虚拟现实技术在建筑设施设备管理实践教学中的应用

崔玉美　陈斌　张志刚

关键词：虚拟现实技术；实践教学；建筑设施设备管理

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）03-0110-02

继1989年虚拟现实（ Virtual Reality，VR）的概念在美国VPL公司诞生之后，掀起了相关研究的热潮。随着传感器技术、计算机技术及仿真技术的飞速发展，虚拟现实技术以其沉浸性、构想性、交互性等特征，让使用者如同身临其境一般，可以获得非常好的体验效果，在各行各业中得以广泛应用。

高职实践性教学是培养学生职业岗位技能的重要手段，但是很多实践项目由于受场地或者设备的限制无法很好地完成，因此应用虚拟现实技术可以根据需要构建任何实训场景，不需要购买太多昂贵又占用场地的实训设备，突破传统实训教学在时空、设备、成本和内容等方面的限制[1]，为学生提供一个全新的虚拟空间，让学生带上眼罩或头套、手套等外围设备，通过视、听、触觉等感官，沉浸在虚拟的现实中解决问题，增强了学生课堂的参与度，极大地提高实践教学的质量。

1 传统实践教学局限性

职业教育不同于普通高等教育，更加注重培养学生实践动手能力和解决现场实际问题的能力。虽然职业院校为了提高学生技术技能与行业企业岗位对接的契合度，在很多专业实训基地建设上有大量的投入，在不断地增加或更新实训设施设备，但是传统实践教学环节仍存在着很多的局限性。

1.1 危险实训场景无法呈现

在实践教学中，某些实训操作的场景相对很危险[2]，比如：高压电工作业、建筑高空测量、登高施工、危险化学品试验等，如果要求学生到现场真刀真枪地进行实训操作，学生的人身安全很难得到保证，在“安全第一”的原则下，授课教师不愿意也不会去冒这个险，因此这类的实训教学往往就不开设了，或者也就只能停留在观看视频、动画、查资料写报告等形式上，导致教学达不到预期的效果。

1.2 实训内容难以整体展示

在有些实践教学中，无法呈现设备或系统整体运行效果，比如：建筑暖通空调系统、给排水系统、人体循环系统等的真实情况，教师只能通过模型讲解或者靠学生想象，来抽象地进行理解，严重地影响了学生学习兴趣和学习效果。

1.3 无法实现经常性的反复训练

由于受场地、空间、设备等因素的限制，实训设备数量、工位数往往满足不了学生的需求。比如，在空调、机泵等设备拆装实训、设备故障点排查等实训的过程中，往往不可能保证每名学生人手一台设备，人人动手操作，只能进行分组操作或者教师进行演示而学生观看学习。还有的实训，在操作过程中会导致设备损耗严重、后期更新维护困难等问题，不利于学生反复训练，甚至无法开展训练，这都在一定程度上影响了实践教学的效果。

2 虚拟现实技术及其优越性

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是一门富有挑战性的前沿学科和研究领域。它是综合利用计算机图形学、传感器技术、光电成像技术、计算机仿真、人工智能等多种技术，创建的一个逼真的，具有视、听、触等多种感知的计算机仿真系统。学习者可以借助设备沉浸于虚拟环境之中，与虚拟环境中的实体进行交互，产生等同于真实物理环境的体验、认知和感受。

将虚拟现实技术应用到实践教学中，让学习者亲身去经历、去感受、主动去交互，一定会比空洞抽象的说教更具说服力，比被动地灌输更容易被接受。

因此利用虚拟现实技术具有传统实践教学无法比拟的优越性，主要在于以下几点。

2.1 突破硬件要求限制，规避实训风险

利用虚拟现实技术，克服了教学场地的局限性，学习者可以打破空间、时间的限制，即可以通过虚拟实训环境，通过听觉、视觉、触觉等逼真的感官体验，如同身临其境一般完成各种实验，并可以放心地去做各种危险的实验，学生和教师也不用提心吊胆，比如高压测量、高空作业、某些化学实验，或者是真实环境下不可能做的实验，比如体验历史事件，或者体验黑洞，并获得与真实的工作环境一样的效果，既保证了学习成效和教学效果，同时也规避了实验实训的风险。

