与功能性。该教学资源在软件、硬件平台的支持下，通常用于情节化虚拟仿真实训，有单人模式，也可以协同多人模式，按照岗位操作需求，设计不同操作者角色，实施操作演练。例如基于虚拟现实技术的空间定向训练系统[9]，提供飞行前的适应性训练，使航天员掌握依赖视觉信息进行空间定向的技能，其中人体的头部位置跟踪通过头盔传感器实现，运动跟踪通过电磁式位置跟踪仪实现，手部跟踪通过数据手套获取角度信息实现，受力感觉则通过力反馈装置实现，等等。还有虚拟现实焊接培训模拟系统[10]，其传感器设备包括主机、操作台、焊枪、焊帽等组成，其中，焊帽功能与数据头盔同一种含义，接收三维视觉效果，该系统可实现学习者全方位焊接的培训。

在400篇文献中，有47篇无法进行归类，有效篇数353篇，具体情况如图1所示。其中，漫游类型虚拟现实教学资源所占比例最多，专用传感器类型的研究文献所占比例最少。

图1 文献中四类虚拟现实教学资源研究所占比例

接下来，从2011年1月至2017年7月分析四种类型教学资源开发研究情况，如图2所示。

图2 近7年四种类型虚拟现实教学资源研究情况

综合以上分析，近7年的研究情况，从数量的角度对比，漫游类型的教学资源因为技术要求较低，该类资源开发数量最多，而专用传感器类型的教学资源开发需要软件与硬件的结合，特别是硬件设备条件要求较高，总体上该类教学资源开发少；从稳定的角度对比，考核类型的教学资源开发处于较为稳定的状态；从时间的角度对比，随着计算机技术发展，特别是硬件设备质量的提升，越来越多的人关注传感器类型的虚拟现实教学资源开发。

三、虚拟现实教学资源应用效果的基本评价

(一)评价指标设计

虚拟现实教学资源应用效果评价方法有专家评价、教师评价以及学生评价等方式，为了体现虚拟现实教学资源应用效果评价的可靠性，采用学生评价的方式。评价的指标从主观支持和客观支持两个维度进行设计，主观支持包含指标有学习兴趣、学习效果、学习气氛、学习难度，客观支持包含指标有知识记忆、知识理解、知识运用、知识创新。

研究选取轨道交通学院100名大二学生参与课程教学资源实践训练，其中，男生女生各50名。每名学生都参与课程的四类虚拟现实教学资源学习，并与传统教学资源学习进行对比，传统教学资源以文本和图片为主要表现形式。

(二)评价结果分析

1.主观支持结果及分析

学生利用虚拟现实教学资源和传统教学资源进行为期一个月的学习，根据主观支持具体评价指标填写调查问卷，整理数据进行均值分析，如图3所示。

图3 不同教学资源主观支持评价对比图

学生在教师的指导下，利用虚拟现实教学设备资源进行模拟实训学习。模拟实训是一种人机交互自主学习过程，学生对其更为感兴趣，所以可穿戴传感器与专用传感器虚拟现实教学资源评价最好，学习兴趣、学习效果、学习气氛平均达到9分以上，学习难度感觉相对容易；在学习效果方面，学生主观认为考核型与可穿戴传感器类型、专用传感器类虚拟现实教学资源应用教学效果非常接近，理论上，考核类型的教学资源，能够检测自己掌握知识、技能等情况，实践上，传感器类型教学资源能够模拟实训；虚拟现实教学资源与传统型教学资源对比，传统型教学资源主观体验最差，学生不赞成教师仅使用传统型教学资源进行上课。从职业要求层面上分析，高职院校学生要求具备较强的动手能力，理论水平总体来说比较单薄，因此高职学生更倾向于具体的形象的教学资源；从教学组织层面上分析，轨道交通专业实践动手能力要求高，教师教学重点也在于学生掌握动手技能，利用漫游型、考核型、可穿戴传感器型、专用传感器型等虚拟现实教学资源，均能发挥学生主体性的作用，软硬件结合的传感器类型虚拟现实教学资源凭借真实模拟现场的优势更容易被学生认可。

