职业教育虚拟实训教学资源的设计与实现

刘畅 柯健

摘 要：实训教学是职业教育教学的重要组成部分，对于提高学生职业综合技能具有重要意义，但传统实训受资源条件的制约，教学难以达到预期目标，影响职业教育的创新与发展。本文从职业教育实训教学的现状出发，剖析了目前教学中存在的现实问题，在总结虚拟实训教学资源的表现类型后，以“室内设计”实训课程为例，分析了虚拟实训教学资源从内容选择到目标设定以及开发流程等各个环节。最后指出使用资源过程中的注意事项，为教育信息化背景下的职业教育教学提供了新思路。

关键词：职业教育；实训；虚拟现实；教学资源

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）21-0058-04

一、职业教育实训教学现状及问题的提出

实训主要应用于职业教育教学实践中，与培训对象的未来职业生涯紧密关联，通过实训过程，可以很好地实现从学习到职业的顺利过渡，可以说职业学校的生命线取决于实训教学质量的好坏。然而，目前来看，实训教学需要的设备往往更新率高、价格不菲。有些设备比较精密，容易损坏，不愿轻易给学生使用。其次，在大学扩招背景下，学校生均实验器材普遍不高，实验器材数量、设备功能都很难达到实际实验操作的需要。还有一些高危实训项目，学生的错误尝试，可能会带来很大的安全隐患。这些客观的原因限制了实训课程的顺利展开，导致了部分学生的操作技能不高，教学难以达到预期目标，影响职业教育的创新与发展。

早在十年前，教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》就指出，要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验。但由于技术条件的制约，成效并不明显。2016年被称为“VR元年”，虚拟现实（VR）产业呈井喷式增长，教育领域著名组织“The New Media Consortium”（NMC）近几年发布的《地平线报告》中将增强现实和虚拟现实列为未来几年教育应用领域最具潜力的六个技术之一。如何在职业教育领域利用虚拟现实技术来改善实训教学环境、解决实训资源瓶颈、促进实训学习效果，优化并充分发挥实训的机能和作用，是擺在职教人才培养工程面前重大而新颖的新课题。

二、职业教育虚拟实训教学资源类型

1.桌面式的虚拟仿真

桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口，通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互。学生在实训过程中通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实的最大特点是缺乏真实的现实体验，但成本相对较低，因此是目前职业教育实训教学中应用最广泛的一种虚拟仿真技术。

例如，我校在摄影摄像实训教学中使用的虚拟仿真教学资源，设计了摄影摄像设备的3D展示、镜头的选择替换、拍摄场景的切换、拍摄环境光线变化、照相机参数调节、人物的添加等多项功能（图1），学生进入环境后，按照要求操作，熟悉相关技术。从某种意义上说，使用这种技术的桌面式虚拟实训课件功能上已经近乎与真实的操作流程完全一致，可以部分取代真实的实训操作训练，解决了设备数量不足的客观实训条件。这些课件和软件在职业教育实训课程中发挥了重要的作用。

2.增强现实式的虚拟仿真

增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。典型的应用是利用手机端将虚拟世界套在现实世界并进行互动。目前，增强现实性的虚拟现实技术主要集中于军事、医疗等高端方向，目前流行于市场的也仅仅是一些简单的识别技术，并没有深入应用于职业教育。但是，随着移动终端设备的普及与升级，利用增强现实式的技术手段对无法在现实中实际操作或有一定危险和技术难度的设备进行虚拟操作，将是一种极其便利和低成本的解决方案。

3.沉浸式场景漫游

沉浸式的场景漫游以头盔或显示器为输出，将用户的视觉与外界隔离，从而让用户完全沉浸在场景中。操作者以第一人称进入虚拟场景，以实施漫游为主要目的，虽然可交互对象较少，但是通过漫游，能够让学生熟悉、了解空间环境，观察对象、明确目标特征，通过场景提示获得具有与实地观测相同、具有高真实感的现场学习效果。目前，这种方式在虚拟导游实训、虚拟车间参观实训、虚拟目标物观测类实训等课程里具有较多的应用。

4.带有交互功能的沉浸式场景漫游

与沉浸式的场景漫游相比，交互式漫游能够对场景中的特定物体进行交互操作，这样漫游的过程更加灵活，更具有教学性和应用价值。例如在一些展馆类的实践教学平台中，学生除了可以在该空间环境内走动并环顾四周外，还可以通过连接的控制器手柄实现定点的跳转，或者对场景中的物体进行移动、拾取、变换等多种交互控制，后面介绍的针对室内设计实训课程开发的资源也属于此类应用。

5.带有深度交互功能的虚拟仿真

在职业教育的实训课堂上，有很多针对职业技能的操作训练，如高精度的大型机床操作、危险性高的爆炸实验、发动机或计算机硬件的组装与维修等等。在现实教学环境中由于多种原因，很多实训环境是难以提供给学生的，这样就需要带有深度交互功能的实训教学资源来提供帮助。通过头盔控制手柄或其他外部传感器设备（如数据手套、体感控制器等）实现对设备的精细选择、控制、组装，最大程度地提升实训过程的逼真感。虽然目前这种虚拟化的操作还无法完全替代实操，但作为职业教育实操前的虚拟仿真实训，对贵重设备的保护和学生的安全具有重要作用。

三、“室内设计”虚拟实训资源设计案例

1.实训内容与要求

在实训中，要求学生在学习设计理论的基础上，以室内设计师的角色进入虚拟环境，把客户的需求转化成事实，通过沟通，了解客户的需求，在有限的空间、时间、工艺、物料、成本等压力之下，创造出实用及美学并重的全新空间，被客户欣赏。

