虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高職模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效性探究

□李金國 楊林生 李云貴

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高職模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效性探究

□李金國 楊林生 李云貴

針對高職院校模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)受設(shè)備、場地、經(jīng)費(fèi)等因素制約的現(xiàn)狀，提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)策略，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高職院校模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)的意義，探索了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提升高職模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效途徑。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職其他專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，也有著較高的推廣價(jià)值。

高職教育；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；實(shí)訓(xùn)教學(xué)

隨著競爭加劇與技術(shù)發(fā)展，模具行業(yè)對其技術(shù)人員的素質(zhì)和能力要求越來越高，尤其強(qiáng)調(diào)技術(shù)人員的模具設(shè)計(jì)水平和實(shí)踐操作能力。目前，我國高職模具專業(yè)人才的培養(yǎng)，雖然越來越重視實(shí)訓(xùn)教學(xué)，但由于受實(shí)訓(xùn)教學(xué)條件限制，教學(xué)與生產(chǎn)崗位脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生畢業(yè)后在生產(chǎn)崗位上還要接受較長時(shí)間的再培訓(xùn)，不能夠滿足現(xiàn)代模具企業(yè)對技術(shù)應(yīng)用型專門人才的迫切需求。虛擬模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)避開了由于實(shí)訓(xùn)場地、設(shè)備、經(jīng)費(fèi)的制約，將有力推動模具技術(shù)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用于高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的意義

目前，我國高職院校模具專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，大多延續(xù)著“以教促學(xué)”的傳統(tǒng)教學(xué)方法，例如，在模具結(jié)構(gòu)認(rèn)知教學(xué)中，教師通過模具結(jié)構(gòu)示意圖，示范模具拆裝過程進(jìn)行教學(xué)，但由于模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組件多，因此，學(xué)生無法真正認(rèn)知模具內(nèi)部的工作狀態(tài)，影響模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)營造了“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學(xué)習(xí)方式。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)是理論與實(shí)踐之間一座新的橋梁,既是實(shí)踐教學(xué)手段，也是實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。積極地開展虛擬技術(shù)的實(shí)訓(xùn)，可以較好地提升高職模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效果、效率及效益。

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的含意

具體地說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響[1]，從而產(chǎn)生如同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。盡管該環(huán)境并不真實(shí)存在，但它作為一個(gè)逼真的三維環(huán)境，仿佛就在我們周圍。由于用戶對計(jì)算機(jī)環(huán)境的虛擬物體產(chǎn)生了類似于對現(xiàn)實(shí)物體的存在意識或幻覺，用戶在計(jì)算機(jī)所創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中處于一種全身心投入的感覺狀態(tài)，而這種環(huán)境非常適合學(xué)生的學(xué)習(xí)心理，他們就像玩游戲一樣，一邊享受視覺沖擊，接收知識，一邊練就技能。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對高職院校模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)的意義

創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)的“模具實(shí)訓(xùn)工廠”情境，完成模具三維設(shè)計(jì)、模具零件制造、動態(tài)拆裝、模具注塑工藝仿真等，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)課堂教學(xué)仿真化，使得校內(nèi)實(shí)訓(xùn)和企業(yè)實(shí)訓(xùn)無界化，不但提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，而且突破模具專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)困境，促進(jìn)模具專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，有效提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)水平[2]。

1.應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)突破模具專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)困境。高職院校模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)的學(xué)生實(shí)訓(xùn)課程包含：模具三維設(shè)計(jì)、模具拆裝實(shí)驗(yàn)、零件制造、試模、注塑機(jī)及電火花線切割設(shè)備操作等環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，普遍存在三方面問題：其一，傳統(tǒng)灌輸式的教學(xué)方式，使得學(xué)生缺乏對現(xiàn)實(shí)性問題的思考和判斷。當(dāng)然，學(xué)生對知識的應(yīng)用能力就存在質(zhì)疑；其二，在傳統(tǒng)的模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，由于學(xué)生人數(shù)較多，經(jīng)常會遇到實(shí)訓(xùn)設(shè)備、實(shí)訓(xùn)場地、實(shí)訓(xùn)經(jīng)費(fèi)等的限制，致使一些必要的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)無法開展；其三，模具實(shí)訓(xùn)帶有較高危險(xiǎn)性。例如，模具拆裝時(shí)的吊裝不慎，導(dǎo)致人員砸傷；注塑過程中，料溫高達(dá)200多度，可能存在燙傷等安全隱患。

