虚拟现实技术在工学结合教学中的应用

摘要：工学结合作为一种教育和人才培养模式，将学生的课堂学习与实际工作结合在一起，使学生接受一定的职业训练，提高自身的综合素质和就业竞争能力。工学结合需要大量的实践教学资源，实体实训基地的建设需要耗费大量的人力物力。本文探讨了应用虚拟现实技术实现实验条件与实验环境的途径。

关键词：虚拟现实技术；工学结合教学；应用

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2012）07-0174-02

虚拟现实技术是虚拟与现实的结合，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它利用计算机技术生成一个逼真的具有视觉、听觉、触觉等多感知的三维虚拟环境。用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境进行互动，可身临其境地与之进行交互、仿真和信息交流。它是通过多媒体计算机模拟仿真技术同仪器设备性能相结合在电脑屏幕上创造出模拟的仪器性能、实验条件和实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，从而达到真实或接近真实实验的效果，有时所取得的学习或训练效果甚至优于在真实环境中所取得的效果。

基于虚拟现实技术的工学结合教学特点

真实性 工学结合教学的主要目的是在真实环境中培养学生的职业能力，实现与企业的“零距离”对接。而虚拟现实技术能提供一种虚拟的沉浸式交互环境，主要通过立体听觉、三维触觉或力感以及具有高度沉浸感的视觉环境实现。其中，立体听觉一般通过三维环绕立体声系统来实现，三维触觉和力感可以通过高精度的计算机触觉或力反馈设备来实现，而高度沉浸的视觉环境通常会通过大屏幕立体投影显示系统来实现。通过沉浸感，使学生在虚拟环境中有一种身临其境的真实感，从而使学生在虚拟环境训练如同在真实环境训练一样。

实时性 借助于虚拟现实技术创建的虚拟实训环境，不受原料、厂房、工作环境等资源的限制，可以随时使用，同时借助于网络技术，学生在寝室或家里也能进入虚拟实训场所进行训练。同时，在训练过程中能实时反映训练效果。这样，学生可充分发挥主动性和创新精神。学生有多种机会在不同的情境下应用他们所学的知识，能够根据自身行动的反馈信息来形成对客观事物的认识和解决实际问题的方案。

安全性 与现实实验相辅相成，完成现实实验不能完成的任务。对于一些高危险性实验、涉及高精密仪器的实验或实验场地和实验材料缺乏等情况下，学生很难在真实实验室里自由执行开放性实验计划。应用虚拟实验室进行虚拟实验可完成这类任务并达到预期目的。在计算机上对虚拟实验达到熟练后再进入实验室进行真实操作就会轻车熟路，大大增加现实实验的操作熟练度和速度。因此，虚拟和现实实验相结合会起到事半功倍的作用。而且可以让学生接触和掌握更多、更新、更好的仪器。可见，虚拟实验室能够弥补现实实验室的不足，发挥现实实验室的作用。

在教学过程中构建虚拟实训环境

结合虚拟现实的工学结合教学主要分三个环节来实现。

创建虚拟环境 虚拟现实系统主要有桌面虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统。其中，沉浸式虚拟现实系统是最能模拟真实环境的系统，其主要构成如图1所示。在沉浸式虚拟现实硬件系统的基础上，配以专门开发的虚拟软件就能生成逼真的三维工作环境。

工作情景项目设计 在工学结合中，工作情景项目的设计至关重要，关系着学生能力的提升。要将项目与虚拟工作环境结合起来。另外，在设计项目的时候要考虑好成绩的评定方法。

教学实施 基于虚拟现实环境的教学对教师的要求较高，需要教师能较好地理解教学内容，把握教学过程。教师应能启发、引导并组织学生在虚拟现实环境中学习和自我探索。教学基本流程如图2所示。

在工学结合教学中应用虚拟

现实技术需要注意的问题

利用虚拟现实技术建立的虚拟实训基地需与实体实训基地结合起来 虚拟实训基地虽然能给学生创建身临其境的工作环境，但是不能从根本上完全代替实体实训基地达到培养和提高学生实践能力的功能。因此，教学必须与实体实训基地结合起来，相互促进、共同作用，以增强学生的实践能力。

将虚拟实训基地应用于工学结合教学中必须先提高教师的能力 （1）要求教师具有丰富的生活经验，掌握较多科普和生活常识，在空间、时间和材料安排方面有判断力，能创造良好的物质环境和学习氛围。（2）尊重学生，不将个人观点强加给学生，耐心且具有良好的倾听技能，具有提升学生自信心的能力。（3）能灵活变换活动程序或方法，善于采纳合理化建议，能随时、及时地帮助学生从问题或“冲突”的具体情境中解脱出来，不墨守成规。

实施案例

我校原《机械设计基础》课程进行工学结合课程改革后调整为《典型机构及产品设计》。该课程是服装机械及其自动化等机电类专业的专业基础课程，处于至关重要的地位。课程在实施过程中需要大量机构模型和产品模型，需要投入大量资金来支撑。而应用虚拟现实技术能减少投入，又能增加对学生的训练。

在应用虚拟现实技术的时候，首先针对课程需要构建虚拟实验室——机构创新平台。该平台在沉浸式虚拟现实系统里面实施，使学生在逼真的三维模拟环境中进行机构及产品的创新设计训练。平台结构如图3所示。

根据所创建的机构创新平台，《典型机构及产品设计》课程设置了三个学习情境，分别为缝纫机典型机构分析与设计、圆柱齿轮减速器设计和塔式起重机力学模型分析与设计。在这三个学习情境的实施过程中，学生都需借助机构创新平台，在创新平台里面进行机构的搭建。

工学结合教学模式更利于培养学生的实践能力，然而该模式所需的大量实训资源是其“瓶颈”。虚拟现实技术具有耗资少、配置灵活、交互能力强、仿真程度高等优点，对促进工学结合教学模式改革具有重要作用。随着虚拟现实技术的飞跃发展，虚拟实训基地将成为高职院校专业实训场所的主要形式。

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作者简介：

林康（1983—），男，浙江台州人，硕士，台州职业技术学院讲师，研究方向为机械CAD/CAE。