VR技术在食品药品类高职实践教学中的创新应用

项朝阳 段丹萍 贺昉 汪小根 庄义修

摘 要：文章针对食品药品类专业存在的实践教学资源普遍不足、教学难点多且不易解决、资源分散难以满足学生个性化学习需求等问题，采用VR技术开发“虚拟工厂”，整合相关VR实践教学资源，构建虚实结合的实践教学环境，创新“以培养食品药品类职业技能人才为目标，虚拟环境与真实环境相结合，以支持实训教学、创新实践教学、开展研究为主线”的VR技术应用模式，实现了“讲授+真实实训”的传统实践教学模式向“在线自主学习+虚拟实训+面授教学+真实实训”的混合实践教学模式的转变。

关键词：虚拟现实技术；食品药品类职业人才；实训教学；高职教育

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）18-0032-03

一、引言

我国职业院校对食品药品类专业的人才培养目标，主要与国家中（高）级的职业资格（如乳制品加工人员、农产品食品检验员、药物制剂人员、中药饮片加工人员等）以及食品药品类行业企业对技能型人才的需求相衔接。实践教学是培养学生职业技能和创新品质的关键，但由于受到建设经费、场地、资源等各种条件的限制，构建完善的实践实训条件已经成为众多职业院校亟待解决的难题。虚拟现实技术以高度仿真的方式为用户创建了一个可观察、可交互操作的反映事物内部结构、运行规律、相互作用过程、状态变化等的三维虚拟世界，从而实现对真实生活中看不见、进不去、摸不到和动不了的事物和现象的沉浸体验。

虚拟现实技术应用于职业教育，能为操作、设计、解剖等方面的实践教学带来变革，这些教学内容和教学手段的变化又促进了教学理念的更新，其影响是深远的。目前，国内针对食品药品类加工工艺过程的交互型虚拟仿真实训系统较少。中国药科大学开发的GMP仿真实训系统、药物制剂工程学等教学软件，采用图片、录像介绍了部分制药设备的外观、结构、原理以及车间质量管理规范，并以动画演示个别设备的工作原理，但侧重突出部分设备性能，缺少中药前处理及中间体制备等内容，且沒有对全生产过程的仿真模拟[1]。广东食品药品职业学院于2006年开发了中药制药实训仿真系统软件，该软件模拟了中药制药生产的流转工艺，属于通用制药类生产架构，在操作逼真度、界面友好性和智能化控制等方面仍然存在缺陷和瓶颈。

针对国内缺少全生产周期过程的中药制药虚拟仿真实训系统的现状，结合高职实践教学的现状及需求，自2011年以来，我们组建了一支由食品加工学、中药学、教育技术学、计算机等专业领域专家组成的团队，以“项目驱动-跨界协同”的方式，采用VR技术开发了“虚拟工厂”，通过整合相关VR实践教学资源，构建了基于多元化信息技术的虚实结合实践教学环境，创新了“以培养食品药品类职业技能人才为目标，虚拟环境与真实环境相结合，以支持实训教学、创新实践教学、开展研究为主线”的VR技术应用模式，实现了“讲授+真实实训”的传统实践教学模式向“在线自主学习+虚拟实训+面授教学+真实实训”的混合实践教学模式的转变。

二、拟解决的教育教学问题

一直以来，高职实践教学主要存在着三方面的问题：①高职实践教学一般采取大班教学的方式进行，传统实训车间高昂的建设费用和运行成本使得实践教学资源普遍不足，难以支撑大规模教学；②受各种因素制约，实践教学难点多且不易解决，部分设备结构和生产工艺流程复杂、生产周期长，真实条件下难以直接、深入观察，更难以系统、持续地开展实训，虽然VR技术已作为职业院校实训教学的重要支持手段，但能够深度反映生产工艺流程的系统却很少；③因受到场地、经费投入等因素限制，食品药品类专业实践教学资源分散，不利于校内实训车间、校外实训基地、虚拟实训教学资源等的共享使用，难以满足学习者个性化学习的需要。针对这些问题，我们采取了以下措施：

1.开发“虚拟工厂”，构建虚实结合的实践教学环境

针对传统实训成本高、实践教学资源不足且分散等问题，运用3Dsmax、Unity3D和Quest3D虚拟现实技术，开发“虚拟工厂”，并基于云计算技术、网络技术等多元化信息技术，整合相关数字化实践教学软、硬件资源，构建虚实结合的实践教学环境。

2.利用VR技术，突破实践教学难点

利用VR技术创建具有深度临场感、沉浸感和交互性的虚拟世界。通过漫游、360度全景、逼真的视音频特效、实时的交互和反馈等功能，实现了对工厂、车间的场景和布局、设备结构与原理、岗位操作与考核等的仿真模拟，便于激发学习者的学习兴趣，开展直观深入的观察学习、体验学习和自我评价，同时缩短了实训周期，全面提升实践教学。