2.目标设定

传统实训使用软件制作效果图，学生只能使用软件在屏幕上观看最终设计效果。虚拟实训过程则可以360度完全沉浸在设计空间中，装修材料和家具全方位地充斥着整个虚拟空间，而不局限于一个平面。学生通过和虚拟空间内的对象进行交互，可以改变物品属性、材质或位置，获取更加直接的设计经验。根据教学需求，本项目中的教学资源在设计阶段拟定如下目标：

（1）根据真实CAD图纸设计虚拟室内空间。

（2）以学生的角色扮演为核心进行功能性设计，学生在沉浸式的虚拟环境中，以室内设计师的身份装饰和修改空间设计。

（3）场景设计整体感觉逼真，可交互对象丰富，形式多样。

（4）集成文字、背景音乐、图片等多种媒体形式，信息传递方式多样化。

（5）UI设计合理，美观大方，导航清晰，包含房间切换的按钮、室内光线变化的按钮。

3.室内设计实训课程资源开发流程

开发室内设计实训课程资源所需的应用程序，从三维建模开始到最终产品的发布，将用到众多的开发工具，经历多个制作环节，基本流程和相关技术如图2所示。

（1）素材的搜集与整理

开发人员和教师一起讨论课程所需房型结构图、装修主体材质、家具的种类等，搜集、整理、筛选相关素材，共同撰写课程资源的开发脚本。

（2）室内空间设计与三维建模

室内设计课程资源的开发应比其他课程资源更加重视空间布局，设计目的是让学生沉浸在逼真的环境里进行学习。因此，空间的大小、房型结构、光线色彩、布局等细节都至关重要，都会影响学生的感知。在开发过程中，严格按照真实房型的测量尺寸绘制CAD房间平面图，并在三维软件中建模。空间内的物品也按照实物尺寸进行搭建，并将风格进行统一规划，目的就是希望能有效吸引学生的学习兴趣。

（3）贴图的处理

图像素材的质量是确保场景视觉呈现效果的关键，通过手绘、扫描或实体拍摄得到的图片需要在PhotoShop中进行加工处理，一般要进行裁剪和调色，随后通过UV技术，将该图的不同区域贴到模型的不同位置上。

（4）将场景导入引擎

在3Ds Max中制作实物或场景模型。将这些模型分批次以FBX格式导出保存。在U3D引擎中，建立项目，导入模型、贴图、声音等素材，进行场景的搭建。对模型进行制作并赋予相应的材质，为场景放置灯光、设置后期效果，并构建光照进行测试；对各个要素进行反复调整和测试，直至达到比较真实的视觉效果（图3）。

（5）音乐的制作与嵌入

在虚拟环境进行实训的过程中可以播放音乐或讲解音频。录制好音频后，按照内容分割成不同片段，保存成MP3格式。通过按钮或可触发物品来进行声音的播放控制，如对环境中的钢琴进行触发，钢琴开始演奏音乐。

（6）漫游模式与瞬移控制

学生进入虚拟房间后有两种移动模式：一种是漫游模式，学生按照预先设定好的路线跟随摄像机的移动来观察游览房间。使用这种方式可以让学生对房间的空间布局和结构形成一个总体印象，但不能随时停下或进行交互设计。另一种是瞬移控制模式，学生可以通过UI界面上的位置按钮选择瞬移到房间的任意指定位置，仔细观看每一个房间，与空间内的物品进行实时交互，实施室内设计方案（图4）。

（7）交互控制

交互控制是虚拟实训的重点，也是虚拟现实技术的核心内容。学生能够在观察虚拟环境的同时通过手中的运动控制器或头盔中的运动视点进行交互控制。本组案例使用了三星Gear VR套件进行开发和测试，当学生佩戴后，根据头部的运动及方向，头盔中显示出对应变化的图像，通过头盔旁边的触摸板或者准心瞄准的方式与画面里的物体进行交互。本案例中，学生在虚拟实训环境中以设计师的身份对室内空间环境进行再创造，如对墙面、窗户、地板等硬装材料进行材质变换；对视听设备、家具与摆放物品进行更换或移动；对室内光线分布进行改变等。

（8）优化和打包发布

最后使用U3D引擎打包，打包前删除不需要的资源，对各项设置进行检查和优化，最后再将项目输出成apk或exe可执行文件运行在三星Gear VR移动终端。

四、结束语

学校基于虚拟现实的室内设计实训课程正在逐步展开，基于虚拟现实技术本身存在尚未解决的理论难题和技术困难，在应用虚拟教学资源进行实训的过程中，仍然要注意以下几个问题：

首先，资源革新带来的应该是教学模式、教学方法、教学活动及评价方式上的改变，如果教师在应用新资源时仍固守传统方法进行教学，虚拟实训的优势就无法发挥，甚至降低教学效果。因此，积极探索新技术与教学融合的新形态将是一个长久与深刻的课题。

其次，虚拟实训所营造的环境毕竟与实际环境有差异，因此，即便使用虛拟现实技术进行实训教学也不能完全忽略学生的实操体验。

此外，虚拟实训的过程中不能忽视教师的作用，反而要更重视教师在虚拟实训过程中的引导作用。教师要尽快完成教育理念的更新，由知识的传递者转变为活动的参与者，甚至是引导员、讲解员的角色。

虚拟现实技术能够增加职业教育实训课程过程中的真实感，尤其当时间、空间、资源无法满足当前的实训教学需求时，其优势就会彰显出来。但就目前来看，虚拟现实技术在职业教育实训领域中的应用模式还处于起步阶段，如何利用新技术有效突破实训教学瓶颈、提高实训教学质量还有待进一步探索和研究。

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（编辑：王晓明）