虚拟现实技术在职教实训教学中的应用研究

李 雪

(武汉职业技术学院 电子信息工程学院, 武汉 430074)

0 引 言

随着包括新一代移动通信、三网融合、超高速光纤宽带、虚拟现实等新兴通信技术的不断发展，针对传统通信类实验及综合职业能力培养中存在一些真实实验不具备条件开设或难以完成的教学功能需求[1]，为全面提高学生的职业能力，在专业实训中的“一高(高成本)”、“四难(难下去、难动作、难看见、难再现)”领域[2]构建与真实实验场景完全一致的虚拟实验环境，给学生提供绿色、可靠、安全、经济的实验项目，让学生在虚拟环境中开展实验，达到通信类岗位职业能力要求的教学效果[3]。这不仅有效解决了传统通信网络实践教学的不足，同时也是解决通信类专业学生开展工程实训的又一途径[4]。

“通信技术专业在线模拟实训平台建设与应用”项目获批湖北省教育厅2014年职业教育信息化试点项目。依据“高等职业教育创新发展行动计划(2015—2018年)”[5]，针对通信行业职业能力培养需求，立足通信类职业岗位，为解决传统通信类专业课程理论教学与学生职业化培养之间的矛盾，拓展通信类专业课程实践教学的深度和广度、提高实践教学实效，实现理论与实践教学的密切结合[6]，同时尽可能降低实验成本[7]项目团队经过近2年的时间建成了具有高度真实感的在线虚拟实训平台。为加快推进湖北省职业教育信息化工作，积极探索教育信息化发展模式和推进机制的背景下[8]，以在线模拟实训平台应用系统框架建设为核心，创新严肃游戏教学模式，完善三方合作开发模式，推进教学内容二次开发工具的标准建设，健全师生参与机制[9]，建立后期运营机制，构建通信技术在线模拟实训平台(网站)，形成以“1站5室”为载体，教师和学生互动共建、协作创新、教学相长的信息化教育教学新格局[10]，实现现代信息技术与职业教育的深度融合，全面提升职业教育的教学质量[11]。

1 通信技术专业在线虚拟实训平台介绍

通信技术专业在线虚拟实训平台是我院和企业合作开发的“1站5室”平台， 其中“1站”指的是在线学习的信息化管理系统。此平台包括5个虚拟实训室(即所谓“5室”)，分别是移动基站运行与维护、通信工程勘测设计与概预算、数据通信、通信网络和物联网等5个虚拟实训室。

在线学习信息化管理系统是一款基于Web的虚拟可视化教育系统网站[12]。管理系统中用户分为4大角色，分别是：系统管理员、教师、学生和社会人员。管理人员身份对应的功能有课程管理、关卡管理、分类管理、用户管理和院校管理；教师身份对应的功能有课程建设、学生管理、数据统计和主观题管理；学生身份对应的功能有我的课程、学习进度和我的作品；社会人员进入之后，可以预览各个课程，但需要付费后才能进行课程学习，付费后与学生身份的功能相同。教师能够通过学生信息管理界面对学生信息进行管理并撰写评语。数据统计功能可以通过折线图的方式简便明了的查看某个班级学生各科各模块的成绩。题库可供教师自主进行题目的管理，并提供批量导入功能。

移动通信基站运行与维护虚拟实训室(其登录界面见图1)主要针对移动基站建设课程的实训教学内容进行开发，此实训室设置了4个关卡(见图2)，① 基站整体设备认知；② 基站设备认知；③ 基站数据配置；④ 基站故障排查[13]。

图1 移动基站运行与维护虚拟实训室的登录界面

图2 移动基站运行与维护虚拟实训室的关卡选择界面

学习移动基站运行与维护虚拟实训室后，学生能掌握移动基站的建站要求，室内设备和室外设备的安装规程，能掌握各主流设备厂商的RRU，BBU和天线等产品的特点及组网配置规则，会组建并配置室外典型站点和室内分布站点，能熟练使用各设备厂商的基站运维软件，能熟练开通站点并对站点进行日常维护和故障分析与排除。

(1) 关卡1基站整体认知。关卡1基站整体认知(其登录界面见图3)是对移动基站机房环境(承重、防水、防火等施工要求)、基站室内设备、室外设备和设备连线等进行自主学习。此关卡设有3种模式，分别是学习模式、训练模式和挑战模式。学习模式(见图4)是通过3维动画、文本打印和智能语音3位1体的方式，介绍移动基站的机房环境、室内设备、室外设备和设备连线等专业基础知识。

