VR实践教学系统研究与设计

2023-01-03

高等教育质量与实践教学质量的高低是成正比的, 要适应社会发展的需要, 真正培养出以能力本位为要求的技能型人才, 需要有一个良好的可操作性强的理论与实践相结合的这样一个教学环境。

V R实践教学系统, 正是基于这种教学思路, 按照教学与实践能够紧密结合的原则研究设计, 它是一套集成了V R技术、G P S/G I S技术, 多媒体技术, 网络技术及相关光、机、电等技术的教学系统设备。

1 高职院校实践教学存在问题

目前, 从事实践教学的途径大致有如下两种:一是校内实训, 二是校外实践。

加强实践教学, 以能力本位为要求, 切实培养能够跟上时代发展步伐的, 具有较强动手能力、解决问题能力的技能型人才, 是高职高专教学的重要内容。

然而在实践教学中, 现在大多数高职院校在这方面都存在着同样的问题:在校实训 (实验) 室的教学, 并不能真正满足实践教学的实际需要。

主要原因有以下几方面:

1.1 校内实训建设遇到的问题 (1)

1.1.1 资金问题

受到软、硬件设备设施更新速度、数量的限制。一方面, 我国的高职办学历史很短, 大多数都是自1 9 9 8年以后建立起来的, 而且以中专升格为主。政府对高职办学投入甚少, 基本上都是由升格的中专学校通过土地置换与银行贷款的形式来建设高职新校园, 背负的包袱已很沉重, 其中有少数民办高职, 资金的压力更是可想而知。另一方面, 为了满足高职的实践教学需要, 又要投入大量的设备与设施, 真是巧妇难做无米之炊, 力不从心。

1.1.2 场地问题

实践教学需要有一个真实的实战环境, 现有的高职学院由于受到资金和国家土地政策的限制, 一般校园面积都不是很大, 实训用地、用房相当紧张, 难以挪出太多的空间来建设实战型实训基地, 更不可能为全院十几个, 甚至几十个专业都建立起具有实战环境的实训场所。

1.1.3 师资问题

实践教学需要一大批具有实战型的教师去支撑, 而现有高职院校中真正具有双师型能力的教师还十分稀缺。因此, 加强院校内涵建设, 切实创造一个良好的有利于培养双师型教师素质的教研环境显得尤其重要。

1.2 校外实训建设面临的问题

1.2.1 机制问题

在西方发达国家, 职业教育校企业结合十分紧密。如德国的双元制、澳大利亚的T A F E学院、美国的社区学院等等, 都是通过政府的政策、法律与法规将高职教育和企业联系在一起。企业对高职学生的实训十分支持, 要么将最先进的设备、设施无偿提供给学校, 要么学校就将课堂设在企业的车间, 企业的技术专家、师傅就是现成的实训老师。但在我国, 由于经济、文化、体制等方面的种种原因, 校企之间缺少这种内在的协调机制。 (2)

1.2.2 操作问题

在我国现实中, 高职院校在外寻找合作单位, 建立实训场所, 还会受到企业实际工作环境、人力、安全、接纳学生人数等条件的限制;受到企业实际工作计划安排与学校教学计划安排难以一致问题的约束;受到校企双方合作“双赢”程度的制约。

因此, 寻找一种长期的可不断完善的安全的低成本的能够有效地将理论与实践教学组合在一块的这样一种实践教学环境, 是当前高职培养技能型人才迫切需要解决的一项重要课题。

2 V R实践教学系统简介

VR是Virtual Reality的缩写, 中文意思就是虚拟现实, V R概念是在8 0年代初提出来的, 其具体是指借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段。

虚拟现实技术是指通过多媒体技术与仿真技术相结合生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟环境, 使用户以自然的方式与虚拟环境中的客体进行体验和交互作用, 从而产生身临其境的感受和体验的一种技术。创建和体验这种虚拟环境需要包括计算机图形学、图像处理和模式识别、A I技术、智能接口技术、心理学、多传感器技术、语音处理和音响技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等。

在国外, 虚拟现实技术已逐渐从实验室的研究项目走向实际应用, 目前, 在军事、航空、航天、医学、教育、商业、娱乐和自动控制等领域有着广阔的应用前景, 日益显示出巨大的社会和经济效益的潜力, 尤其在教学训练方面, 是当今教育技术和计算机多媒体辅助教学发展的重要方向。

