VR技术在机械虚拟训练的应用研究

周建钊，王宇

（陆军工程大学野战工程学院，江苏 南京 210000）

1 前言

虚拟培训的概念最早在20世纪90年代由美国提出。它的出现引起了世界各国科研机构、军事界和企业界的广泛关注，被认为是保证大规模生产先进产品的有效手段。世界上众多高校、科学研究机构及大型企业陆续进行这方面的科学研究，并获得了重大突破。虚拟训练（Virtual Reality Training)相关技术自2000年以来得到了飞速发展。自2011年以来，每一年都举办有关虚拟现实技术的专业国际学术会议——IEEE VR（IEEE Virtual Reality Conference)，推动行业内学者之间的沟通交流。IEEE VR是专门为交流促进虚拟现实技术而举办的专业国际会议，有效促进了各国研究人员领域内知识与经验的交流互动。我国也将虚拟训练技术列为《2017新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告》之中教育技术的关键技术之一。目前，我国机械专业的培训和教育存在许多问题。比如，教育成本相对较高，存在较高的安全隐患，教师示范的影响不是很好。虚拟现实技术的发展可以有效地解决我国机械专业培养和教学中遇到的诸多问题。其次机械专业教育非常重视实践过程，其专业课程注重启发、指导和塑造受训者的专业技能、逻辑思维能力和实用应用技术，目标明确，理论性强。虚拟现实技术在机械教育领域的应用改变了传统的教育方式，使受训者能够与虚拟场景的学习内容进行交互，解决了交互性差、情境性差和传统课堂教学的问题。逐渐在教育实践中有着广泛的应用。

2 VR技术发展现状

为分析虚拟现实技术在机械专业实践教育全过程中的应用现状，且因为近年来我国虚拟现实技术的快速发展，各类平台文献资料数量巨大，本文选取知网CNKI数据库数据进行归纳分析，采取内容分析的方法，探讨虚拟现实技术在机械专业实践教学中的应用现状，截止日期是2022年2月，搜索主题为“虚拟现实”和“教学应用”。共发现1066篇已发表文献。我们对从数据库中检索到的文献进行量化分析，我们了解到这些文献在教育领域中的应用，目前分为2个阶段：2002年至2016年，虚拟训练技术的发展相对稳定，这表明，研究人员在论证虚拟现实技术与实践教学的结合的同时，积极探索和拓展虚拟现实技术在教育教学各个领域的研究领域；自2016年以来，2016年被称为虚拟现实的元年。自2016年以来，发表的文献数量迅速增加，虚拟现实与教学的结合也取得了快速进展。将关键词“机器”作为筛选主题后，共发现69篇相关文献，内容分析发现内容主要集中在虚拟现实、实验教学、维修等方面。分析发现，虚拟现实技术在机械教育中的应用主要集中在使用虚拟仿真软件创建虚拟场景和模型，然后进行教学和实践训练。

针对近些年国内VR技术的快速发展以及VR技术在机械专业实训教育实践全过程中的运用现况，本文采用文献研究法和内容分析法对已发表的文献资源进行综合分析，结合机械专业实训教学中的VR技术应用现状展开思考。文献数据来自于中国知网，在CNKI数据库中进行文献检索，期限截止于2022年2月，检索的主题是：“虚拟现实”和“教学应用”，查找到的已发表文献共有1066篇。对数据库中搜索到的所有文献进行计量可视化分析，从历年文献发表数量变化分析（图1）中可得知，虚拟现实技术在教育领域的应用正在快速普及，目前分为两个阶段发展：2002～2016年，虚拟训练技术发展较为平稳，表现出科研教育人员对虚拟现实技术与实训教学的结合展开探索，积极探索和拓宽了虚拟现实技术在教育教学各领域的研究方向；2016年被称为“虚拟现实”元年，由2016年开始，文献发表数量快速增长，虚拟现实与教学领域的结合发展开始飞速进步。再添加“机械”关键字为主题进行筛选，共查找到相关文献69篇，在对文献内容进行分析后，发现内容主要集中在“虚拟现实”、“实验教学”、“维修”、“加工”等方面，从中可以看出，在机械实训教育中虚拟现实技术的运用主要侧重于利用虚拟仿真软件创造出虚拟场景和模型，继而是进行教学和实操的训练。

