VR技術(shù)在食品藥品類高職實(shí)踐教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

項(xiàng)朝陽(yáng) 段丹萍 賀昉 汪小根 莊義修

摘 要：文章針對(duì)食品藥品類專業(yè)存在的實(shí)踐教學(xué)資源普遍不足、教學(xué)難點(diǎn)多且不易解決、資源分散難以滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)需求等問(wèn)題，采用VR技術(shù)開發(fā)“虛擬工廠”，整合相關(guān)VR實(shí)踐教學(xué)資源，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，創(chuàng)新“以培養(yǎng)食品藥品類職業(yè)技能人才為目標(biāo)，虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境相結(jié)合，以支持實(shí)訓(xùn)教學(xué)、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)、開展研究為主線”的VR技術(shù)應(yīng)用模式，實(shí)現(xiàn)了“講授+真實(shí)實(shí)訓(xùn)”的傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式向“在線自主學(xué)習(xí)+虛擬實(shí)訓(xùn)+面授教學(xué)+真實(shí)實(shí)訓(xùn)”的混合實(shí)踐教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；食品藥品類職業(yè)人才；實(shí)訓(xùn)教學(xué)；高職教育

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2018）18-0032-03

一、引言

我國(guó)職業(yè)院校對(duì)食品藥品類專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，主要與國(guó)家中（高）級(jí)的職業(yè)資格（如乳制品加工人員、農(nóng)產(chǎn)品食品檢驗(yàn)員、藥物制劑人員、中藥飲片加工人員等）以及食品藥品類行業(yè)企業(yè)對(duì)技能型人才的需求相銜接。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)技能和創(chuàng)新品質(zhì)的關(guān)鍵，但由于受到建設(shè)經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、資源等各種條件的限制，構(gòu)建完善的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)條件已經(jīng)成為眾多職業(yè)院校亟待解決的難題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以高度仿真的方式為用戶創(chuàng)建了一個(gè)可觀察、可交互操作的反映事物內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行規(guī)律、相互作用過(guò)程、狀態(tài)變化等的三維虛擬世界，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)生活中看不見、進(jìn)不去、摸不到和動(dòng)不了的事物和現(xiàn)象的沉浸體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于職業(yè)教育，能為操作、設(shè)計(jì)、解剖等方面的實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)變革，這些教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段的變化又促進(jìn)了教學(xué)理念的更新，其影響是深遠(yuǎn)的。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)食品藥品類加工工藝過(guò)程的交互型虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)較少。中國(guó)藥科大學(xué)開發(fā)的GMP仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、藥物制劑工程學(xué)等教學(xué)軟件，采用圖片、錄像介紹了部分制藥設(shè)備的外觀、結(jié)構(gòu)、原理以及車間質(zhì)量管理規(guī)范，并以動(dòng)畫演示個(gè)別設(shè)備的工作原理，但側(cè)重突出部分設(shè)備性能，缺少中藥前處理及中間體制備等內(nèi)容，且沒有對(duì)全生產(chǎn)過(guò)程的仿真模擬[1]。廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院于2006年開發(fā)了中藥制藥實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)軟件，該軟件模擬了中藥制藥生產(chǎn)的流轉(zhuǎn)工藝，屬于通用制藥類生產(chǎn)架構(gòu)，在操作逼真度、界面友好性和智能化控制等方面仍然存在缺陷和瓶頸。

針對(duì)國(guó)內(nèi)缺少全生產(chǎn)周期過(guò)程的中藥制藥虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，結(jié)合高職實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀及需求，自2011年以來(lái)，我們組建了一支由食品加工學(xué)、中藥學(xué)、教育技術(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等專業(yè)領(lǐng)域?qū)＜医M成的團(tuán)隊(duì)，以“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)-跨界協(xié)同”的方式，采用VR技術(shù)開發(fā)了“虛擬工廠”，通過(guò)整合相關(guān)VR實(shí)踐教學(xué)資源，構(gòu)建了基于多元化信息技術(shù)的虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，創(chuàng)新了“以培養(yǎng)食品藥品類職業(yè)技能人才為目標(biāo)，虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境相結(jié)合，以支持實(shí)訓(xùn)教學(xué)、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)、開展研究為主線”的VR技術(shù)應(yīng)用模式，實(shí)現(xiàn)了“講授+真實(shí)實(shí)訓(xùn)”的傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式向“在線自主學(xué)習(xí)+虛擬實(shí)訓(xùn)+面授教學(xué)+真實(shí)實(shí)訓(xùn)”的混合實(shí)踐教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。

