基于任务驱动的高职专业课程VR课件设计与开发

向怀坤 周丽丽 陈锐浩 蔡铁峰

（深圳职业技术学院 广东省深圳市 518055）

随着VR 技术的快速发展及其向教育领域的不断渗透，VR 课件的设计与开发成为当前VR 教学工作面临的紧迫任务之一。陈锐浩等人提出“应用导向，四方协同”VR 教育资源开发实施模式，从宏观上给出了一种VR 教学资源开发指导原则和工作思路。俞尤嘉等人针对命案现场勘验，从工作过程的角度探讨了虚拟仿真教学项目的设计与开发方法。曹凤仪等人结合高分子材料与工程专业的特点，提出专业课程设计的虚拟仿真教学构想。总体而言，目前针对VR 教学模式的探讨较多，但对于VR 课件开发模式的研究较少，有关VR 教学资源设计与开发的文献中，大多偏重于宏观层面的分析论述，缺乏微观层面的行动方案和操作方法及实用成果。本文以高职交通控制技术课程为例，探讨了任务驱动下的高职专业课程VR 课件设计与开发模式，希望对同类课程VR 课件的设计开发起到抛砖引玉的作用。

1 任务驱动高职VR课件设计

高职交通控制技术课程是高职智能交通技术专业的一门必修课程，也是一门理论与实践紧密结合的专业核心课程。该课程涉及较多的设备与工程等内容，很难在实训室及施工现场开展相应的教学活动，借助VR 技术设计开发相应的教学课件成为该课程的最佳选择之一。

1.1 设计目标

为满足高职交通运输类专业对交通控制技术及设备的认知、操作和工程实施等核心知识和技能的教学要求，利用先进的VR 教学技术手段，搭建一个城市道路平面交叉口场景，将交通信号灯控制所涉及的设备操作和工程实施过程进行情景再现，依托教学、操作和考核三大任务驱动引擎，构建开放、安全、可重复使用的虚拟场景，突破该部分教学内容受传统的时、空限制，无法有效开展项目教学的瓶颈问题，从而有效地提升专业课程的教学水平。

1.2 任务分解

高职交通控制技术专业课程的核心任务主要包括教学任务、实训任务和考核任务，各项任务又由相应的子任务与具体实施内容构成，按照层次结构分解如图1所示。

图1：高职交通控制技术专业课程实施任务结构图

（1）教学任务：该任务要求提供完整的城市道路交叉口交通信号灯控制三维虚拟仿真场景的展示，以及其中所涉及的信号灯、信号机、信号机机柜、灯杆、信号灯安装、信号机机柜安装、信号机安装、管线敷设等设备及工程实施环节的认知、知识点与关键技术原理的学习过程。

（2）实训任务：该任务提供面向信号灯、信号机、信号机机柜、灯杆、信号灯安装、信号机机柜安装、信号机安装、管线敷设等设备及工程实施环节的三维虚拟仿真实训项目，每个项目采用先进的沉浸式、进阶式、智能式人机交互操作模式，每个项目通过设置操作指引、故障、诊断、排故、安全环节，激发学生的学习积极性和创造性。

（3）考核任务：针对城市道路交叉口交通信号控制信号灯、信号机、信号机机柜、灯杆、信号灯安装、信号机机柜安装、信号机安装、管线敷设等设备操作及工程实施活动，设计开发专门的实训考核项目，包括单项考核和综合考核两大类，提供考核标准、指引、解析等内容。

1.3 VR课件设计

（1）基本功能：在三维交互的虚拟仿真场景下，涉及城市道路交叉口模型、交通信号控制设备及工程实施过程再现等内容，实现PC 端人机交互操作和VR 体验，包括漫游、绽放、组装、测试、订正、评价、VR 等。

（2）学习功能：针对所展示的场景、设备及工程，提供相应的标准、规范、知识点、技能、安全、案例等学习内容。

（3）评价功能：提供针对设备、工程等项目操作过程、操作结果等环节的主客观评价，包括教师评价、学生自评互评、系统自动评价模式，用于指导教学活动。

（4）考核功能：针对所涉及的道路交通控制工程技术虚拟仿真内容，提供专门用于知识点、技能点的主客观考核项目，并提供评分标准和完备的计分、分析功能，用于指导教学活动。

（5）交互接口：①信号灯结构参数、信号灯珠数量、信号灯亮度、信号灯杆结构参数、信号机机柜结构参数、灯杆基础土方量、混凝土配比参数、设备颜色等都可以人机交互式修改，且修改结果可保存与实时可见；②信号机控制的周期、绿信比、相位等参数可以修改并保存，且红黄绿灯实时显示修改的结果。

2 任务驱动高职VR课件开发

2.1 平台需求

（1）人机交互设备：PC 机、VR 头盔。

（2）输出设备：PC 机、投影环幕（投影机、金属环幕、边缘融合器、音响）。

2.2 开发指标

（1）运行环境：满足目前高校主流PC 机以及VR 设备的性能要求。

（2）界面设计：符合目前国内三维虚拟仿真教育多媒体产品主流界面设计风格。

（3）运行效率：满足教师端与学生端登录管理、操作管理，画面的帧数不得低于90，启动后软件运行无卡顿现象。

2.3 实现方式

提供两种模式进行学习和实训：其一是基于PC 端仿真模式，即打开虚拟仿真软件进行学习、操作和参考考核；其二是基于VR 端仿真模式，即通过戴上VR 头盔进行学习、操作与考核。