在国内, 虚拟现实技术的应用正处在起步阶段。目前主要应用在三维可视化、及视景仿真方面, 真正应用于教学领域的还为数不多。尤其是研究以V R技术为主的交互式虚拟现实的实践教学, 这方面的研究还比较缺乏, 特别是我国在这一领域的研究。

2.1 V R实践教学系统设计特点

本设计以视频控制及光机电相关行业标准作为设计依据, 结合实训的具体情况, 用最佳设计方案体现最高的性能价格比, 是本系统方案设计的指导思想, 也是本方案设计的基本出发点和追求的目标。

本设计主要贯彻“高质量”及“低成本”两条主线来进行设计的。

2.1.1 标准化及规范化

由于本系统是一个严格的综合性系统, 在系统的设计与制作过程中参考各方面的标准与规范, 严格遵从各项技术规定, 做好系统的标准化设计与制作, 选择符合工业标准的设备视频通信介质以及其相关器材。

2.1.2 先进性及成熟性

系统设计的基本思想符合技术发展的基本潮流, 使系统在其整个生命周期内保持一定的先进性。

2.1.3 安全性及可靠性

考虑到安全防范重要性的原则, 为了保证整个系统的安全、可靠运行, 我们首先在系统的总体设计中从整体考虑系统的安全性和可靠性。在系统设计阶段考虑到所有影响系统安全性、可靠性的各种因素。

2.1.4 可管理性及可维护性

“V R实践教学系统”是一个比较复杂的系统, 在设计、建设时, 除了整个设备便于管理与维护外, 系统硬盘还配备了恢复功能, 彻底解决系统问题导致无法正常使用的问题。

2.1.5 实用性

系统的设计是根据国家有关标准科学地、合理地、实事求是地进行设计, 并结合物流专业教学内容, 因此, 具有很高的实用性。

2.1.6 优化性能价格比

在满足系统性能、功能以及考虑到在可预见期内仍不失其先进性的前提下, 尽量使得整个系统所需投资合理。

2.2 V R实践教学系统设计原理

2.2.1 虚拟现实结构原理图

虚拟现实技术应用的范围极广, 根据目标不同, 可以有不同的系统产生, 以人为核心的虚拟现实技术的一般结构, 如图1。

由图1可知, 虚拟现实的关键部分是传感器、交互式控制系统和虚拟环境。传感器是使人产生身临其境感觉的相关设备, 目前研究集中在视觉 (如头盔式立体显示器) 、手感 (如数据手套) 、身体感觉 (如数据衣) 传感器上, 相对来说语言、听觉部分技术比较成熟, 而嗅觉和脚的传感器研究相对较弱。

2.2.2 VR实践教学系统基本设计原理

⑴V R实践教学系统结构方案设计。主控制台前端设计采用高清晰度彩色3 D环绕屏 (或三台P D P视频器多通道技术并联) , 视频传输采用抗干扰高屏蔽同轴电缆, 控制信号传输采用带屏蔽专用控制电缆, 保证视频信号和控制信号的准确传输;中央控制模拟操作系统采用方向盘、键盘控制、连动装置、传感器等联合控制。

⑵系统基本原理结构图

⑶V R实践教学系统整机外型设计方案。在满足现阶段功能及可扩展性的要求设计并力求达到简单、易操作、易维护及新颖美观的目的。

2.3 V R实践教学系统平台主要功能

2.3.1 提供一个既可灵活组训又能不断扩展的实践教学平台

V R环境模拟的教学方式和教学内容可依据不同专业的教学内容而实施, 因而, 在系统中专门预留了可供今后不断完善和升级的扩展空间, 具有二次开发功能。今后可根据教学工作的实际需要, 通过修改和补充系统中教学软件的内容及相应硬件, 可组成不同的实践教学系统, 也可建立不同专业的V R实践教学系统平台, 保证实践教学的针对性和有效性。

