虚拟现实教学资源开发建设研究

2022-09-23穆会群

科技创新导报 2022年13期

穆会群

（新疆石河子职业技术学院机械电气工程分院新疆石河子 832000）

1 研究背景

“中国制造2025”提出了我国迈向制造强国的发展战略，应对新一轮科技革命和产业变革，立足我国转变经济发展方式的实际需要，围绕创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展、人才为本等关键环节，以及先进制造、高端装备等重点领域，提出了加快制造业转型升级、提质增效的重大战略任务和重大政策举措。在新的形势下，作为向社会推送高素质技术技能型创新人才主要窗口的职业院校，教学模式的变革及教学资源与内容的升级显得至关重要。

政府工作报告中提出了“大众创业，万众创新”的号召。“工业革命，教育先行［1］。”学校作为人才培养的重要载体，自然应站在创新、创业时代发展的风口浪尖上，提前布局，做好创新、创业人才培养的准备。当然，在当前新形势下，要快速推动创新创业专业人才的培养，单纯依靠学校的力量和国家为数不多的职业教育经费，已经显得较为薄弱。因此，必须采取校企联合、合作共建的模式，将企业的成熟应用经验、研发经验与学校教学模式相结合，共同推进新形势下的创新、创业教育与人才培养。但目前市场行情和传统教育仍旧存在以下问题。

（1）教学资源陈旧，更新缓慢，教学模式单一。目前，职业院校教学资源库建设学科不全面、内容重复、形式单一、欠科学性，职业院校的教师普遍缺乏开发包括网络课程、虚拟仿真实训单元、生产流程模拟软件的能力。由此导致的结果是资源库内容陈旧、形式呆板、更新缓慢，无法适应技术技能型人才培养的需要，有效利用率不高。教学模式单一，创新不足，学生参与教学内容的积极性差。

（2）创业教育重理论轻实践倾向性明显，缺乏配套的创业支持体系。对于初入社会的学生来说，创业无疑存在着较大的风险，因为他们大多时间都在学校，不仅没有创业资金的支持，也没有在社会中获取的实践经验。现在，部分学校已经制定了自主创业政策，学校会在学生创业过程中给予创业人员部分创业资金，但仅有这些显然是不够的，行之有效的产教结合形式的创业支持体系必不可少。

（3）市场需求旺，应用行业广，内容制作困难，技术门槛高，开发周期长。目前，市场上各大主流高新企业都在拓展VR内容模块，包括新浪、腾讯、乐视等，全球知名社交门户网站Facebook 投资2.5 亿美金重金扶持VR 内容开发者，但由于虚拟现实内容开发门槛比较高、专业性很强，各类院校开发虚拟仿真软件投入教育使用或者开展虚拟仿真实训中心会存在比较多的问题，如资金不够、人员技术能力不够等。为了解决以上问题，课题组提出，能不能让院校教师轻松掌握虚拟仿真开发技术，在零编程基础前提下使用虚拟现实开发平台，完成VR项目的自主开发，把院校以前“一次性购买的工程”（购买成品软件）变成“可自我造血自我供给”（自主开发、自主销售）的循环性工程。这便是课题组研究的目标：虚拟现实教学资源开发中心建设。

2 研究价值及重要性

对比国内十大重点虚拟现实研究机构的产品，可以看出，各公司开发的教学资源不能给用户带来二次开发，对于各院校不同的实训设备，开发的教学资源没有通用性；开发人员必须是软件工程人员，大众人员很难用编程语言实现教学资源的二次改造；开发的教学资源是在一定的运行环境中运行，需要大量的编译工作和编译时间；各公司的产品一旦到达用户手中，用户就成了教学资源开发公司的“奴隶”，不能自主维护软件的运行；用户还需投入大量的成本购买所需要的每一款虚拟教学资源。这些问题的存在，给虚拟实训教学资源的应用带来了极大的障碍。

虚拟现实仿真教学资源研究的是一款针对虚拟现实教学资源开发的应用平台，其不仅大幅降低了程序编译难度，而且还可快速提高软件开发效率，并且实现终端用户无须程序编译直接修改软件等功能，让全行业任何人都能够轻松、快速、低成本地开发自己的虚拟现实教学资源，真正地打开了虚拟现实教学资源人人开发的新局面。虚拟实验可以比被动教学法（如讲座、课文、视频等）更有效，但相对于动手实操表现出同等或更大的有效性。虚拟实验室与传统方法结合使用时，表现出更好的效果。在虚拟化学实验室中使用的教学设计要素，例如，基于探究的学习、情态、教学支架等可以作为一种有效的辅助工具或温和的替代真实的动手实验，但未来的研究应更多地强调使用沉浸式VR技术，研究基于技能的学习结果，并考虑虚拟仿真的教学设计［2］。