二、擬解決的教育教學(xué)問(wèn)題

一直以來(lái)，高職實(shí)踐教學(xué)主要存在著三方面的問(wèn)題：①高職實(shí)踐教學(xué)一般采取大班教學(xué)的方式進(jìn)行，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)車間高昂的建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行成本使得實(shí)踐教學(xué)資源普遍不足，難以支撐大規(guī)模教學(xué)；②受各種因素制約，實(shí)踐教學(xué)難點(diǎn)多且不易解決，部分設(shè)備結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，真實(shí)條件下難以直接、深入觀察，更難以系統(tǒng)、持續(xù)地開展實(shí)訓(xùn)，雖然VR技術(shù)已作為職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的重要支持手段，但能夠深度反映生產(chǎn)工藝流程的系統(tǒng)卻很少；③因受到場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)投入等因素限制，食品藥品類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)資源分散，不利于校內(nèi)實(shí)訓(xùn)車間、校外實(shí)訓(xùn)基地、虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源等的共享使用，難以滿足學(xué)習(xí)者個(gè)性化學(xué)習(xí)的需要。針對(duì)這些問(wèn)題，我們采取了以下措施：

1.開發(fā)“虛擬工廠”，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)成本高、實(shí)踐教學(xué)資源不足且分散等問(wèn)題，運(yùn)用3Dsmax、Unity3D和Quest3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開發(fā)“虛擬工廠”，并基于云計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多元化信息技術(shù)，整合相關(guān)數(shù)字化實(shí)踐教學(xué)軟、硬件資源，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境。

2.利用VR技術(shù)，突破實(shí)踐教學(xué)難點(diǎn)

利用VR技術(shù)創(chuàng)建具有深度臨場(chǎng)感、沉浸感和交互性的虛擬世界。通過(guò)漫游、360度全景、逼真的視音頻特效、實(shí)時(shí)的交互和反饋等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工廠、車間的場(chǎng)景和布局、設(shè)備結(jié)構(gòu)與原理、崗位操作與考核等的仿真模擬，便于激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，開展直觀深入的觀察學(xué)習(xí)、體驗(yàn)學(xué)習(xí)和自我評(píng)價(jià)，同時(shí)縮短了實(shí)訓(xùn)周期，全面提升實(shí)踐教學(xué)。

3.基于混合學(xué)習(xí)理念，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的混合實(shí)踐教學(xué)模式

基于混合學(xué)習(xí)理念，混合多元化信息技術(shù)、多種教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式，重構(gòu)教學(xué)次序，構(gòu)建了虛實(shí)結(jié)合的混合實(shí)踐教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)了“講授+真實(shí)實(shí)訓(xùn)”的傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式向“在線自主學(xué)習(xí)+虛擬實(shí)訓(xùn)+面授教學(xué)+真實(shí)實(shí)訓(xùn)”的混合實(shí)踐教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。

三、創(chuàng)新應(yīng)用的探索

1.基于多元技術(shù)構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合仿真教學(xué)環(huán)境

利用云計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等手段整合各類虛擬仿真教學(xué)資源，如有條件也可根據(jù)學(xué)校特色自主開發(fā)虛擬工廠，全校師生均可利用校內(nèi)實(shí)訓(xùn)機(jī)房、辦公電腦、VR設(shè)備、校外PC、移動(dòng)終端等，隨時(shí)隨地對(duì)整合的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源進(jìn)行訪問(wèn)，使得多媒體教室、計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)室、校內(nèi)校外實(shí)訓(xùn)基地等教學(xué)場(chǎng)所與云計(jì)算虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心實(shí)現(xiàn)了零距離對(duì)接，構(gòu)建良好的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，整體的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

2.創(chuàng)新了VR技術(shù)在高職實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用模式

VR技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)的最終目的是為人才培養(yǎng)服務(wù)。在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，形成了VR技術(shù)在食品藥品類職業(yè)人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用模式，如圖2所示。

（1）將VR技術(shù)作為技術(shù)手段，支持實(shí)訓(xùn)教學(xué)

基于混合學(xué)習(xí)理念，混合多元化信息技術(shù)、多種教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式，將“虛擬工廠”等虛擬仿真教學(xué)軟件在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中作為教師教學(xué)演示工具和學(xué)習(xí)者認(rèn)知工具，支持教學(xué)演示、自主探究學(xué)習(xí)和自我評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了“講授+真實(shí)實(shí)訓(xùn)”的傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式向“在線自主學(xué)習(xí)+虛擬實(shí)訓(xùn)+面授教學(xué)+真實(shí)實(shí)訓(xùn)”的混合實(shí)踐教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，如圖3所示。

