虚拟现实技术在高职教育中的应用与探究

周 玮

(绍兴职业技术学院,浙江 绍兴 312000)

1 虚拟现实技术的概述

虚拟现实技术又称临境技术或人工环境，是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，向使用者提供视觉、听觉、触觉等多种感官刺激，使用者通过头盔式显示器、手势(数据手套)、体势(数据衣服)和自然语言等方式与这一环境(以及其中的虚拟物体、人物)进行实时交互，带来一种身临其境的感受。[1]它是仿真技术的一个重要方向，也是计算机图形学人机接口技术、多媒体技术、网络技术等多种技术的集合，更是一个富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。

1965年，在Sutherland《终极的显示》论文中首次提到包括交互图形显示、力反馈设计及声音提示的虚拟现实系统的基本思想。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD(头盔显示器)系统。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的贾朗·拉尼尔(Jaron Lanier)正式提出“虚拟现实”这一概念。80年代，美国宇航局(NASA)及美国国防部组织了一系列关于虚拟现实技术的研究，并取得了瞩目的成就。进入90年代，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图象的实时动画制作成为了可能。[2]

我国虚拟现实技术的研究起步于20 世纪90 年代初。而随着计算机图形学、计算机系统工程等的高速发展。其具有的3I特性即沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)和构想性(Imagination)[3]使它被越来越多的教育学者认定可作为一种新的认知工具新的教学手段应用在教育领域中。

按照虚拟现实技术创建系统的功能和实现方式的不同，可以将其分为3种类型：桌面式虚拟现实技术、沉浸式虚拟现实技术和共享式虚拟现实技术。[4]本文采用的虚拟现实技术就是沉浸式虚拟现实技术，即利用头戴式显示器，将学生的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，沉浸在工业机器人技术专业的教学内容中，形成身临其境之感。

2 虚拟现实技术在高职院校工业机器人技术专业教学中的应用与研究

2.1 工业机器人技术专业教学现状

高职教育以适应社会需要为目标、以培养技术应用能力为宗旨。教学手段多采用“理实一体化教学”，即理论知识讲解与实践操作相统一的教学方法。以工业机器人技术专业为例，根据本专业制定的最新人才培养方案，学生的就业岗位主要围绕工业机器人组装调试、维修及开发方向。从而得到如图1所示的职业技能培训体系图。并由此可知，学生对机器人操控的认知水平的提高和操作技艺的增长都必须建立在机器人设备的操作上。

图1 工业机器人技术专业的职业技能训练体系图

面对这样的教学需求，传统的理论教学方式和实践教学方式却都有不尽如人意之处。目前，专业需求的理论知识授课多在传统课堂中完成，虽然可借助板书、ppt或者视频录像等多种手段使理论表达更加直观一些，但是收到的效果也仅仅能让学生对设备拆装、调试等环节加深一定的印象却无法达到掌握的程度更不可能达到精通这样的高层次水平。同样，建立工业机器人实训室为学生的实践操作提供专业的教学场地也无法完全达到教学的期望。例如，部分价格昂贵的设备并不能被搬进大学的实训室，而前往企业进行校外实训又带来了学生安全、日常管理、企业对接等诸多问题。当然，即使有足够的资金可以购买充足的设备，还要考虑采购的数量和场地的空间是否匹配。在这种传统理论教学表现力不足，实践教学条件不够完善的情况下，学生对于工业机器人的拆装、调试和编程等内容的学习效果必然会大打折扣，导致学生的专业能力不足，直接影响了学生的就业竞争力。

针对以上现状，虚拟现实技术的引入辅助实践教育教学，建立“虚拟现实实训室”，既可以弥补理论教学过于抽象化的不足之处，又可以多个专业共用该套设备仅致力于不同课程开发不同软件平台即可，大大节省了场地配置和设备购置的投入成本，却能让学生无限畅游在一个无限宽广的“虚拟的世界”体验“沉浸式”的教学乐趣。

2.2 虚拟现实技术在工业机器人技术专业教学中的应用

将虚拟现实技术应用到工业机器人技术专业中主要是针对工业机器人组装、调试和维修的技能仿真训练，为学校或企业培养工业机器人及自动化设备的维护、维修及安装调试人才提供虚拟的教学平台。

以工业机器人组装与调试实训为例，针对教学主要内容结合现实实训设备搭建出一个虚拟的学习平台，即通过计算机对工业机器人系统进行一比一实际建模设计，逼真显示实验平台。采用项目化教学方式，任务驱动式教学方法。将工业机器人组装、调试的技能仿真训练分成项目一、项目二、项目三等，而每个项目下面又有很多个细分的小任务，由深到浅，由简及难。该工业机器人学习平台主要包含两个功能模块：教学模块和考核模块。教学模块侧重于知识点的学习和训练，学生佩戴VR眼镜，双手使用专用感应手套，跟随教学指令无需键盘、鼠标操控即可在空间虚拟环境中依靠双手掌握装调仿真操作和知识点学习，该模块中还包含了教学提示，错误提示，操作提示等；考核模块则侧重阶段性学习测试，可实现装调仿真操作和考核知识点统计功能，可记录阶段学习测试的相关信息：正确率、操作时间、错误详细信息等。

图2 利用虚拟现实技术实践教学技术路线

2.3 虚拟现实技术在实践教学中的优势

利用虚拟现实技术建立的虚拟实训室，极大地丰富了“理实一体化”教学内容，将实验、实训等无限的技能训练搬到了空间有限的课堂中进行，将一些复杂的、抽象的、不宜直接观察的设备内部状况，拆装调试过程全方位、多角度地向学生一一展示。以虚拟现实技术在工业机器人技术专业教学中的应用可知，在虚拟的环境中操控虚拟的设备，大大降低了实践操作带来的危险性，有效减轻了教师在实训课中的监管压力，省去了可观的耗材成本却可以令学生进行反复操作直至掌握操作技能为止。虚拟现实技术在实践操作中的应用更是突破了传统实训室使用时的时间空间局限性，紧跟时代的潮流，使每一位学习者都可以根据自己的学习特点，在自己方便的时间通过计算机自由地选择适合的学习训练内容，按照适合自己的方式和速度进行学习。

3 结语

在虚拟现实技术创建的环境中，只要带上VR眼镜，便可360°全方位无死角地感受展示效果，带上手套便可随心所欲进行实践操作，大大拉近了学生与冰凉巨大的设备，学生与晦涩难懂的知识点的距离。这样的教学方式可以在工业机器人技术专业教学中带来令人欣喜的教学成果，更可以照搬到其它课程教学中发挥巨大的作用。随着深入研究不断挖掘，虚拟现实技术应用还可以将课堂虚拟化，学生可以与虚拟的教师、学生一起交流讨论，开展启发式教学，深入发挥了教师的引导作用与学生自主学习能力。相信不久的将来，虚拟现实技术必将对高职教育教学带来颠覆性的改变。

[1]高媛, 刘德建, 黄真真, 黄荣怀. 虚拟现实技术促进学习的核心要素及其挑战[J]. 电化教育研究, 2016，(10):77-87，103.

[2]曾建超,俞志和.虚拟现实的技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1996.

[3]梁琨，黄小丽.虚拟现实技术在教育中的应用探讨[J].软件导刊·教育技术，2008，(3).

[4]付长亮.虚拟现实技术简介[J].信息与电脑：理论版，2009，(11)：60-61.