健康制造虛擬仿真實訓(xùn)中心建設(shè)與實踐研究

摘要：本文闡述了作者所在學(xué)校的健康制造虛擬仿真實訓(xùn)中心利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、云計算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多元化信息技術(shù)，構(gòu)建了虛實結(jié)合的實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境，通過自主開發(fā)和技術(shù)引進相結(jié)合建設(shè)了豐富的虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)資源，深入探索了“以培養(yǎng)食品藥品類職業(yè)技能人才為目標(biāo)，支持實訓(xùn)教學(xué)、創(chuàng)新實踐教學(xué)和探索教育規(guī)律為主線”的VR技術(shù)應(yīng)用模式，為食品藥品類學(xué)校實訓(xùn)教學(xué)和企業(yè)職業(yè)技能培訓(xùn)提供了良好支持，促進了學(xué)習(xí)者職業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實訓(xùn)；健康制造；實踐改革；虛擬現(xiàn)實技術(shù)

中圖分類號：G712 文獻標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2019）05-0110-03

隨著“中國制造2025戰(zhàn)略”“健康中國2030規(guī)劃綱要”的實施和國家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的推進，健康制造類專業(yè)實訓(xùn)迫切需要變革，以培養(yǎng)符合健康制造產(chǎn)業(yè)需要的專業(yè)技能型及跨學(xué)科創(chuàng)新型人才。為解決傳統(tǒng)條件下因受到設(shè)備、實訓(xùn)空間、實踐周期、建設(shè)與維護經(jīng)費、人員等因素限制，學(xué)生難以在真實的工作情境下學(xué)習(xí)和實踐的問題，我們利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用推進健康類專業(yè)的實踐教學(xué)改革，以培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能和創(chuàng)新意識。

實訓(xùn)教學(xué)中存在的問題

健康制造類專業(yè)實訓(xùn)要求學(xué)生能夠掌握專業(yè)相關(guān)的理論知識和技能，并能在未來工作實踐中靈活運用和創(chuàng)新。目前，大部分職業(yè)院校按照“教室集中講授理論+校內(nèi)實訓(xùn)基地集中操作+校外集中實習(xí)”的順序依次開展教學(xué)，這種教學(xué)方式存在著幾方面的困難：一是由于教學(xué)周期跨度長，容易導(dǎo)致理論知識和實踐技能之間的銜接出現(xiàn)困難；二是由于部分設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)過程密封操作、生產(chǎn)運行成本高、生產(chǎn)周期長、部分操作存在安全風(fēng)險等原因，導(dǎo)致學(xué)生即使在生產(chǎn)現(xiàn)場也可能“看不見”“摸不到”，更“動不了”，難以進入深度學(xué)習(xí)狀態(tài)；三是無法“做中測”一直是技能考核的一大難題。作為教育領(lǐng)域的技術(shù)風(fēng)向標(biāo)，美國NMC《地平線報告》曾多次將虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）列入解決深度學(xué)習(xí)矛盾的關(guān)鍵技術(shù)。虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)是對傳統(tǒng)物理環(huán)境中實訓(xùn)教學(xué)的必要補充，對于改進實訓(xùn)教學(xué)模式、體系、方法手段等具有積極促進作用。

中心構(gòu)建

1.總體設(shè)計思路

建立包含學(xué)校管理者、研發(fā)人員、學(xué)科教師、企業(yè)專家、學(xué)生等不同領(lǐng)域的跨界團隊，將“以學(xué)生為中心、虛實融合、協(xié)同創(chuàng)新”作為建設(shè)理念，在經(jīng)驗學(xué)習(xí)、混合學(xué)習(xí)、游戲?qū)W習(xí)、交互學(xué)習(xí)、創(chuàng)客教育等理論指導(dǎo)下，圍繞GMP生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范，通過自主開發(fā)和技術(shù)引進相結(jié)合，利用VR技術(shù)，針對真實工廠環(huán)境、建筑、設(shè)備、機器、原料、產(chǎn)品、生產(chǎn)線等基礎(chǔ)設(shè)施進行3D仿真模擬，構(gòu)建具有仿真模擬、交互的虛擬工廠和車間，供學(xué)生開展基于真實工作過程的仿真模擬學(xué)習(xí)，同時建設(shè)桌面式VR實訓(xùn)機房和沉浸式VR實訓(xùn)室，并通過云計算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多元信息化技術(shù)將虛擬實訓(xùn)環(huán)境和真實的實訓(xùn)環(huán)境連接在一起，構(gòu)建虛實融合的實訓(xùn)環(huán)境，為學(xué)校實訓(xùn)教學(xué)、企業(yè)職業(yè)培訓(xùn)提供服務(wù)，從而改進教學(xué)，提升學(xué)生職業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)。

2.主要建設(shè)內(nèi)容

在調(diào)研了健康制造類企業(yè)人才需求、崗位需求、職業(yè)資格需求基礎(chǔ)上，我們根據(jù)學(xué)校相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，依托虛擬仿真實訓(xùn)中心和虛擬仿真研發(fā)工作室，建設(shè)虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境和資源，推動實踐教學(xué)改革創(chuàng)新，具體建設(shè)內(nèi)容如右圖所示。