而基于虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)的模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)，采用模具三維動畫虛擬設(shè)計(jì)、虛擬模具加工、虛擬模具拆裝，以及注塑工藝虛擬模擬等方式，使學(xué)生在虛擬環(huán)境下，體驗(yàn)游戲式的闖關(guān)實(shí)訓(xùn)，增強(qiáng)趣味性，以達(dá)到人人參與、人人動手的目標(biāo)和事半功倍的效果，突破了模具實(shí)訓(xùn)的教學(xué)困境。

2.憑借虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)模具專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。學(xué)習(xí)模具專業(yè)知識和技能最好的方法就是“項(xiàng)目教學(xué)”[3]。然而在這個(gè)過程中，如果要實(shí)現(xiàn)每個(gè)學(xué)生一副模具，就需購置大量的實(shí)訓(xùn)耗材以及模具制造過程中的多種特種加工設(shè)備，給學(xué)校帶來較大的經(jīng)濟(jì)壓力。另外，模具零件的加工精度要求高，而學(xué)生操作加工設(shè)備不熟練，導(dǎo)致設(shè)備誤操作損壞和大量報(bào)廢件的出現(xiàn)，因此，許多高校模具專業(yè)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)往往被簡化，甚至被取消，從而影響了模具專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)全面考慮了模具實(shí)訓(xùn) “項(xiàng)目教學(xué)”的要求，在開發(fā)時(shí)，將模具專業(yè)實(shí)訓(xùn)各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行分組，每組配上對應(yīng)的項(xiàng)目案例及項(xiàng)目任務(wù)，學(xué)生自主選擇項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目要求執(zhí)行實(shí)訓(xùn)任務(wù)。在虛擬空間里，學(xué)生可以盡情發(fā)揮自己想象力，大膽的設(shè)計(jì)。當(dāng)項(xiàng)目任務(wù)執(zhí)行完成后，虛擬平臺的評價(jià)模塊給出成績，并對實(shí)訓(xùn)過程的不當(dāng)之處進(jìn)行點(diǎn)評，給出最佳方案，以此來及時(shí)糾正不當(dāng)之處。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，減少了學(xué)校在購置實(shí)訓(xùn)設(shè)備和實(shí)訓(xùn)耗材上的開支，又實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目教學(xué)法的任務(wù)要求，從而真正實(shí)現(xiàn)了模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)的目標(biāo)。

3.創(chuàng)建虛擬仿真實(shí)訓(xùn)場景能有效提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。學(xué)生的能力培養(yǎng)不單單是簡單的操作訓(xùn)練，還應(yīng)包括收集和選擇信息的能力、解決問題的能力、創(chuàng)新能力和適應(yīng)能力等，也就是培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。實(shí)訓(xùn)有利于學(xué)生綜合職業(yè)能力的全面培養(yǎng)，因此，模具虛擬實(shí)訓(xùn)場景應(yīng)符合學(xué)生能力培養(yǎng)宗旨，它主要用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)的三維動態(tài)多媒體仿真，通過專門的虛擬平臺，使學(xué)生在虛擬的實(shí)訓(xùn)場景中，直觀看到模具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制件成型過程、模具組裝過程以及模具在成型機(jī)上的工作過程，并在虛擬情景下，讓學(xué)生訓(xùn)練模具的設(shè)計(jì)、制造、組裝和成型，使學(xué)生主動學(xué)習(xí)，有效提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果[4][5]。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提升高職模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)有效性的具體途徑