2.3.2 可实现虚拟现实模拟实训

通过人机交互操作, 在虚拟现实中完成相关实践教学内容。如:物流设备、设施的应用实训 (可有效保护真实设备, 减少误操作的危险, 缩短占用设备时间) , 企业作业流程模拟、诊断、设计、创新、综合训练, 机电产品制造装配过程模拟验证等等。

2.3.3 具有G P S监控中心功能

实现车辆 (移动目标) 远程控制管理, 集车辆防盗、安全保护、GPS卫星导航、定位、G S M信息传送、管理中心远程定位跟踪、导航、管理、控制等为一体, 对车辆进行全面管理。

2.3.4 实现3 D环绕展示功能

可为文物、产品材料、房产等专业课程内容提供一个具有动态三维场景的展示平台。

2.3.5 可加速练习者心智技能的熟练

过程在仿真环境模拟教学中, 除必要的操作技法练习内容外, 可重点编制以强化心智技能为主要内容的心智技能模拟教学课程。不断建立完整的“专家模块”, 通过模拟系统呈现给练习者, 让练习者置身于问题的情境之中, 通过模拟专家进行判断与处置, 对“专家模块”所提供的专家策略进行心理模拟, 从而, 全面获得专家的经验。

2.3.6 对心智模拟训练的技术性突破, 提高了仿真环境模拟训练的实用性及高效性

可实现对操作员心理活动的模拟训练。利用系统平台的人机交互式操控器, 实现智力与操作单一动作的连续性重复练习, 提高模拟训练的高效性。

2.3.7 通过系统平台设备实现模拟操作教学的形象化, 有利于解决模拟训练中的原型定向问题

原型定向是技能熟练的首要条件, 由于V R系统平台是采用环绕仿真环境, 教学人员可以利用预设的实际操作场景的大型数据库, 灵活便捷地组织模拟操作的现场教学。

2.3.8 采取规模化集中训练的教学形式, 提高了模拟操作教学的工作效率

采用规模化集中训练的教学形式, 有利于统一、规范模拟操作教学, 实现标准化组训, 并且也解决了教学人员教学水平参差不齐的问题, 也可大幅度地减轻教学人员的劳动强度。

2.3.9 可实现模块化实践教学

实践教学内容与浙江经济职业技术学院能力本位课程相配套, 教学灵活性强, 如:可针对企业工作岗位需要, 实施有针对性的技能模块化实践教学, 因此, 也非常适合对社会技能人才的培训。

3 基于V R实践教学系统的部分物流教学示例

3.1 在V R实践教学系统平台上完成汽车模拟驾驶实训示例方案

主要完成模拟驾驶功能方案、实施计划及模拟驾驶实训大纲等。

3.2 VR实践教学系统上完成GPS监控中心功能示例方案。此方案主要优势

⑴不需要第三方参与, 自主管理。

⑵操作灵活、方便。

⑶不需要交纳服务费。

⑷价格低廉。

⑸具有实战性。

4 基于V R实践教学系统的实训室建设

利用V R实践教学系统平台, 创建虚拟实践 (实训) 教学实训室。运用视频控制“虚拟性实践”教学模式教学, 通过实验验证、现场演示, 交互式教学与学习, 手脑并用, 学练结合, 并在教学内容设计上结合了游戏的成分, 具有趣味性, 激发学生的学习兴趣, 提高教学效率和教学质量。V R实践教学实训室它集创新的教育理念、领先的教育技术、先进的教育手段于一体。可实现教学功能、辅助设计功能、协同实验和研究等多项功能。

5 结语

以能力本位为教学目标, 满足社会发展对技能型、应用型人才的需要, 是高职高专学院在专业教学的过程中始终追求的目标。通过此项目的研究与实施, 我们提供了一种新颖的寓教于游戏之中的高效率、低成本、安全、可靠、可操作性强的新的实践教学模式;可通过软硬件的升级或系统改造完成不同专业的实践教学内容;为高职院校培养双师型素质的优质教师创造了一个良好的实践环境, 对教研都具有重要意义。

摘要：本文提出了VR实践教学系统的概念, 通过研究, 设计了“VR实践教学系统”平台设备, 并对该系统平台设备的功能、作用及建立VR实践教学实训室的基本思路作了介绍, 为实践教学提供了一种新的模式。

关键词：VR,系统平台设计,实践教学方法