（2）將VR技術(shù)作為教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)

以3D建模技術(shù)和VR交互技術(shù)為教學(xué)內(nèi)容，開設(shè)了《3Dsmax建?！泛汀禪nity 3D開發(fā)基礎(chǔ)》課程，并通過(guò)開展虛擬仿真實(shí)踐項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生的開發(fā)能力、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。組織學(xué)生團(tuán)隊(duì)參加“挑戰(zhàn)杯”等各類課外學(xué)術(shù)科技作品創(chuàng)作比賽，提升創(chuàng)新實(shí)踐能力。

（3）將VR技術(shù)作為切入點(diǎn)，探索教育規(guī)律

以技術(shù)接受模型和沉浸理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了基于VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)行為意向影響因素模型，通過(guò)實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)：沉浸體驗(yàn)、感知易用性和感知有用性顯著正向影響學(xué)習(xí)行為意向；沉浸體驗(yàn)、感知易用性和感知有用性受到VR特性和計(jì)算機(jī)自我效能的正向影響；感知有用性受到組織管理的正向影響[2]，為VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用提供了策略性建議。

四、應(yīng)用效果

1.顯著提升了學(xué)生職業(yè)技能水平和教師信息化教學(xué)能力

本成果在廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院應(yīng)用于22門課程，支持了4個(gè)省重點(diǎn)（品牌）專業(yè)和3個(gè)國(guó)家級(jí)及省級(jí)高職教育實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)，可同時(shí)參與虛擬實(shí)訓(xùn)的學(xué)生數(shù)為真實(shí)實(shí)訓(xùn)的12倍，基于VR的實(shí)訓(xùn)周學(xué)時(shí)為過(guò)去的50%。通過(guò)開展基于VR實(shí)訓(xùn)的混合教學(xué)，教學(xué)質(zhì)量明顯提升，學(xué)生在“挑戰(zhàn)杯”等技能大賽中多次獲獎(jiǎng)，多位教師在國(guó)家、省級(jí)信息化教學(xué)大賽中取得佳績(jī)。

2.創(chuàng)新了VR技術(shù)在食品藥品類實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用模式

突破傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)，依托多元化信息技術(shù)的虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，基于教育學(xué)、心理學(xué)等理論，創(chuàng)新了“以培養(yǎng)食品藥品類職業(yè)技能人才為目標(biāo)，虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境相結(jié)合，以支持實(shí)訓(xùn)教學(xué)、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)、開展研究為主要線索”的 VR技術(shù)在食品藥品類職業(yè)人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用模式。為相關(guān)職業(yè)院校和行業(yè)企業(yè)開展仿真實(shí)訓(xùn)資源建設(shè)和應(yīng)用提供了實(shí)施路徑參考，豐富了職業(yè)教育研究成果。

3.構(gòu)建了基于VR實(shí)訓(xùn)的食品藥品類混合實(shí)踐教學(xué)模式

以職業(yè)技能人才培養(yǎng)為目標(biāo)導(dǎo)向，基于混合學(xué)習(xí)理念，混合多元化信息技術(shù)、多種教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式，構(gòu)建了基于VR實(shí)訓(xùn)的食品藥品類混合實(shí)踐教學(xué)模式，支持職業(yè)院校、行業(yè)企業(yè)食品藥品類多個(gè)專業(yè)開展實(shí)踐教學(xué)與培訓(xùn)，顯著提升了學(xué)生的職業(yè)技能水平。此外，以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，采用文獻(xiàn)研究、問(wèn)卷調(diào)查、結(jié)構(gòu)方程模型等方法，開展了實(shí)證研究，探索了基于VR實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)行為意向的影響因素，豐富了VR環(huán)境下有關(guān)學(xué)生學(xué)習(xí)行為的研究成果。

4.總結(jié)了食品藥品類虛擬工廠的開發(fā)方法

根據(jù)食品藥品類工廠的特征、設(shè)備加工工藝過(guò)程和操作規(guī)律，從仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，結(jié)合Unity3D和Quest3D開發(fā)平臺(tái)的技術(shù)特性，將仿真內(nèi)容歸納為虛擬場(chǎng)景、動(dòng)態(tài)物體、觸發(fā)與控制、數(shù)據(jù)與屬性關(guān)聯(lián)、生產(chǎn)流程流向控制五大部分，并總結(jié)其表現(xiàn)特征和開發(fā)方法，見表1。

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（編輯：魯利瑞）