虚拟现实技术在高职机电类专业课程教学中的应用

【摘 要】根据虚拟现实技术在高职机电类专业课程中的应用现状,分析该技术在教学应用过程中存在的问题,并提出相应对策与建议.

【关 键 词】虚拟现实技术　机电类专业课程　教学

【中图分类号】G　【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2012）09C-0183-02

虚拟现实技术（Virtual　Reality,简称VR）,又称检测象现实技术,是利用计算机技术和信息技术等现代技术合成的人工世界.它能够刺激人的听觉、触觉、视觉等感觉器官,使人沉浸在这种现代技术所生成的虚拟环境中,产生与现实世界相类似的感官效果.利用虚拟现实技术,可以在很多领域替代或部分替代现实世界.如今,继科学实验、理论分析之后,虚拟现实技术已经成为人类探索客观世界规律的第三大手段.

在高职机电类专业课程中引入虚拟现实技术,能给复杂的技能训练、抽象的理论教学带来革命性的变化.同时也将给机电类高职教育的教学内容、教学手段以及教学理念等产生重要的影响.

一、虚拟现实技术在高职机电类专业课程中的应用现状

（一）应用类型.虚拟现实技术可以分为桌面级虚拟现实、投入型虚拟现实、分布型虚拟现实、逼近现实型虚拟现实四种类型.投入型虚拟现实和桌面级虚拟现实的沉浸度比较低,但因其低廉,常被高职教育所采用.其中,桌面级的虚拟现实系统的硬件投入最少,甚至在个人电脑和比较低级的计算机工作站中就可以进行仿真.利用它,学生可以通过操作鼠标跟虚拟世界交互,尽管沉浸度比较低,但其性价比是高职院校所能接受的.与桌面级虚拟现实相比,投入型的虚拟现实系统能更为逼真地模拟现实世界,通过它用户“以检测乱真”的体验更加明显.它可以利用头盔显示器等设备,把学生的听觉、视觉和其他感官体验封闭起来,提供一个新的、虚幻的感觉空间.利用数据采集手套、位置传感器、便携式输入系统等使学生产生一种身临其境的虚幻效果.常见的系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统.目前,由于投入成本等方面的限制,我国高职教育多采用较为低端的投影式虚拟现实系统.

（二）应用方式.虚拟现实技术在高职机电类专业课程教学中的应用主要有三维演示、虚拟实验、虚拟实训、仿真教学、虚拟维修等.三维演示利用简易型虚拟现实技术表现机电设备、设备零部件的结构和动态,便于学生深入地了解设备和每个零部件的内部结构,有助于学生理解设备的动作方式及工作原理.虚拟实验是指把虚拟现实技术应用于建设虚拟实验室、开发虚拟实验软件.通过这样的平台,学生可以身临其境地对机电设备零部件进行虚拟拆装、对仪器仪表进行操作等.虚拟实训集中体现了虚拟现实技术的沉浸性和交互性的优点,让学生成为虚拟环境的积极参与者.通过虚拟实训,学生可以进行机电设备的安装与调试、故障检测与诊断、机床电控回路的仿真连接等职业技能训练,在取得接近于真实实训效果的同时,达到了降本运作的目的.仿真教学则是利用虚拟现实技术构建学习情境,在情境中学生可以扮演职场角色,对未来职场的工作内容进行深入的体验,很大的缩短了学生获取职业岗位相关知识的时间.近年来,虚拟维修是虚拟技术的一个重要研究方向,其目的主要是利用虚拟现实技术在计算机上真实地展现设备的维修过程,增强设备维修的决策能力.现阶段,虚拟维修在高职机电类课程的教学中,应用得比较广泛的是机电设备电控系统故障查找、机电设备液压系统故障查找等比较初级的虚拟维修项目.

（三）应用特点.虚拟现实技术在高职机电类课程教学中的应用具有职业性、实践性、情境性、过程性、开放性等特点.职业性是指虚拟现实技术可以比较真实地模拟高职机电类专业学生相关的职业岗位的工作环境,利用它可以使学生的各项职业技能的培训更为高效；实践性是指虚拟现实技术能逼真地模拟现实世界的各种实践操作,以最低的成本获得最好的实践效果；情境性是指利用虚拟现实技术创设教学情境,通过教学课件、课程网站等CAI手段,实现把抽象的内容具体化,复杂的问题简单化,不可见的结构或动作可视化的教学效果；过程性是指利用虚拟现实技术实现基于企业真实工作过程的项目教学,使教学的过程和内容更加符合企业的岗位需求,学生通过这个环节可以了解企业真实的工作过程,走上工作岗位后能较快地适应职业岗位要求；开放性则是利用虚拟现实技术构建学习情境并提供丰富的学习资源以满足学生不同层次的需求,学生可以打破时间和空间的限制,获得最大的个性化发展.