（1）構(gòu)建虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境

為了優(yōu)化實訓(xùn)教學(xué)硬件環(huán)境，建成了13個桌面式VR實訓(xùn)機房、2個沉浸式VR實訓(xùn)教學(xué)體驗區(qū)，為開展虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)提供教學(xué)場地和設(shè)備，并統(tǒng)一管理；為了整合各類虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)資源并實現(xiàn)分布式管理，建設(shè)了云計算平臺和VR教學(xué)資源管理平臺。此外，為了培養(yǎng)和發(fā)展團隊VR實訓(xùn)資源的自主開發(fā)能力，構(gòu)建了虛擬仿真研發(fā)工作室，為學(xué)校VR實訓(xùn)教學(xué)資源的自主開發(fā)、技術(shù)引進、指導(dǎo)學(xué)生開展基于STEAM的VR開發(fā)項目、為企業(yè)提供VR技術(shù)服務(wù)等提供了支持。

（2）建設(shè)虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)資源

采用自主開發(fā)和技術(shù)引進相結(jié)合的方式開展虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)資源的建設(shè)。在自主開發(fā)方面，將真實條件下難以供學(xué)生深度觀察和參與操作的健康制造類工作任務(wù)分解為崗位任務(wù)。利用3DMax技術(shù)對工廠建筑、車間布局、機器、設(shè)備、生產(chǎn)線等進行仿真建模，利用Unity 3D和Quest 3D等技術(shù)將這些3D模型轉(zhuǎn)換為具有高度交互性的學(xué)習(xí)情境，具備虛擬漫游、360度全景查看、虛擬仿真崗位操作、虛擬技能考核等學(xué)習(xí)功能，促進了學(xué)生直觀深度地觀察、體驗、反復(fù)操作和完成過程性評價，從而無縫銜接真實情境下的工作任務(wù)。

（3）推動實踐教學(xué)改革創(chuàng)新

我們采用基于設(shè)計的研究，完成需求分析、方案設(shè)計、VR環(huán)境建設(shè)、資源開發(fā)、應(yīng)用推廣等過程，探索VR技術(shù)應(yīng)用模式：一是基于混合學(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，在實訓(xùn)教學(xué)中將“虛擬工廠”等虛擬仿真教學(xué)資源作為教師教學(xué)演示工具和學(xué)習(xí)者認(rèn)知工具，支持教學(xué)演示、探究學(xué)習(xí)和過程性評價，實現(xiàn)了“講授+真實實訓(xùn)”的傳統(tǒng)教學(xué)模式向“在線自主學(xué)習(xí)+虛擬實訓(xùn)+面授教學(xué)+真實實訓(xùn)”的混合教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變；二是以3D建模技術(shù)和VR交互技術(shù)作為教學(xué)內(nèi)容，開設(shè)VR技術(shù)相關(guān)課程，并通過開展虛擬仿真實踐項目培養(yǎng)學(xué)生的開發(fā)能力、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力；三是將VR技術(shù)作為切入點，開展教育應(yīng)用，探索VR環(huán)境下的教與學(xué)規(guī)律。

實踐創(chuàng)新案例

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，作為傳統(tǒng)行業(yè)的中藥飲片、中成藥產(chǎn)業(yè)也由過去小規(guī)模手工生產(chǎn)快速向工業(yè)化過渡。目前，中藥制藥類專業(yè)主要通過物理工廠（或車間）的方式開展實訓(xùn)教學(xué)，存在一定的局限性。例如，提取分離崗位實訓(xùn)要求掌握超臨界萃取、多功能提取、膜分離等崗位的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程，需要學(xué)生理解和掌握相關(guān)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理及工藝流程，傳統(tǒng)實訓(xùn)條件下學(xué)生只能通過照片、視頻和持續(xù)2.5天的15～20人一組的現(xiàn)場實訓(xùn)完成教學(xué)內(nèi)容，無法直接觀察設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和體驗完整的工藝流程。特別是超臨界萃取裝置設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝流程復(fù)雜，具有一定危險性，且真實設(shè)備擺放布局反映不出實際的工藝流程，學(xué)生難以直觀理解。因此，我們利用3DMax建模技術(shù)和Quest 3D交互技術(shù)將超臨界萃取設(shè)備按照實際的工藝流程重新建模布局，學(xué)生通過虛擬操作即可快速理解設(shè)備原理和工藝流程，每位學(xué)生都可以深度體驗和參與崗位實訓(xùn)，且能夠反復(fù)訓(xùn)練，不用擔(dān)心因操作帶來的風(fēng)險和成本，解決了過去超臨界萃取實訓(xùn)教學(xué)中存在的難以觀察設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和反應(yīng)，難以深入理解工藝流程以及難以反復(fù)訓(xùn)練操作等問題。

結(jié)語

歷經(jīng)八年多的持續(xù)建設(shè)與實踐，我們?nèi)〉昧艘欢ǖ某煽?，支持了多個專業(yè)和多門課程的實踐教學(xué)改革。未來，我們還將在有效利用虛擬仿真實驗促進教育教學(xué)改革的道路上繼續(xù)探索。

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作者簡介：段丹萍，女，講師/工程師，研究方向為數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境/資源的建設(shè)與應(yīng)用、計算機軟件技術(shù)與應(yīng)用。項朝陽，男，副教授/高級工程師，主要從事虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)與應(yīng)用。

基金項目：全國教育信息技術(shù)研究2017年度專項課題“具身認(rèn)知視域下VR實訓(xùn)教學(xué)模式研究”（項目編號：176130054）和2016年度廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院科研項目（人文社科類）“大專學(xué)生虛擬仿真學(xué)習(xí)沉浸體驗與行為研究”（項目編號：301009A1627）。