2.2 节约成本，反复练习

虚拟现实的沉浸性和交互性，可以使学生在虚拟的环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习中去，这非常有利于学生的技能训练。比如汽车维修、电气设备拆装、中央空调的清洗等各种职业技能的训练，由于虚拟的训练系统无任何危险，又节约耗材，学生可以反复练习，直至熟练掌握操作技能为止。

2.3 实训项目丰富，更新便捷

虚拟实训项目可以通过纯仿真模拟、虚实一体化联动等各种方式开展，根据教学和实训内容的多样化增加虚拟实训硬件及软件，教学内容也可以根据岗位的需求不断更新完善，使实践训练及时跟上行业企业技术的飞速发展。

2.4 生动逼真的学习环境，有利于理解抽象事物

研究数据表明，人们对亲身经历或者模拟操作的事情可以记住80%以上，虚拟设备将有机会帮助学习者大幅提升学习的效果。在传统教学中，知识的传授一般是依靠简单的文字和图片等形式来进行，这些用于讲授看得见、摸得着的事物是容易被理解和接受的。但是对于一些比如宏观的或者微观的现象，历史的或者将来的事件，就很难解释得通俗易懂了。相對于传统教学中知识的扁平性，虚拟现实技术可以打破人类在时间与空间上的认知障碍，为学习者提供生动、逼真的学习环境，如构建人体系统、外太空旅行、分子结构等，将知识信息呈现得更为直观、立体、丰富，可以在广泛的科学领域中为学习者提供无限的虚拟体验，从而加速和巩固他们学习知识的过程，有效帮助其加深学习印象，深刻理解抽象事物。

2.5 提高学生参与度，激发学生的学习兴趣虚

拟现实技术为情景学习带来了前所未有的技术方面的支持，解决了传统教学脱离真实场景的问题，通过设置与真实情境类似的场景，挑战传统教学场地所带来的局限性，学生不出教室就可以进入逼真的教学情境，通过交互认识世界，使沉浸式教学课堂变得更加生动有趣，获取成就感、愉悦感，更重要的是这种学习体验会激发学生的创造力和想象力，从而调动学生主动学习，激发学生学习的内生动力，增加学习体验与参与度。

3 基于虚拟现实技术的《建筑设施设备管理》课程实践教学

《建筑设施设备管理》是一门理论性与实践性都很强的专业核心课程，对于职业教育的学生来说有一定的难度，又比较枯燥。虚拟现实技术在课程实践教学环节中的应用暂不能完全取代传统教学，但通过沉浸式的体验与企业实景参观相结合，势必可以改革和优化教学形态和教学内容，突破原有教学瓶颈[3]，有效地辅助和改善教学，提升课程应用技能的学习效果，激发学生学习兴趣，更好地适应和服务新时代的需要。

3.1 构建虚拟实训室

通过虚拟现实技术构建多维度仿真实训室，创建一个逼真的虚拟环境，通过对建筑内部的暖通空调系统、给排水系统、消防系统等运行过程的真实模拟，向学生展示整个系统的结构、逻辑关系、运行维护等情况，甚至可以模拟运行故障，让学生去发现并学会解决问题，反复地观察、操作，进行学习和探索，能够辅助教师课堂教学，极大地提高学生的学习效率。

我院上海市智慧城市与物业管理公共实訓基地的虚拟仿真实训室可以完成以下功能，同时该仿真系统也在根据企业岗位的需求不断地更新过程中。

1） 虚拟漫游巡检：构建了基于建筑真实场景的虚拟仿真空间，学习者只需要戴上专用的VR眼镜，就可以以第一人称视角体验建筑设施设备整体结构环境，在虚拟空间里漫游观看，了解各个系统运行情况，漫游巡检，酷似游戏一样给人一种真实的感受，实现了可视化运维。

