VR技术在高职机电类专业教学中的应用*

刘媛媛，赵 楠

(山西工程职业学院,山西 太原 030009)

当前,国际形势复杂多变,我国要实现“中国智造”和“中国质造”关键在于高素质劳动者和技能型人才。高等职业教育正发挥着培养符合经济社会发展需要的创新型、复合型高素质技术技能人才的作用。随着新技术的发展和社会形势的变化,对高职机电类专业如何把握好时代的特征和学生的特质进行教学方式创新提出了更高的要求。VR技术的多感知性、存在性、交互性和自主性特征克服了传统教学方式的限制,可实现情境教学、仿真实训操作,沉浸式教学,有助于激发学生的学习动机和增强学习体验。高职院校实践教学顺应时代发展,开始将VR技术引入到教育教学过程之中。

1 职业教育信息化的现实意义

2022年5月1日起施行的《中华人民共和国职业教育法》中强调“推动职业教育信息化建设与融合应用。”高职机电类专业培养的学生除应具备机械制图、机械加工、模具设计等基本专业技能,对学生的职业素养、创业创新能力也有较高要求。但是从实际情况来看,受一些主、客观因素的影响,专业人才培养还难以满足市场需求,专业教学依然存在亟待解决的问题。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中提到“VR产业被列为数字经济重点产业”。借助VR技术的优势,将其应用于高职机电类专业实践教学具有破解现存问题、提升教学吸引力、增强知识迁移效果、激发学生的创造能力、培养高信息素养学生的现实意义。

2 VR技术的特征

2.1 VR技术的概念

VR技术,即虚拟现实(Virtual Reality)技术,是在计算机技术基础上,利用传感器技术、图像技术以及多媒体技术,通过人机接口和仿真技术发展起来的新技术[1]。通过多种技术的结合,生成一种三维立体逼真图像的模拟环境,通过传感设备,使用户能在这种具有真实性的虚拟环境之中和系统进行有效的交流和沟通。

2.2 VR技术的特点

1)多感知性:虚拟现实是一种全新的人机交互系统,能给人以身临其境的感觉,除了实现刺激用户的视觉感知以外,还可实现对触觉、听觉、嗅觉、味觉、运动等多感知刺激。

2)存在感:VR技术可实现用户作为主角在模拟环境中体验到真实的存在感。

3)交互性:表现为用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。运用VR技术可以获得数据、图标和各类抽象概念等专业知识,同时,也可以通过使用专门的输入和输出传感设备与虚拟环境中的对象进行交互。

4)自主性:表现为虚拟环境中的物体可将现实世界物理运动定律动作作为依据。

3 高职机电类实践教学中现存问题

随着高职院校机电类专业建设发展,呈现出招生人数多、生源结构复杂等特点。高职机电类专业由于就业范围广,就业率高,学生人数众多,单班人数在50人左右;生源类型有单招、高考和对口升学,学生的知识、技能、素养基础存在差异,对实践教学条件、专业教师的教学能力提出了更高的要求。在传统的高职教学模式中,教师在理论讲授基础上,以实验室为中心,通过在具有专业设施设备的实验场地或者借用实验软件进行针对性的实验训练。传统的实验教学虽然使学生的专业技能得到一定程度的提高,但也逐渐呈现出诸多问题。

3.1 实验材料损耗较高

在传统的高职实验教学中,可通过具体的实验步骤和过程在有专业设施设备的实验场地进行实验教学,但是实验材料的损耗较高,比如在模具加工实验过程中传统的实验教学需要原材料量大且成本高。

3.2 软件不能人机交互

传统的高职实验教学也可通过实验模拟软件进行,但是模拟软件只能按规则要求逐步操作,存在不能进行人机交互的缺陷,无法呈现真实的操作环境。

3.3 需求匹配度待提高

高职院校在实训教学之中尚存在企业需求与学生能力素养不匹配的现象,人才定位与职业岗位尚不能完全实现有效衔接。

3.4 条件保障度待加强

高校因教学场地以及资金等限制,难以提供真实有效、系统全面的实践条件。表现为实训设备的精度随着时间变化大,难以保障实验效果;实训设备的硬件成本高,难以达到一人一组。

3.5 信息化适应度待提升

网络技术和电子技术快速发展,实践教学的硬件设备难以做到及时更新;非直观化的实验呈现,难以激发学生的主动性和兴趣感[2]。

利用鱼骨图分析方法,把高职机电类专业教学中实验材料、模拟软件、需求匹配度、条件保障度、信息化适应度五个方面作为鱼骨图分析法的第一层骨架;然后列出第一层的相关因素作为第二层骨架,绘制鱼骨图(见图1)。综上所述,如何充分利用现代信息化技术进行系统的实践教学训练,从而达到最初设计的教学效果,已成为当前高职机电实践教学的研究热点。

图1 高职机电专业教学现存问题鱼骨分析图

4 VR技术在高职机电类实践教学的应用

高等职业教育为社会发展提供有力人才和技能支撑,高职院校的教育要通过传授专业理论知识和组织实施实验训练,为社会培养高素质技术技能职业人才。VR技术所具有的多感知性、存在感、交互性、自主性等诸多优势能有效补充传统教学模式存在的缺陷,将VR技术运用于机电类专业实践教学中,运用5G技术实现数据的实时快速传输,能更好地开展情景化教学、模拟仿真培训等,给抽象的理论教学、复杂的技能训练带来巨大变化,充分激发学生的内在学习动机。VR技术在高职机电类专业课程教学中的应用方式包括三维演示、虚拟实验、虚拟实训、仿真教学、虚拟维修。

4.1 三维演示

学生可通过5G+VR技术所呈现的机电设备、零部件的内部结构和动态,直观、深刻地了解设备,实现理解、掌握设备的动作方式及工作原理的教学效果[3]。

4.2 虚拟实验

可将5G+VR技术应用于虚拟实验软件开发,实现学生对机电设备零部件进行沉浸式拆装、对仪器仪表沉浸式操作等;应用于建设重机操作失误造成的安全事故等场景的模拟,实现节省实验室建设资金。

4.3 虚拟实训

发挥VR技术的交互性,学生可以通过虚拟实训进行机电设备的安装与调试、故障检测与诊断等实验训练,保障实训效果的同时解决实验材料损耗大的问题,降低实训硬件成本投入。

4.4 仿真教学

学生可以在5G+VR技术构建的工厂车间等职业操作情境,对未来职场的工作内容进行体验,有助于实现人才定位与职业岗位有效衔接。

4.5 虚拟维修

在高职机电类专业课程的教学中,可通过5G+VR技术真实地展现设备的维修过程,学生在模拟情境中练习对机电设备电控系统和液压系统故障查找等。

5 结语

如今,VR技术已被广泛应用于各个领域,其中比较典型的一个应用领域就是高职教育领域[4]。在高职教育中应用VR技术能有效推动网络信息技术发展,与此同时也适应职业教育改革的时代要求。随着5G的到来,VR教学与5G通信技术深度关联,远距离高速传输让虚拟现实技术更广泛、有效地应用到高职机电类专业教育之中,可模拟高危险或难以实现的实践教学场景,减少实验教学的耗材等费用投入,增加学生动手操作的机会,VR技术创造的真实感、交互性、沉浸性等场景特征,可极大提高学生的学习积极性,激发学生创造力[5]。VR技术融入高职机电类专业教育,打破了传统的实验场地和设备限制,改变了传统的教学方式,对以培养高素质技术技能人才、能工巧匠、大国工匠为目标的高职教育领域有着巨大的应用前景。