图1 历年发表文献数量变化

3 VR教学现状分析

3.1 教学指导

在虚拟现实学习环境中，受训者必须在基本学习流程中接受合理的教学指导，才能开展有效的学习活动。虚拟现实教学常用的教学模式包括教师教学、数字教学、学习手册等。在69篇文献中，有21篇文献在虚拟场景中添加了数字化教学的设计，例如在柴油机拆卸和维修虚拟环境中设置各种培训方案的说明，受训者可以根据说明进行选择；培训方法包括视频辅导、语音辅导和单个教学讲解。有8篇文献介绍了一种混合式指导设计，不仅由教师在虚拟场景前培训受训者，还指导受训者在虚拟学习环境中通过各种形式的人机交互中完成培训教学。例如，在机械虚拟实验室的教学过程中，教师首先指导受训者使用设备并解释任务。当进入虚拟培训系统时，学习过程中会出现一个解释动画，为完成任务提供关键信息。另有1篇文献文件将培训系统的使用说明和教材内容转化为视频和音频材料，提前指导受训者熟悉虚拟现实的操作，并解释虚拟场景中的学习要求。此外，20篇文献没有提到教学指导的相关设计

在VR教学环境中，受训者开展有效学习活动需要在关键教学环节中获得合理的教学引导。VR教学中常见的引导模式有教师指导、数字化引导、教学手册等方式。在69篇文献中，有21篇文献是在虚拟场景中加入了数字化引导设计，例如在柴油机拆装维修的虚拟环境中设置不同的训练场景选项的提示，受训者可根据提示进行选择；有10篇文献描述教师应在受训者进入虚拟场景前开展培训，培训方式包括视频指导、口述指导和实际操作讲解；有8篇文献中采用混合式引导设计，既有在虚拟场景前由教师对受训者进行培训，又在虚拟学习环境中通过多种人机交互形式指引受训者完成培训任务。例如在某机械虚拟实验室中教授课程的过程中，首先由教师对受训者进行设备使用指导以及任务讲解，在进入虚拟训练系统在学习过程中弹出讲解动画，为完成任务提供关键信息。另有一篇文献将训练系统操作说明以及教材内容制作成视频和音频资料，作为教学引导材料，引导受训者在虚拟场景中熟悉VR操作、明确学习要求。此外，有20篇文献并未提及学习指导的设计（图2）。

图2 虚拟训练系统教学指导方式

3.2 教学策略

根据文献内容进行分析，目前的虚拟训练系统设计者使用虚拟现实进行教学实践，主要采用以下教学策略：任务研究、分工协作、主题实践和内容展示。基于任务的研究性教学主要是基于任务的，它鼓励受训者在虚拟环境中探索解决问题的方法，例如拆卸和组装机械零件的任务。分工协作是指受训者以小组形式完成教学任务，如小组成员协作的搬运、安装等活动。该主题的实践教学策略侧重于培训技能，如机械故障排除和维护。内容演示教程以三维形式向实践者展示肉眼看不见的物体及其转换过程，例如使用虚拟现实技术进行交互式漫游和显示机械结构。

近年来，不同学习策略的比例发生了显著变化。在过去的10年中，包括教学任务策略在内的培训体系所占的份额已从70%下降到41%。原因可能有两点：第一，作业请求内容的开发需要大量的时间和精力；第二，学习作业请求的过程很长，受训者培训的有效性得不到保证。近年来，文献中包含分工协作内容的培训体系逐渐发展壮大，但由于分工协作教学对设备要求高，技术支持不足，影响了基本培训需求，培训水平仍然较低。在力学教学中，学科实践教学得到了广泛的应用。首先，具体科目的培训更符合兽医的实际要求，其次，虚拟现实技术的具体内容制作更为成熟。在2000～2009年期间，包含文献内容的培训系统仅占13%，在接下来的10年中增加到36%。随着虚拟现实技术在模型制作和内容表现方面的更好发展，近年来使用虚拟现实技术可以更细致、准确地显示各种机械模型和场景。近年来文献内容的变化表明，学习策略的选择取决于机械教育的实际需求和虚拟现实技术的发展，学习策略的改进必须进一步加强虚拟现实技术的研究。

根据文献内容进行分析，目前的虚拟训练系统设计者使用虚拟现实进行教学实践，主要采用以下教学策略：任务探究式、分工协作式、科目练习式及内容呈现式。任务探究式教学主要以任务为导向，鼓励受训者在虚拟环境中以问题解决为目标开展探索，例如机械部件拆装任务。分工协作式是指教学中受训者以小组为单位完成教学任务，例如小组成员合作进行搬运、安装等动作。科目练习式教学策略侧重于技能训练，例如对机械故障排查维修等技能训练。内容呈现式教学将现实中肉眼不可见的物体及其变化过程以立体的形式向受训者展示，如利用VR技术互动漫游以展现机械结构等。

