VR技术在应用型本科实践教学改革中的应用

张久福

摘要：本文结合当下应用型本科高校工程训练教学中存在的实践教学资源不足、教学过程安全隐患大等问题，基于实际教学经验分析了VR技术在应用型本科工程训练实践教学中所具有的优势。通过研究VR技术在工程训练虚拟情景教学、安全操作等实践教学中的应用，与传统的实践教学模式相比较，VR技术应用在工程训练课程教学中的优势突出，该技术必将对应用型本科实践类教学发展产生深远影响。

Abstract： This paper analyzes the advantages of VR technology in the practical teaching of engineering training in Application-oriented Colleges and Universities Based on the practical teaching experience. By studying the application of VR technology in engineering training virtual scene teaching， safe operation and other practical teaching， compared with the traditional practical teaching mode， the advantages of VR technology in engineering training course teaching are prominent， and the technology will have a profound impact on the development of application-oriented undergraduate practical teaching.

关键词：VR技术;工程训练;应用型本科;应用研究

Key words： VR technology;engineering training;applied undergraduate;applied research

中图分类号：G64                                       文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）07-0238-02

0  引言

工程训练课程是由传统的金工实训“进阶”而来，其授课范畴已不单局限于传统的机械及近机类专业，而是面向所有理工类专业，根据专业人才培养特点细分出不同的工程训练“套餐”。相对于传统金工实训，当下工程训练课程向三大方向转化（如图1）。

目前各高校所开设工程训练课程大致由工程认识、工程实践、工程综合及创新三大板块组成。以机械类专业为例，该课程对学生作如下要求：①掌握基本加工方法和工艺知识：学习并掌握各训练科目的加工方法和工艺流程，理解主要设备工作原理，掌握工装夹具及量具的使用。了解新工艺、新技术在机械制造中的应用。②锻炼工程实践能力：将理论与实践相结合，对简单工件具有选择加工方法和工艺分析的能力。根据图纸独立完成简单工件加工的实践能力。③创新意识培养：开发创新思维，发挥主观能动性，结合理论知识在工程实践中进行创新应用。

1  当前应用型本科高校工程训练课程教学中存在的问题

早在2014年国家便提出引导地方本科高校向应用技术高校转型，应用型本科成为近六百所地方本科高校转型发展的风向标。以山东为例，地方本科高校基本是指2000年以后由各地市所属师专、农校、电大等合并而来，其专业基础相对薄弱。同时，长期以来对实践类课程的忽视而导致的教学设备严重滞后于经济社会发展，进而影响相关学科建设，此种情况必将成为此类高校今后建设高水平应用型大学的绊脚石。

当前应用型本科工程训练教学普遍面临的问题：

①工程训练实训设备质量及数量远未达到新时代应用型人才的培养要求。当前，地方性本科高校实训所使用的机床设备大多数还停留在多年前的水平。同时也要看到，实训所需设备普遍价格昂贵、投资高，各高校因经费问题精打细算进而难以满足相关教学设备的购置更新。

②教学过程安全风险高。多数高校中工程训练所开设课程最常见的包括：车削实训、钳工实训、焊接实训、铸造实训、电工及电子实训等环节[1]。上述各实训课中以车削实训、焊接实训、铸造实训教学过程安全隐患最大，实训过程中机械噪音大、高温高热、弧光辐射等对师生人身安全造成较大威胁。

③先进制造训练、综合实践创新应用所需设备短缺及高水平雙师型师资短缺，无法开出相关训练课。地方本科高校因受传统教育观念影响，长期忽视实践教学导致当下工程训练的设备落后、指导教师青黄不接，特别是具有高学历、行业从业经历的教师严重短缺。出现了各高校对工训课程向综合实践创新应用转型的迫切要求与先进设备及高素质师资匮乏的矛盾。

④实训场地紧缺。各地方本科高校工程训练中心大部分是由其校办工厂转型而来，实训场地狭小。因资金等问题，实训场地条件未得到改善，难以满足生源日益增长的教学需求。

2  VR技术概念特征

虚拟现实技术（简称VR），又称虚拟环境或人工环境，其融合了图形技术、仿真技术、人工智能、传感技术等。通过计算机生成的虚拟场景直接作用于操作者的感觉系统。同时，操作者可通过观察、触摸、操作等与虚拟场景进行交互操作。其具有如下典型特征：

①沉浸性。沉浸性是基于人类心理环境所形成的存在感，通过VR技术作用于操作者的感觉系统使其具有身临其境的感受，使得操作者自身仿佛真实存在于虚拟环境中。操作者由传统的“旁观者”转变为“参与者”，从而获得对虚拟环境的主导权。