虚拟现实教学资源研究的平台作为目前全球已知的不用“编程”的虚拟现实教学资源开发平台，不仅在教育领域有着广阔的应用前景，也将在化工、机械、电子电工、食品加工、智能制造、工业机器人、土木建筑、电力、航空、物流、汽车等众多领域开发应用。虚拟现实教学资源开发会让中小企业和职业院校快速组建自己的虚拟现实研发中心和研发队伍成为了可能。虚拟现实技术具有“沉浸感”“交互性”“想象性”的特点，它利用计算机技术生成逼真的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互，从而产生亲临真实环境的感受和体验，模糊现实与虚拟的边界。尽管虚拟现实技术在生活各方面得到了广泛实践，但在教育领域的应用仍是浅尝辄止。事实上，虚拟现实技术与学习的联结绝不仅仅停留在技术体验上，它将对学习产生本质性的影响。虚拟现实技术可以通过创建虚拟现实学习空间，丰富知识呈现方式，革新教育教学方法，打破客观环境束缚，通过它还原真实学习情境［3］。

因此，虚拟现实教学资源开发中心的建设将解决大众化虚拟实训教学资源开发的目标，使得虚拟实训教学资源的开发达到：零门槛、极速开发、开放性、易维护、轻松读懂、轻松协同。虚拟车间模块开拓了学生的思维，辅助学习模块提前让学生感受工厂的氛围，为学生今后步入社会工作做好衔接［4］。

3 研究目标

基于产教结合模式，院校、企业、运营公司共建新型虚拟现实教学资源研发中心，服务教学资源转型升级，助力创业教育实践及创业项目落地。

3.1 平台研制

依托国内十大重点虚拟现实研究机构之一的浙江大学的科研和技术力量，研制虚拟现实教学资源开发平台。平台方负责虚拟现实软件平台开发，为教学资源研发中心提供基于大众使用的Excel 表式虚拟仿真软件开发平台，并提供日常使用的技术支持。

3.2 自主研发

依托教学联合研发中心，以产教结合、校企合作为基础，实现教学资源的自我开发和升级，打造适合院校自身教学特色并紧跟时代发展步伐的新型开发模式。

3.3 对外业务

虚拟仿真实验教学示范中心的建设可与合作企业签订虚拟实验教学资源共享协议，虚拟仿真实验教学资源可支持生物技术高新企业新员工培训课程，为员工技能培训和应急处理实训提供可行性服务。反之，通过员工使用和反馈意见，也可进一步完善和改进虚拟仿真实验教学资源开发，实现资源的可持续发展。通过与相关企业合作，架起校企联合、产学研结合的桥梁，构建教学、研发相结合的人才培养创新模式，为国家培养高质量的生物技术相关领域的复合应用型专门人才［5］。以教学资源研发中心为基地，承接社会化培训、创客空间，咨询、服务外包等对外业务，在吸引横向资金的同时，还可助力贫困奖学金和院校专业建设及教师科研经费的支持等，摆脱虚拟产品的一次性建设、完全依靠财政资金的困局，实现自身的不断发展，在承接的实际开发项目中，锻炼师资队伍、锻炼学生的创新创业意识，增加院校方的科研能力和实力，并将教学研发实训成果转化落地。

3.4 师资队伍

依托国际先进的虚拟现实教学资源开发平台，以项目化实训为内容，打造新型职业教育教学模式下的师资队伍。培养教师自主开发教学资源的能力，培养教师在产教结合模式下开发新型教学资源及创新和创业教育能力的水平，同时，可提升学校知名度和开拓教师的教学思路，调动教师参与产教结合的积极性和主动性。依托于学校的网络学院，开展线上理论教学，讲解虚拟现实技术的原理、各项功能、操作要点，并通过案例讨论、实践操作等活动，说明其在实训教学中的应用方式［6］。

3.5 学分置换

在专业教学中，开设《虚拟仿真软件快速开发》等选修课程，学生可通过在教学资源开发中心承担和完成的开发项目，拿到一定的学分。通过课程学分置换的形式，将学校自身教学资源的开发委托教学资源开发中心的学生和教师完成，实现以实际项目案例锻炼学生的创新创业能力及科研开发能力，也可以满足学校自身虚拟教学资源的不断更新升级。

3.6 合作机制

虚拟现实仿真教学资源研究采取“三位一体”合作共建模式，即院校、平台、企业“三位一体”合作开发［7］。院校方提供课题研究所需的硬件和场地保障；平台方实施虚拟现实教学资源开发平台（引擎）的研制，目标是大众化的Excel表式虚拟仿真软件开发平台；企业方及北京博努力仿真有限公司提供实证条件及借自身的市场渠道推广研究成果。由此，“三位一体”合作共建模式最大限度地保障了虚拟现实教学资源开发中心能够在院校、技术和市场结合的条件下发挥最大的教学资源开发优势。

4 研究内容、思路与方法

虚拟现实仿真教学资源研究依托仿真教学软件，开发平台，建成虚拟现实教学资源开发中心，平台调试、实证，以此通过院校及企业之间的合作进行技术推广，形成“三位一体”的合作共建模式，即院校、平台、企业“三位一体”合作开发。学校提供研究所需的硬件和场地保障；软件公司实施虚拟现实教学资源开发平台的研制，目标是大众化的Excel表式虚拟仿真软件开发平台；院校所在的企业或实体公司提供实证条件，并借助职业技能大赛进行市场渠道推广研究成果。由此，“三位一体”合作共建模式最大限度地保障了虚拟现实教学资源开发中心能够在院校、技术和市场结合的条件下发挥最大的教学资源开发优势。