图3 关卡1基站整体认知登录界面

训练模式(见图5)是在线学习信息化管理系统根据学生的学习内容进行随机出题，用户在虚拟的3维场景中选择答案后提交给系统，系统会自动判断提交的结果是否正确。

挑战模式(见图6)分为理论考核和实训考核两个部分，其中理论考核(见图7)是系统采用在线答题的方式，从题库中随机抽取题目供学生作答，实训考核(见图8)是学生根据系统的随机提问进行答题，最终系统根据理论考核和实训考核的答题情况给出最终得分。

图6 关卡1基站整体认知挑战模式登录界面

(2) 关卡2基站设备认知。关卡2基站设备认知(见图9)主要介绍目前主流通信设备厂商的产品及其应用，包括现网常用的BBU和RRU设备GPS天线，室内定向天线等，室内全向天线、室外定向天线、室外全向天线等设备，室内站点的典型配置应用和室外站点的典型配置应用。关卡2也设有3种模式，分别是学习、训练和挑战模式。学习模式(见图10)是通过3维动画、文本打印和智能语音3位一体的方式，介绍目前主流通信设备厂商产品的相关知识及应用。

图9 关卡2 基站设备认知界面

训练模式(见图11)是用户根据系统随机给出的应用场景，根据系统提示的流程和设备地图，自行完成设备选型和设备连线。

图11 关卡2基站设备认知训练模式界面

挑战模式(见图12)是系统随机出题，学生根据系统任务单的提示完成设备选型和设备连线操作，最后系统根据完成情况给出评分。

图12 关卡2基站设备认知挑战模式界面

(3) 关卡3基站数据配置。关卡3基站数据配置(见图13)主要包括全局数据配置、传输数据配置、无线数据配置的方法及命令集，对基站数据配置成功后进行业务验证。此关卡也设有3种模式，分别是学习、训练和挑战模式。学习模式是以视频展示的方式介绍基站数据配置的流程。训练模式下(见图14)学生根据系统配置流程图，一步一步进行数据配置。挑战模式下(见图15)，学生根据系统随机出题进行自行配置，系统对学生配置情况进行打分。

图13 关卡3 基站数据配置登录界面

(4) 关卡4基站故障排查。关卡4基站故障排查(其登录界面见图16)包括TD-LTE传输、TD-LTE天馈和TD-LTE网管维护链路等故障分析与排查以及常见故障定位及处理。

图16 关卡4 基站故障排查登陆界面

此关卡也设有学习、训练和挑战等模式。学习模式下(见图17)通过3维动画+文本打印+智能语音3位一体的方式，展示故障排查的步骤和方法。训练模式下(见图18)通过故障排查流程的提示，一步一步引导学生进行故障排查。考核模式下(见图19)，系统将随机抽取故障中的一种情况，让用户自主进行故障排查，系统根据用户操作给出评分。

图18 关卡4 基站故障排查训练模式界面

图19 关卡4 基站故障排查挑战模式界面

2 平台应用效果

移动通信基站运行与维护虚拟实训室已在本校通信技术专业课程教学中进行实践，共有215人次参与了课程的线上自主学习，其中190人闯关成功并获得作业成绩。统计分析学生的学习过程和效果是教学的一项重要环节，建立在云服务器端的学习信息系统，能详细记录学生的学习过程以及学习成绩(见图20)，通过各种形式的图表展现出来，作为教师分析评估学生成绩的依据。

图20 通信14301班移动基站运行与维护虚拟实训

在线虚拟实训平台实现了学生实践时间7×24 h不间断，实验效率大幅度提升。团队成员在校外开展教学改革类交流活动共计11次，其中受邀做主题报告2次，与企业开展平台技术应用及使用推广类交流活动共计10次。

3 结 语

在线虚拟实训平台的创新点之一是师生参与机制，但师生参与的前提是建立一套标准化的简单实用的系统框架。解决方案是基于3维全景高度仿真的虚拟实训平台[15]，针对在线虚拟教学的特点，在充分征求师生意见的基础上，开发出一套符合师生使用习惯，满足教学要求的简单实用的在线虚拟实训平台应用系统框架。各虚拟实训室主要以3维虚拟仿真的形式，完成设备的建模、实验原理展示、实验交互操作、实验考核。3维仿真具体的手段包括：图片、声音、文字、3维动画、平面动画等元素。为了提高学生学习的积极性，将游戏元素引入系统框架，寓教于乐，通过积分排行榜、闯关奖励等激励方式让学生在过关游戏过程中掌握专业知识，在提升专业技能水平的同时激发学生浓厚的学习兴趣。开发团队中有专业的游戏策划人员，筛选适合于教学系统的游戏元素，同师生一起探讨如何引入到系统框架中，最终形成可方便调用的游戏元素模块。