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前在軍事、航空、航天、建筑、交通等可視化領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，而用于高職院校的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，還處于初期階段，不管在技術(shù)還是在制度上都不完善。因此，為了提升高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效性，應(yīng)采取以下途徑來實(shí)現(xiàn)：

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高職實(shí)訓(xùn)教學(xué)需進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革

首先，進(jìn)行教學(xué)模式的改革。改革“以教促學(xué)”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，積極推進(jìn)基于工學(xué)結(jié)合的教學(xué)模式，創(chuàng)設(shè)與模具專業(yè)學(xué)生未來工作的職業(yè)情境密切相關(guān)的教學(xué)情境，為學(xué)生掌握職業(yè)崗位營造認(rèn)知環(huán)境和載體。高職院校一方面可以通過使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)手段創(chuàng)設(shè)基于工作的、模仿從業(yè)者真實(shí)活動的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境情境，來提高學(xué)習(xí)的有效性；另一方面還應(yīng)積極探索情境體驗(yàn)教學(xué)的有效形式，推進(jìn)“生產(chǎn)性實(shí)習(xí)”、“項(xiàng)目化教學(xué)”、“任務(wù)驅(qū)動教學(xué)”等各種形式的情境體驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施，使學(xué)生在對情境問題的探索中形成職業(yè)意識，提升職業(yè)能力與素質(zhì)。

其次，進(jìn)行課程體系改革。傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要以教師講授為主，理論教學(xué)占據(jù)整個(gè)課時(shí)的70%至80%，而高職院校主要培養(yǎng)一線應(yīng)用性人才，旨在學(xué)生對所學(xué)知識的應(yīng)用能力和實(shí)踐操作能力。因此，傳統(tǒng)課程體系已落后于高職院校學(xué)生的培養(yǎng)宗旨，必須盡快擺脫傳統(tǒng)的“實(shí)踐是理論的應(yīng)用”的哲學(xué)邏輯順序，遵循“工作過程導(dǎo)向”的實(shí)踐邏輯順序，來構(gòu)建課程體系。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給課程體系改革提供了平臺，使得學(xué)生在教學(xué)過程中，邊學(xué)邊做、做中學(xué)、學(xué)中做，有效提升教學(xué)有效性。

第三，進(jìn)行教學(xué)條件的更新。傳統(tǒng)授課方式以多媒體教學(xué)為主，通過多媒體演示講授課程內(nèi)容，學(xué)生通過視覺和聽覺單向接收知識，這種灌輸式的教學(xué)方式，使得學(xué)生缺乏對現(xiàn)實(shí)性問題的思考和判斷。當(dāng)然，學(xué)生對知識的應(yīng)用能力就存在質(zhì)疑了。如果將課堂教學(xué)遷入到虛擬世界，教師在虛擬環(huán)境中授課，學(xué)生通過學(xué)中做、做中學(xué)等途徑，身臨其境體驗(yàn)?zāi)＞叩脑O(shè)計(jì)和制造過程，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，將有效提高學(xué)習(xí)效率[6][7]。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高職模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)需組建高素質(zhì)、專業(yè)化的教師隊(duì)伍

高職教師是高職院校教學(xué)活動的具體實(shí)施者和教學(xué)效能的主導(dǎo)者，高職院校有效教學(xué)的實(shí)施離不開綜合素質(zhì)高、專業(yè)化強(qiáng)的高職教師。以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提升高職院校模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效性，離不開掌握現(xiàn)代教學(xué)方法、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的專業(yè)骨干教師，因此，在教師個(gè)體素質(zhì)上提出了較高的要求。

1.個(gè)體素質(zhì)的要求。首先，教師必須嫻熟的掌握虛擬平臺的操作方法，能夠自主開發(fā)或更新虛擬平臺，不斷完善虛擬平臺。其次，教師必須具備敏銳的洞察力和前瞻的預(yù)測能力、很強(qiáng)的辨別能力和判斷能力，他不僅是模具專業(yè)的行家，而且還要求能創(chuàng)造性地提出問題，并引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)訓(xùn)過程中遇到的問題。