总的来说，学生利用虚拟现实教学资源，越接近真实的环境训练学习，学生的主观满意度越高。

2.客观支持结果及分析

与主观测评方式不一样，客观测评的数据来源于理论考试成绩与实操成绩，其中，理论考试成绩用于知识记忆、知识理解评价指标，实操成绩用于知识运用、知识创新评价指标，归整数据后进行均值分析，如图4所示。

图4 不同教学资源客观支持评价对比图

从知识记忆的角度来看，轨道交通专业课程要求学生记忆高铁、地铁、城市轨道等铁路相关基础知识，铁路相关基础知识大部分属于陈述性知识，适合进行系统性、整体性、协同性的符号性学习、概念性学习和命题性学习，所以在知识记忆评价指标中，使用何种教学资源进行学习差异不大。总的来说，符号性、概念性、命题性更明显的传统型教学资源应用效果更占优势。从知识理解的角度来看，知识理解有更高的要求，不仅仅需要理解铁路专业基础知识，更要理解铁路机、车、工、电、辆的知识的相互联系；知识理解更强调学习情境设计，特别是把学习情境融入虚拟现实教学资源中，让学生在学习环境中真实体验，加强理解。从知识运用的角度来看，知识运用即是实际操作运用，地铁模拟驾驶、高速动车模拟驾驶等传感器类型虚拟现实教学资源受到学生的青睐，通过在地铁模拟驾驶或者高铁模拟驾驶进行真实操作，学生有效地将抽象知识转化为动手技能。从知识创新的角度来看，虚拟现实教学资源应用效果更好。对于教师来说，打破传统的教学模式、方法、观念。对学生来说，最大限度地发挥自身的想象力和创造力，促进学生发散性思维的培养，特别是考核类虚拟现实教学资源提供人机交互学习平台，激发学生在主动探索的过程中积极地、合作地完成学习任务，让学生学会创新、乐于创新、善于创新。

四、改革现行虚拟现实教学资源建设的几点建议

(一)机制上：制定虚拟现实教学资源建设制度

由于虚拟现实教学资源的特殊性，不同于一般的教学资源，除了遵循《教育资源建设技术规范》外，还需要从学院层面上制定关于虚拟现实教学资源建设相关制度，包括建设指南、技术规范、经费支助政策等。第一，建设指南方面解决为什么建设的问题，首先让教师重视虚拟现实教学资源，明白虚拟现实教学资源在教育教学中能起到重要的作用，然后引导教师探索在哪些方面可以建成虚拟现实教学资源，激发教师参与建设的热情；第二，技术规范方面解决怎么建设的问题，技术规范标准制定，建议在本文研究的四大类虚拟现实教学资源进行拓展，不同类型的虚拟现实教学资源，其开发技术、制作方法不一样；第三，经费支助方面解决要建设的问题，虚拟现实教学资源技术含量高，建设开发周期长，若要建设，需要学校从政策上给予大力支持，首先表现在要给予充足的经费。

(二)技术上：提高虚拟现实场景仿真效果

利用虚拟现实教学资源进行学习，能够更加高效、更加规范、更加便捷地在逼真的虚拟环境中学习或实训。虽然虚拟现实的真实性不可能达到与现实世界一样，但是，在技术处理上，需要达到逼真的效果。从研究的文献中发现，存在人物过于简单化、物体模型粗糙、画面模糊、运行不流畅等问题，导致学生学习或模拟实训，未能达到预期的效果。解决这个问题，要从思想上重视它。从研发机构的角度，必须认识到虚拟现实在职业教育领域具有广阔的发展前景，重视虚拟现实技术在场景建模、人机交互方面的研究，提高虚拟现实教学资源场景仿真效果，不仅把产品做好，也树立自己的机构品牌；从教师的角度，一方面加大对资源开发经费投入，如果经费不足，先集中开发一部分或者一个，打造精品，另一方面，严格项目验收，对仿真度较差的教学资源，必须让其整改，保证验收通过的项目其虚拟现实环境真实度符合学生的学习或实训要求。