（四）应用优势.首先,引入虚拟现实技术开展高职机电类专业课程教学,可以改善教学环境.机电类专业课程具有理论性、实践性强等特点,虚拟现实技术使学生可以在虚拟的环境下,感受到职场的氛围.操练职业技能,在不大幅增加实训设备的情况下,获得最好的学习效果.其次,虚拟现实技术可以提高实训效率.学生在开展实训操作之前,先进行虚拟实训,对操作要领和实训环节初步了解,可以较大地提高实训的效率和效果,并且还能降低对实训设备的损耗.最后,虚拟现实技术还可以提升学生的职业技能.虚拟现实技术可以真实地再现各种场景,使得学生对机电专业课程的学习难度大为降低.虚拟实验、实训的成本较之传统的实验和实训的成本低廉,使得实验实训项目的开出率得以最大限度地保证.学生可以在虚拟环境中“做中学,学中做”,能使专业能力、方法能力等方面的职业素养得以全面地提升.

二、虚拟现实技术在高职机电类专业课程教学的应用过程中出现的问题

（一）虚拟现实技术存在局限性.虚拟现实技术本身的局限性决定了它只能作为现实教学手段的辅助工具.任何先进的虚拟现实技术,都无法构建出与现实世界完全吻合的虚拟世界.它给参与者带来的感官刺激无法取代现实世界所产生的真实自然的刺激.例如：在机床维修课程的教学中,常采用虚拟实训的方式让学生进行虚拟拆装.学生通过拖动鼠标等操作,把虚拟环境下的机床拆卸成为一个个的零部件,借以了解机床的内部结构,但是在这个过程中,学生无法获取诸如“拆卸一个零部件,需要多大的力道?应该使用何种工具?”,“如何保证在拆卸的过程中不会损坏所拆卸的零部件?”,“某个零部件的重量是多少?用什么材料制成的?”等方面的信息和经验.（二）过度主张学生的自主学习,教师引导作用难以发挥.在高职机电类专业课程中引入虚拟现实技术开展教学的过程中,学生可以在教师的引导下利用丰富的教学资源,结合自身情况,选择适当的学习方式进行学习.这种不同于传统教学方式的教学模式可以最大限度地发挥学生的主观能动性,非常有利于培养创新型高技能人才.但在这种教学模式下,学生的自主学习能力被过度强调,教师的引导作用无形中被弱化.在现实的教学过程中,由于学生的自由度过大,教师很难对学生实施有效地监控,对于自我学习能力不足、自制能力差的学生,容易出现教学效果欠佳的情况.

（三）过度依赖虚拟现实技术,弱化团队的交流合作.采用虚拟现实技术进行高职机电类专业课程的教学,因其便利性与低成本的特点,多采用“一人一机”的教学方式.这种方式虽然能够使每个学生个体得到最大限度的动手机会,却削弱了团队间的直接交流,不利于团队精神的培养,不利于团队间的交流与合作,不利于学生社会能力的培养.

（四）教师引导不善,容易使学生养成不良的职业行为习惯.虚拟现实技术与现实的差异,决定了学生在虚拟环境中容易产生偏离现实环境中的行为.例如：电工课程的虚拟实训过程中,因为没有现实操作的危险性,容易滋养学生恣意妄为的行为习惯,这种习惯带到现实操作中,其后果无疑是非常严重的.这种情况在高职机电类其他专业课程的虚拟实训中普遍存在.

三、提高虚拟现实技术在高职机电类专业课程教学中应用效果的对策

（一）提高专业教师的素质,大力推进高职机电类专业课程改革.高职院校应当对现时的机电类专业课程的教学体系和教学模式进行改革,进行基于工学结合的高职机电类专业课程建设.专业教师要能够使用虚拟现实技术创建基于企业真实工作过程的、真实模拟从业人员生产活动的虚拟环境.这需要专业教师能够熟练地掌握虚拟平台的开发和使用方法,引导学生解决虚拟实训过程中所碰到的问题,使学生能更好地融入到真实的工作情境当中.

（二）引进开发更具开放性、真实性环境的虚拟平台.高职机电类专业高度实践性的特点,决定了这类专业的专业课程不能脱离企业真实的工作过程.虚拟现实技术作为基于工作过程的高职项目教学体系的有益补充,越贴近真实的工作环境,越能为教学提供有力的支持.这就要求高职院校在引进和开发机电类专业课程虚拟教学平台时,进行充分地调研,了解高职机电专业学生从业的岗位要求,合理地选择教学内容和教学方式.在这个过程中,教师应该充分考虑高职学生的学习特点、学习方式和学习习惯,以便选择适当交互方式和呈现手段.

（三）虚拟现实技术与实践教学相结合.虚拟现实技术能够有效地降低高职机电类专业课程的教学难度,激发学生的学习兴趣,提升教学效果,但它不能完全代替现实世界的实践操作.这对于注重学生动手能力培养的高职教育而言,是一个不足.因此,应当理顺虚拟实训和实操实训之间的关系.首先,虚拟现实技术与实操实训应该是一个互补的关系,实操实训不方便实现的教学.如存在一定职业危害的实训内容,为把职业危害降到最低,可以先利用虚拟现实训练的方式加以实现；成本巨大的实操实训,也可以采用虚拟实训的方式先行替代.其次,融入关系.将高职机电类专业课程的实训教学方案,基本上都融入了虚拟现实的训练方案.最后,顺序关系.采用虚拟现实技术开展高职机电类专业课程教学时,要让虚拟现实训练在前,实际操作在后.利用虚拟实训初步获取必要的理论知识和操作经验,然后通过实际操作培养面向生产实际的职业技能.