2.一線專業(yè)技能鍛煉，培養(yǎng)“雙師型”教師。高職院校通過經(jīng)常性地選派教師深入生產(chǎn)、管理一線進(jìn)行實(shí)踐鍛煉，使教師在工作現(xiàn)場親身感受技術(shù)與崗位的最新變化，深入體悟、反思，并積極向一線專家和技術(shù)能手學(xué)習(xí)，從而不斷發(fā)展自身的專業(yè)實(shí)踐知識與技能，成為名符其實(shí)的“雙師型”教師。

3.吸收企業(yè)技術(shù)人員參與教學(xué)。企業(yè)一線技術(shù)人員有著豐富的實(shí)踐操作能力，以及對模具故障診斷和排查能力，這是高職院校實(shí)踐教學(xué)所需的。他們的參與，能夠有效改變以理論教學(xué)為主的傳統(tǒng)教學(xué)方式，像師傅帶徒弟一樣，遇到問題解決問題。技術(shù)人員指導(dǎo)學(xué)生帶有企業(yè)的工作特征，無形之中使學(xué)生融入到工作情景之中，也為虛擬實(shí)訓(xùn)和現(xiàn)實(shí)對接搭建了橋梁[8]。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高職模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)需合理開發(fā)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺

模具實(shí)訓(xùn)虛擬平臺開發(fā)應(yīng)符合模具專業(yè)人才培養(yǎng)要求，與崗位環(huán)境情景相符，逼真的反映實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。首先，虛擬實(shí)訓(xùn)平臺的開發(fā)需要來自企業(yè)的專業(yè)模具設(shè)計(jì)人員參與制定，使實(shí)訓(xùn)教學(xué)與企業(yè)崗位對接。其次，虛擬實(shí)訓(xùn)平臺的模塊結(jié)構(gòu)合理，充分反映崗位要求。模具實(shí)訓(xùn)在主體模塊上應(yīng)包含：輔助學(xué)習(xí)模塊、訓(xùn)練模塊和評價(jià)模塊。輔助學(xué)習(xí)模塊主要給予學(xué)生熟悉模具崗位職責(zé)、實(shí)訓(xùn)目標(biāo)、流程、內(nèi)容以及案例導(dǎo)航等自主學(xué)習(xí)內(nèi)容。訓(xùn)練模塊提供實(shí)訓(xùn)過程中需掌握的相關(guān)知識、技能，并將訓(xùn)練難度分為“易、中、難”，訓(xùn)練模式設(shè)置成為游戲式的闖關(guān)實(shí)訓(xùn)，增強(qiáng)了趣味性。當(dāng)一項(xiàng)訓(xùn)練任務(wù)完成后，評價(jià)模塊能有效的對操作過程中的誤操作進(jìn)行點(diǎn)評和提示，及時(shí)糾正不規(guī)范的操作或錯(cuò)誤的操作，給出最佳方案。虛擬平臺框架如圖1所示：

圖1

三、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)，對提高現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)教育水平、改善實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程、培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的人才產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并將有助于解決不可視、不可摸、不可入、危險(xiǎn)性場所的實(shí)訓(xùn)等問題，解決高校普遍存在的教學(xué)場地、設(shè)備等條件的制約。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的集成性、控制性和交互性的特點(diǎn)，還可向網(wǎng)絡(luò)學(xué)校、虛擬教育延伸。

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浙江省教科規(guī)劃課題，項(xiàng)目編號：SC170；臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院教育教學(xué)專項(xiàng)課題“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用探索”，項(xiàng)目編號：2009ZX02。

李金國（1979-），男，浙江人臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，博士生，研究方向?yàn)槟＞咴O(shè)計(jì)與制造。

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A

1001-7518（2010）03-0069-03

責(zé)任編輯 吳學(xué)仕