3.基于混合学习理念，构建虚实结合的混合实践教学模式

基于混合学习理念，混合多元化信息技术、多种教学方式和学习方式，重构教学次序，构建了虚实结合的混合实践教学模式，实现了“讲授+真实实训”的传统实践教学模式向“在线自主学习+虚拟实训+面授教学+真实实训”的混合实践教学模式的转变。

三、创新应用的探索

1.基于多元技术构建虚实结合仿真教学环境

利用云计算技术、网络技术等手段整合各类虚拟仿真教学资源，如有条件也可根据学校特色自主开发虚拟工厂，全校师生均可利用校内实训机房、办公电脑、VR设备、校外PC、移动终端等，随时随地对整合的虚拟仿真实训教学资源进行访问，使得多媒体教室、计算机实训室、校内校外实训基地等教学场所与云计算虚拟仿真实训中心实现了零距离对接，构建良好的虚实结合的实践教学环境，整体的技术架构如图1所示。

2.创新了VR技术在高职实践教学中的应用模式

VR技术应用于教育教学的最终目的是为人才培养服务。在实践教学过程中，形成了VR技术在食品药品类职业人才培养实践教学中的应用模式，如图2所示。

（1）将VR技术作为技术手段，支持实训教学

基于混合学习理念，混合多元化信息技术、多种教学方式和学习方式，将“虚拟工厂”等虚拟仿真教学软件在实训教学中作为教师教学演示工具和学习者认知工具，支持教学演示、自主探究学习和自我评价，实现了“讲授+真实实训”的传统实践教学模式向“在线自主学习+虚拟实训+面授教学+真实实训”的混合实践教学模式的转变，如图3所示。

（2）将VR技术作为教学内容，创新实践教学

以3D建模技术和VR交互技术为教学内容，开设了《3Dsmax建模》和《Unity 3D开发基础》课程，并通过开展虚拟仿真实践项目培养学生的开发能力、自主学习能力和创新能力。组织学生团队参加“挑战杯”等各类课外学术科技作品创作比赛，提升创新实践能力。

（3）将VR技术作为切入点，探索教育规律

以技术接受模型和沉浸理论为基础，构建了基于VR实训系统的学习行为意向影响因素模型，通过实证研究发现：沉浸体验、感知易用性和感知有用性显著正向影响学习行为意向；沉浸体验、感知易用性和感知有用性受到VR特性和计算机自我效能的正向影响；感知有用性受到组织管理的正向影响[2]，为VR实训系统的设计、开发与应用提供了策略性建议。

四、应用效果

1.显著提升了学生职业技能水平和教师信息化教学能力

本成果在广东食品药品职业学院应用于22门课程，支持了4个省重点（品牌）专业和3个国家级及省级高职教育实训基地建设，可同时参与虚拟实训的学生数为真实实训的12倍，基于VR的实训周学时为过去的50%。通过开展基于VR实训的混合教學，教学质量明显提升，学生在“挑战杯”等技能大赛中多次获奖，多位教师在国家、省级信息化教学大赛中取得佳绩。

2.创新了VR技术在食品药品类实践教学中的应用模式

突破传统的实践教学，依托多元化信息技术的虚实结合实践教学环境，基于教育学、心理学等理论，创新了“以培养食品药品类职业技能人才为目标，虚拟环境与真实环境相结合，以支持实训教学、创新实践教学、开展研究为主要线索”的 VR技术在食品药品类职业人才培养实践教学中的应用模式。为相关职业院校和行业企业开展仿真实训资源建设和应用提供了实施路径参考，丰富了职业教育研究成果。

3.构建了基于VR实训的食品药品类混合实践教学模式

以职业技能人才培养为目标导向，基于混合学习理念，混合多元化信息技术、多种教学方式和学习方式，构建了基于VR实训的食品药品类混合实践教学模式，支持职业院校、行业企业食品药品类多个专业开展实践教学与培训，显著提升了学生的职业技能水平。此外，以学生学习为中心，采用文献研究、问卷调查、结构方程模型等方法，开展了实证研究，探索了基于VR实训系统的学习行为意向的影响因素，丰富了VR环境下有关学生学习行为的研究成果。

4.总结了食品药品类虚拟工厂的开发方法

根据食品药品类工厂的特征、设备加工工艺过程和操作规律，从仿真技术实现的角度出发，结合Unity3D和Quest3D开发平台的技术特性，将仿真内容归纳为虚拟场景、动态物体、触发与控制、数据与属性关联、生产流程流向控制五大部分，并总结其表现特征和开发方法，见表1。

参考文献：

[1]项朝阳，段丹萍.提取浓缩虚拟车间的设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2014（5）：195-201.

[2]段丹萍，项朝阳.基于VR实训系统的学习行为意向影响因素研究[J].中国教育信息化，2017（10）：29-33.

[3]李小平，张琳.虚拟实现/增强现实下混合形态教学设计研究[J].电化教育研究，2017（7）：20-26.

[4]高媛，刘德建.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.

[5]孙江山.基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的设计与实现[J].电化教育研究，2012（8）：70-74.

[6]丁楠，汪亚珉.虚拟现实在教育中的应用：优势与挑战[J].现代教育技术，2017（2）：19-25.

（编辑：鲁利瑞）