②交互性。交互性即人机的交流互动性。VR技术可使操作者在特定虚拟环境下实现对该环境的操作反馈及信息交流，如在虚拟环境内移动一个物体时操作者不仅可以感受到该物体并且还能感受到该物体的重量等。若操作者对该物体施加作用力，物体的位置和状态也会发生相应改变。

③自主性。自主性是指基于现实世界中的物理学定律来模拟虚拟环境中各种物体的动作。如在虚拟环境中，操作者将推力施加于某物体，该物体便会根据操作者推力的大小实现真实环境中的力学反馈，如移动、跌落等。

④多感知性。除了最基本的视觉外，VR技术还能实现其他多种感觉同时存在。如基于声场技术的听觉、基于传感技术的力反馈等，其它如温度、嗅觉等亦可通过相应技术实现，所实现的感觉越多沉浸性越好[2-3]。

3  VR技术在应用型本科工程训练教学中的应用

VR 技术在工程训练课程教学中的应用是该技术和新时代职业教育结合典型代表。VR虚拟实训室依托桌面式虚拟现实设备以及配套工程训练实训VR软件，能够完成传统工程训练教学中难以达到的教学效果。与传统工程训练教学设备相比，VR虚拟现实应用于工程训练课程教学中有如下显著优势（以工程训练中的车削实训为例）：

①弥补地方高校资金不足、实训场地紧缺、实训设备陈旧落后的困境。由于工程训练课程的特殊性，大部分工程实训设备价格高昂且占地面积巨大，各地方高校因资金短缺而导致的设备更新换代滞后，严重影响教学效果。利用VR技术创造生产现场模拟实践环境（如图2），实训教学不再受场地、设备、耗材等限制，更好的满足教学实际需求。

②超时空限制，实践教学更直观。工程训练课程教学过程中采用 VR 技术可以打破时空限制来模拟还原某个情境或者场景。在工程训练-车削实训课程中，为使机械类及近机类专业学生更深入直观的理解机床主轴箱的结构及变速过程，可通过VR虚拟设备深入传动中的主轴箱中观察各机械结构，同时学生可通过操作手柄等外设进行机床主轴的变速操作，此过程中学生可身临其境的观察主轴箱内部各传动部件的动作（如图3）。上述过程在现实条件下因客观条件限制且过于危险而无法实现，教师只能通过口头讲授，教学效果差。

③可充分调动学生主观能动性、发挥学生主体作用，实训过程可重复。新时代的大学生多为“00后”，该群体对前沿科技装备有着天然的热爱。利用VR技术学生不仅可以接触到感兴趣的高科技产品，同时在教学过程中学生还可自助选择实训模块及次数，增强实训效果且不产生耗材成本。例如机床拆装实训，利用VR技术不仅可以实现产品模型以装配图和爆炸图的形式出现使学生能够直观的学习各机械部分的工作原理，同时又能实现机床设备的反复拆装模拟（如图4）。

④最大程度规避风险、无安全隐患。VR技术可以避免实训环节中的风险，使得教师有更多的精力投入到教学中，提高实训效率及效果，同时节约实训成本。如传统的车削实训中因机床卡盘旋转、学生误操作导致人身伤害、设备损坏等时有发生;应用VR虚拟设备进行模拟车床操作不仅可有效避免人身伤害事故的发生，同时也可以很好的保证工程训练课程的教学效果。

4  总结

在地方本科高校由普通本科教学向应用型本科教学转变的大背景下，本文研究了VR技术在工程训练课程教学改革中的应用，与传统实践教学模式相比VR虚拟技术在应用型本科工程训练实践教学中独具优势。该技术在实践教学中的应用可在一定程度上解决当下地方本科高校在工程训练教学中存在的教学软硬件资源不足、设备陈旧、更新换代成本高、教学过程安全隐患大等问题。该技术的进一步推广必将对应用型本科高校實践类课程的教学发展产生深远影响。

参考文献：

[1]郭纯.机械制造工程训练焊接教学存在的问题及几点建议[J].南昌师范学院学报，2019（06）：11-12.

[2]方涛.浅谈VR技术在机电类专业中的应用[J].山东工业技术，2017（09）：165-166.

[3]戴建.试论VR在商科实训教学中的应用[J].湖北开放职业学院学报，2019（10）：129-130.

[4]刘德建，等.虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战 [J].开放教育研究，2016（04）：25-31.