近年来，不同学习策略的比例发生了显著变化（表1）。包含任务探究式教学策略的训练系统在近10年间的占比由起初的70%减少到41%，原因可能有以下2点：首先，开发任务探究式内容需要花费大量时间和精力，其次，进行任务探究式学习流程长，受训者训练效率得不到保障。近年文献中包含分工协作式内容的训练系统逐步增长，但仍处于较低水平，原因是分工协作式教学对设备要求高，技术支持不完善，影响训练的核心需求。科目练习式教学在机械专业教学中得到了更普遍的应用，一是针对具体科目进行的训练更加符合实际专业教育要求，二是关于制作具体内容的虚拟现实技术更加成熟。2000—2009年间文献中包含内容呈现式内容的训练系统仅占13%，而后十年增长到了36%。随着虚拟现实技术在模型制作和内容表现方面的更好发展，近年来使用虚拟现实技术可以更细致、准确地显示各种机械模型和场景。近年来文献内容的变化表明，学习策略的选择取决于机械教育的实际需求和虚拟现实技术的发展，学习策略的改进必须进一步加强虚拟现实技术的研究。

表1 VR技术教学策略变化统计

3.3 教学数据分析

教学数据分析是机械专业教学的一个重要方面，可以用于分析和评价教学效果。教学效果评估是指根据预先确定的教育目标，通过现有的成熟技术和方法，对教育教学中的实验和实践活动中不同的教育活动、教育过程和教育结果进行科学评估和评估；本文研究了文献中收集学习数据的方法。结果表明，虚拟训练成果的主要数据来源是问卷调查，另外理论考核的成绩也是一种常用的数据收集方法。一些文献采用了课堂记录和课后交流的方法。一般来说，问卷作为最方便的数据收集方法之一，因此为机械虚拟训练教学提供了最多的数据来源，但得出的结论是主观的；教学记录和课后交流相较于前两种方式，能够深入了解受训者的学习过程和学习体验，但需要花费更多的时间。因此，我们需要更多的研究人员深入了解数据的收集和演变对职业教育教学效果的影响，并进一步分析数据对教学的影响。

4 结论与思考

根据收集到的文献研究结果，我国对虚拟现实教育的研究和应用尚处于起步阶段。以虚拟现实的简单应用为主导，以创新能力为支撑的研究较少，教育培训影响评估体系也不完善。目前，国内虚拟现实研究的重点仍然是虚拟仿真机械的具体结构和场景。目前，利用虚拟现实技术设计系统存在建模工作量大、仿真成本较高、现实与现实差距大等问题。通用技术仍与西方国家相去甚远。

更具体地说，从产品技术的角度来看，目前安装的显示设备操作体验较差，包括显示视野狭窄、VR眼镜体积大、重量重、受训者可移动性低、一系列设备的硬件限制，导致交互体验不足等缺陷。在教学应用层面，最大的挑战是教学方法没有根本改变，大多数培训系统仍然在虚拟环境中使用传统的教学方法，没有体现虚拟现实技术在教学中的优势。在虚拟现实中传递过多种信息的创新方法使受训者无法专注于培训内容。与培训过程相关的检测数据尚未使用成熟的辅助技术进行有效评估，受训者对虚拟现实训练系统使用的影响也无法量化。根据相关研究结果，提出以下四点建议，以期为虚拟现实技术在机械教育领域的应用提供参考。

4.1 加强训练系统的教学指导

为了克服传统教学模式中教师的精力和实验设备有限的问题，每个受训者必须能够有效参与。首先，虚拟现实技术设备和技术必须进一步提高各自技术的成熟度，提高设备和受训人员的适应性，通过增强现实、混合现实等技术工具，创造更实用、更智能的虚拟现实学习环境，降低技术使用难度，提供更好的设备使用体验。同时，在大多数文献中，关于虚拟现实在训练中的有效使用的教学研究较少。提供有效的虚拟技术使用方式，提高培训的有效性，确保用户安全，并在虚拟培训前注意教学指导，可以解决虚拟训练系统上手困难，确保有效使用多种教学指导方法可以使虚拟训练方案与真实场景之间的协作更加有效。

4.2 强化VR技术在教学策略中的应用

使用虚拟现实技术设计训练系统的技术应该服务于教育和教学整个过程。针对以上问题，系统设计者应首先考虑虚拟现实技术在特定学习情境下可以教授什么内容以及如何教授，即明确学习目标，制定最有效的学习策略，创建详细、完整、可行的课程，使课程与受训者的认知过程更好地协调；根据实际教学进行长期的训练效果测试、监控和评估，获取数据规律，并根据评估结果改进模型场景和所有基于虚拟现实的教学设计环节。

4.3 制定完善VR教学的评价体系

目前关于机械专业的虚拟训练文献中，教学培训的数据收集方法以量化数据为主，对于虚拟训练系统的训练效果的评价仍然以传统评价方式为主，通过问卷、理论考核或训练记录进行衡量，并通过量化数据处理方式进行分析。然而问卷、考核和训练记录等工具，其研究结果只提出达到显著提高训练效果，但改善的程度和可靠性无法评估。因此，研究中可以开发关于技术数据的辅助收集与评价功能，便于教学者评估受训者培训效果，并通过多元化的数据收集和分析、规范的量化数据汇报方式等措施来提高研究结果的可靠性，更好地指导VR技术在机械专业培训中的推广和应用。