(三)形式上：丰富虚拟现实技术应用功能

研发机构开发的虚拟现实教学资源往往具有局限性，主要是与专业课程的教学情境不相符，具体表现在以下几个方面：一是教师对资源需求的把握有所欠缺，教师只知道自己需要建设该领域的虚拟现实教学资源，具体虚拟现实教学资源能够达到什么要求，能带给学生哪方面的知识理解和技能操作训练比较模糊，这样造成开发出来的教学资源功能单一，互动效果不佳；二是研发机构对教学需求的把握有所欠缺，如导游模拟实训，主要依靠投影机、弧形立体幕和音响设备等展示虚拟旅游景点讲解，功能单一，建议可增加旅游线路设计、景点评价、景点三维漫游等互动功能。因此，无论是教师还是研发机构，都需要理清资源需求与教学需求，丰富虚拟现实技术应用功能，便于学生自主学习、举一反三，进一步提高学生对知识理解与实际操作技能。

(四)学术上：重视虚拟现实相关的教学改革研究

虚拟现实技术的日益成熟，有助于破解制约职业教育发展的教学资源瓶颈，但是在新技术的助推下尚未产生新的教育形式。重视虚拟现实条件下的教学研究，从教学主体的角度分析，一方面可以帮助教师从理念上改变教学指导理念，鼓励教师理解虚拟现实技术，校企合作开发虚拟现实教学资源，开展教学模式改革，另一方面，教师作为虚拟现实教学资源的传播者，要提升自身信息化职业能力，发挥学生学习与资源应用的桥梁作用；从教学过程的角度分析，职业教育专业实训特别是工科类实训，不再是先学后练的传统教学模式，而是学生与教师相互配合的过程，在这个过程中需要教师对教学效果进行评价，评价因素包括教育观念、教学方法、教师与学生角色互换等，都值得进一步实证研究与分析。

五、总结

在职业教育中，虚拟现实教学资源创设高仿真的学习情境，克服实践操作训练空间不足的困难，降低实践教学成本，解决传统教学中无法解决的问题，是推动职业教育内涵发展的利器。本文通过分析虚拟现实教学资源的开发现状，并对应用效果进行对比评价，研究证明虚拟现实教学资源，特别是传感器类型虚拟现实教学资源应用效果好。然而，由于研究样本数量有限，调查问卷对象的专业领域、学习行为特征也尚未考虑，这是未来进一步研究的重要因素。总的来说，虚拟现实教学资源辅助教学具有广阔的前景。

[1]陈隽沁.虚拟漫游技术在景观设计中的应用[J].现代装饰(理论),2016(7):66.

[2] 吴鹏飞.网上虚拟翻书平台应用研究[J].电脑编程技巧与维护,2014(3):43-45.

[3]陈海波,郑健,费瑞轶,等.虚拟现实技术在电力系统中的典型应用[J].电网与清洁能源,2016(12):20-25.

[4]文敏飞,尚林燕,张帅,等.虚拟现实技术在汽修专业信息化教学中的应用分析[J].湖北工业职业技术学院学报,2017,30(2):89-92.

[5]罗陆锋,孙爽,李国琴,等.虚拟现实技术在技能实训教学考评中的应用研究[J].中国现代教育装备学,2016 (11):89-91.

[6]赵晶,李建亮,李福海.虚拟现实技术在地震应急救援训练基地中的应用[J].华北地震科学,2016 (2):63-66.

[7] 丁宾,刘海平,邵晓根,等. 虚拟现实技术在塔吊模拟培训系统中的应用[J].制造业自动化,2012,34(10):135-137.

[8]戴亿政,王进红,吴鹏辉,等.基于虚拟现实技术的食品机械设计平台[J].食品与机械,2014,30(4):74-77.

[9]姜国华,刘玉庆,朱秀庆,等.虚拟现实技术在空间站站舱内定向训练中的应用[J].载人航天,2015,21(2):115-120.

[10]甄舒,刘伟红.虚拟现实焊接培训模拟系统在焊工培训中的应用[J].中国高铁焊接,2015(1):64-66.