5 研究重点、难点及创新之处

虚拟现实仿真教学资源研究的重点是虚拟现实教学资源平台的开发及建成虚拟现实教学资源开发中心；难点是研究团队合作研制和调试出大众化的Excel表式虚拟仿真软件开发平台。对比国内十大重点虚拟现实研究机构的研究成果，研究拟解决的关键问题是大众化的Excel表式虚拟仿真软件开发平台，此平台是处于国内领先水平。

虚拟现实教学资源研究开发技术大幅降低了开发门槛，可让职业院校的师生轻松地进入教学资源的研发领域，开启了各行各业人人都能开发虚拟现实软件的局面。

打破传统代码级软件开发模式，实现了使用Excel表编辑进行软件开发的可视化编译新模式，让虚拟现实教学资源开发像Office 文档编辑一样成为一种日常的技能和工具，让每一个使用者都能成为开发者，彻底释放市场空间。

6 研究的实践及推广价值

虚拟现实教学资源研究开发的成果将带来职业院校教学资源的变革，也将引领职业教育发展的新模式，也会带来社会效益和经济效益。

6.1 社会效益

6.1.1 技术创新及其示范效应

虚拟现实教学资源研究开发实现从理论、技术到应用的全面创新，研究开发的教学资源将丰富和发展教学资源的进化理论，为未来教学资源的开发指明方向。一段时间以来，本课题已经实现的技术创新有两类：一是虚拟样机技术，如基于有限状态机（330MW、660MW、垃圾焚发电）的功能调度模型和运行维护序列模型、虚拟仿真技术等；二是交互体验技术，其目标是使用户有更便捷、愉快的操作感受，如项目操作导引、隐匿式菜单、按键瞬时放大、画中画同步操作与观察等。随着课题的研究深入，还将在其他方面（如岗位角色扮演等）取得更多的创新成果。课题研究完成后，预期达到国内先进水平，力争整体或部分核心技术达到国际先进水平。作为教学资源的换代产品，课题成果以其超前的开发理念、创新的核心技术、卓越的应用效果引领职业教育产教资源的开发方向，不仅为热能动力工程类专业，也为其他专业教学资源的升级换代起到了很好的示范效应。

6.1.2 开创职业教育技术发展新局面

（1）有效地解决了长期困扰教学资源发展的两个难题：一是趣味性。以逼真的虚拟工作场景和岗位角色，赋予教学资源无可比拟的趣味性、沉浸感和真实感，使学生“学得进”。虚拟现实技术作为一种将交互性、构思性、沉浸性融为一体的技术集成，可以生成一种模拟环境，通过增加VR 虚拟教学情景，让学生沉浸在虚拟情景中，有效解决以往教学出现的可视性不强、空间感不够等问题，并在虚拟情景中提高学生自主探索学习能力，并为培养应用型创新型人才奠定一定的基础。二是一体化。即全生产过程一体化，教、练、考等多种教学功能一体化，各类资源形式一体化，知识学习、技能训练、素质养成一体化，使教师“教得好”。在这个变化的时代下，解决问题办法指向虚拟现实技术，这是一种将构想性、交互性与沉浸性融为一体的科学技术，可以生成一种教学模拟环境，学习者可利用各类传感设备进入虚拟的课程教学环境中，实现学习者与模拟教学环境的主动交互［8］。

（2）凭借领先和独特的虚拟仿真开发技术，以岗位角色扮演的方式，模拟真实企业的全生产过程，使院校项目从传统单一的“购买”进化为以“自主研发、自主生产”为中心的“自我升级造血”，彻底激发院校师生“大众创业，万众创新”的激情，助推职业教育走向“授之以鱼到授之以渔”自我升华的境界。系统资源动态配置和资源交互的研究，针对无编程经验的教学人员，需要对系统教学资源和行业标准进行不定期的更新，研究一种高效、易操作和无需编程的资源配置方法，考虑移动终端和PC终端的不同的资源呈现方式，研究不同终端的文本、模型、图像和视频等教学资源的动态配置方式和源交互方式［9］。

6.2 经济效益

6.2.1 直接经济效益

虚拟现实教学资源研究与开发实行滚动开发模式，即边开发，边实证，边推广。研究中，可通过职业院校学生“1+X”取证及电力行业运行维护仿真技能比赛［10］，在教育行业、制造企业、机械加工业等行业产生直接收益。教学的认知方法通过学习的主体和客体之间的相互作用而产生学习。创建这种交互的策略之一与虚拟和增强现实在教学过程中的应用有关。在工程课程的教学过程中，使用虚拟现实（VR）对学生学习和学生满意度产生了积极影响，使用虚拟现实的学生学到了更多的知识，学生对新方法的满意度高于传统的教学方法。

6.2.2 间接经济效益

通过职业院校的推广应用，可弥补实物实训装备在实训中的缺陷，形成“虚实结合”的实训新模式，大幅度降低实训成本和风险，提升规模、效率、效果，可为院校节省大量实训开支，创造良好的间接经济效益。