无论是选择PC 端，还是VR 端模式学习，软件的开发内容是一样的。下面描述软件实现的主要内容及开发基本思路如下：

（1）登录进入道路交通控制工程技术虚拟仿真平台。

（2）软件界面上显示 “学习模式”、“实训模式”、“考核模式”三个选项。同时，软件界面上有背景轻音乐，以及城市道路交通控制动态变幻场景。

（3）通过点选，进入相应的功能界面。

2.4 开发成果

基于任务驱动的高职交通控制技术专业课程VR 课件开发成果由三大模块构成，分别为教学模式模块、实训模式模块和考核模式模块，如图2所示。在教学模式模块中，包括城市路口认知、交通控制设备认知与操作、工程施工与验收三大子任务，如图3所示。

图2：任务驱动VR 总界面

图3：教学任务VR 操作界面

在实训模式任务模块中，设计开发了“交通信号灯灯珠安装与拆解”、“信号灯灯盘固定与拆解”、“电源线与信号线连接与拆解”、“信号机在机柜内的安装与拆解”、“信号机面板操作”、“信号机电源防雷器安装与拆解”、“信号灯倒L 杆支臂与立杆接头法兰盘固定与拆解”七个实训任务。课件开发后的运行界面如图4、图5所示。

图4：VR 认知与操作界面

图5：信号机面板VR 操作界面

在考核模式任务模块中，设计开发了“交通控制路口模型认知考核”、“交通信号灯知识点考核”、“交通信号机知识点考核”、“交通信号灯杆知识点考核”四部分考核任务，涵盖了前面教学与实训任务中的主要知识点与技能点，内容设计与前面的任务安排密切呼应，达到巩固与深化理解相关知识和技能的教学目的。开发成果运行结果如图6、图7所示。

图6：VR 考核操作界面

图7：交通控制设备VR 考核界面

3 VR课件测试与分析

为考察课件设计开发质量，选取了部分学生和教师对VR 课件进行了集中测试。测试方式分为PC 端使用与VR教室使用两种。经过近3 周的测试后，以本校全部参与测试的学生及对此感兴趣的学生进行了问卷调查。调查方法采用线下纸质问卷和问卷星线上调查两种，调查内容围绕VR 教学价值，涉及对VR 设备和VR 教学的认知、与传统教学模式对比、学生的观点、VR 教学现存在的问题、提升VR 教学的方法以及对VR 教学未来的展望等几个方面，如图8所示。经过收集整理，得到有效问卷199 份，下面对主要调查结果进行分析。

图8：VR 课件测试问卷内容拓扑图

3.1 对VR设备的认知

VR 设备是实施VR 教学的基础条件。在关于对课程VR教学设备的认知程度方面，统计结果表明（如表1所示），19.6%的学生不了解，56.3%的学生稍微了解，20.6%的学生一般了解，只有3.5%的学生非常了解。这表明75.9%的同学对VR 课件教学认知度较低，在开展课程VR 教学活动时，需要关注VR 设备操作方面的使用训练。

表1：对课程VR 教学设备的认知情况

3.2 传统教学与VR教学对比

表2从四个方面对传统教学与VR 课件教学进行了对比。结果表明，80.4%的受调查者认为，传统教学模式的优点主要是偏向于简单直观、易于消化和学习新知识，48.2%被调查者认为传统的教学模式容易激发自己的创意灵感和不断探索的精神。在传统教学模式缺点的调查中，92%被调查者觉得传统教学模式板块难以激发他们的创意以及觉得传统的教学模式会偏向单调死板。

在对VR 教学模式的优缺点进行调查时，表2统计结果表明，54.3%同学认为VR 教学模式的优势在于人机交互使互动性增强，68.8%同学认为沉浸式场景能让课堂更加丰富生动，66.8%同学认为亲临现场感能够实现在虚拟情况下给学生提供“实操”机会以及能够100%还原三维立体形象，提供更直观的教学内容，仅有11.6%学生选择了VR 教学模式还有其他方面的优势和认为自己没有办法进行比较。另外，60.3%学生反映VR 技术不稳定，57.8%学生反映VR 硬件设备容易发生异常，66.3%学生反映VR 设备少、对VR 设备操作不熟。

表2：传统教学与VR 教学对比分析

4 结语

高职专业课程实施VR 教学可以弥补传统课堂教学的诸多不足，特别是一些难以在课堂中体验的场景和操作类教学活动。目前国内针对VR 教学模式的探讨较多，但是对VR课件的设计与开发模式探讨较少。本文提出基于任务驱动的高职专业课程VR 课件设计与开发模式，以高职交通控制技术课程为例进行了设计与开发，为了了解开发成果的应用效果，采用线上、线下相结合的方法进行了调查分析，结果表明大部分学生很乐意接受VR 教学，并且认为VR 教学模式具备较好的发展潜力。尽管VR 发展优势明显，但是目前VR 课件设计开发仍面临较大困难，特别是设备及素材制作需要大笔投入，VR 专业人才不足等等，这些因素制约着VR 教学的大范围推广应用，有必要从整个VR 教育教学产业链进行统筹规划和研究解决。