2） 设备虚拟拆装、维保：设备内部结构构成透视化，可以逐层可视化拆解和装配，让学生能够很方便地根据设备构成原理图、材料清单了解设备，在拆解和装配的过程中，还可以点选相关部件显示历次维修记录、显示维保信息等，学生可以反复多次地进行感知度极高且具有安全性保障的模拟操作训练。

3） 可视化设备管理台账[4]：在虚拟场景的导航面板上，系统会全局显示在建筑场景内，根据规范要求需要保养维护的设备列表，在虚拟场景漫游过程中，系统会提示附近的设备是否需要进行维护保养。

4） 智能检索技术规范：虚拟场景支持智能式检索相关技术手册，通过逐层拆卸实现维护设备零部件与相关管理知识相对应，可以随时查询相应的维护操作规范，方便学习者对设备维护维修的问题进行学习研究和掌握。

5） 学习考核：系统可以根据需要在学生终端进行安装，其中设置了各种实训项目练习题目，让学生在“通关游戏”中，完成知识的学习，帮助学生在“观”“巡”“悟”的过程中掌握设施设备的使用、监控、维护的基本知识，将理论知识与实践有机地结合在一起，有效地提升教学质量。

3.2 丰富课程教学资源建设，改进教学模式

虚拟仿真实训的应用，可以促进授课教师认识并应用新兴技术，更新教学理念，不断改进教学方法和手段。借助虚拟现实仿真实训平台，通过设置一些交互式虚拟工作场景、设备维护保养场景、视频介绍等，充分展示设备组成、系统构造、工作流程等内容，进行有效的教学资源开发制作，可以在很大程度上解决教学设备不全或者短缺的问题。与企业共同开发基于企业实际案例的教学实训项目，不断优化典型实训项目，依托MOOC、智慧职教、学银在线等信息交互技术平台，共享优质的教学资源，使企业内训资源与学校教学资源紧密结合，构建翻转课堂、线上线下相结合的个性化教学模式，多平台、多媒介、多渠道地加强学习交流和讨论互动，学习者跨越了时间和空间界限，以丰富多样化的教学理念和教学方式，将专业岗位知识融会贯通，虚实结合提升实践教学效果，探索符合人才培养规律的信息化教学新体系[5]。

3.3 德技并修，全过程育人

课程是载体，教师是教学任务的承担者，不仅是授业解惑，更重要的是要懂得如何育人。习近平在全国高校思想政治工作会议上指出，“要运用新媒体新技术使工作活起来，推动思想政治工作传统优势同信息技术高度融合，增强时代感和吸引力”。利用虚拟仿真平台融入课程思政元素，可以在平台中设置可爱的虚拟人物形象，以风趣幽默的语言与进行沟通交流，拉近课程与学生的距离，培养学生的爱国主义精神和高尚的职业道德，传播弘扬中华优秀传统文化和工匠精神，引导学生树立正确的价值观，实现学校课程思政影响力，从线下到的线上有效延伸。

4 结束语

基于虚拟现实技术构建的仿真实训平台，在更大程度上满足了学生对专业课程实践学习的需求，为建筑设施设备管理课程教学带来了全新的体验，为教师教学提供可重复、学生学习可反复、师生可充分互动的实训情景，有助于提高学习热情，激发创新意识，实现人才培养手段的现代化与高效化。虽然虚拟现实技术融入教育教学中，对课堂教学和学习模式都是大有裨益，但值得注意的是，技术在某些方面还是需要进一步完善和优化的，比如画面的分辨率和清晰度有待提高，眼镜等终端可穿戴设备戴久了就产生眩晕等不良反应，都会影响学习者的使用体验。因此，教师应该把握合适的教学方式方法，将新的技术和设备适度合理使用，以期达到最佳学习效果。