職業(yè)院校虛擬仿真學(xué)習(xí)資源的建設(shè)與思考*
——以高職糧食工程專業(yè)為例

白桂彩

2013 年教育部啟動了國家級虛擬仿真教學(xué)中心建設(shè)工程，2017 年《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出推進建設(shè)網(wǎng)絡(luò)公共資源服務(wù)平臺，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《加快推進教育現(xiàn)代化實施方案（2018—2022年）》進一步提出促進信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合。在諸多政策引領(lǐng)下，在高職院校全面推進虛擬仿真學(xué)習(xí)資源建設(shè)已成為建設(shè)智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的重要任務(wù)。

當(dāng)前，我國高職糧食工程專業(yè)教學(xué)多采用PPT 配合板書的形式，對專業(yè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及運動原理通過圖片或動畫進行演示，學(xué)生不能自主、全方位地觀察設(shè)備結(jié)構(gòu)與運動，課堂互動性差。技能的形成主要依靠入庫實習(xí)訓(xùn)練，但由于糧食保管的特殊性，糧庫80%的時間都處于密封保管期，學(xué)生無法隨時現(xiàn)場觀察糧庫內(nèi)部設(shè)備與實踐技能，尤其是糧庫熏蒸作業(yè)，有害的磷化氫氣體使實訓(xùn)操作基本無法組織，學(xué)生不能真實進行各種典型操作，實習(xí)教學(xué)效果不佳。而虛擬仿真學(xué)習(xí)資源的應(yīng)用有利于提高課堂的互動性。將虛擬仿真學(xué)習(xí)資源引入教學(xué)后，教師在講解設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作原理、實訓(xùn)過程、安全生產(chǎn)等知識時有了系統(tǒng)的模擬演示平臺。教學(xué)中教師實時演示糧庫的虛擬操作，展示設(shè)備三維結(jié)構(gòu)；學(xué)生即時虛擬操作、互動討論，全面了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)及糧庫操作流程，增加了學(xué)習(xí)的互動性，改善了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的講練脫節(jié)問題，從而有效提升了高職人才培養(yǎng)的效果。同時，糧庫虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)也可應(yīng)用于行業(yè)員工崗位的技能培訓(xùn)工作，為現(xiàn)代數(shù)字化糧庫的管理輸送更多操作能力強的專業(yè)人才，具有廣闊的應(yīng)用市場。

一、虛擬仿真學(xué)習(xí)資源建設(shè)的影響因素

現(xiàn)代職業(yè)教育強調(diào)學(xué)習(xí)活動的情境化與個性化。學(xué)習(xí)是以資源為載體，以服務(wù)為支撐，滿足學(xué)生認知建構(gòu)與知識創(chuàng)造的過程。高職糧食工程專業(yè)教學(xué)應(yīng)以生為本，圍繞專業(yè)核心技能，通過對真實工作流程的虛擬呈現(xiàn)，將復(fù)雜知識技能轉(zhuǎn)換為實際技能，使學(xué)生在虛擬情境中了解工作場景、熟悉操作流程、規(guī)范崗位操作、培養(yǎng)職業(yè)意識，促進了糧食工程專業(yè)核心技能的形成。這種有效學(xué)習(xí)的發(fā)生，主要取決于對學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)者偏好的把握以及合理向?qū)W習(xí)者提供學(xué)習(xí)資源兩個方面。

（一）學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)偏好對資源構(gòu)建的影響

高職教育應(yīng)關(guān)注學(xué)生這一學(xué)習(xí)主體，關(guān)注其學(xué)習(xí)需求和興趣偏好，通過識別、學(xué)習(xí)、更新與量化，最終歸納出學(xué)生的學(xué)習(xí)偏好，為資源開發(fā)與定向推送提供依據(jù)。這一過程一般通過對學(xué)生的偏好數(shù)據(jù)抽取、偏好數(shù)據(jù)量化與偏好數(shù)據(jù)更新等來完成。在虛擬仿真學(xué)習(xí)資源的開發(fā)中，我們采用基于關(guān)鍵詞、矢量空間以及本體和多級學(xué)習(xí)者模型的常用技術(shù)，注重評分矩陣技術(shù)的采用，實現(xiàn)對資源的個性化推送。

（二）技術(shù)的合理使用對資源構(gòu)建的影響

學(xué)習(xí)資源是課堂中學(xué)生互動、交流、協(xié)作的基礎(chǔ)與介質(zhì)，資源與學(xué)習(xí)需求的適當(dāng)匹配是實現(xiàn)高效課堂的根本。資源的序化方法很多，可按學(xué)習(xí)主題分類序化、按知識點語義關(guān)聯(lián)序化、按學(xué)習(xí)進度序化等，然后再從提高學(xué)習(xí)效率出發(fā)進行資源聚類。比如，可采用個性化推薦技術(shù)實現(xiàn)相似學(xué)生興趣資源的聚類，從而實現(xiàn)向相鄰學(xué)生推薦相似資源的目的。但要實現(xiàn)持續(xù)的資源服務(wù)，關(guān)鍵是對學(xué)習(xí)資源的不斷開發(fā)。

構(gòu)建高職糧食工程專業(yè)虛擬仿真學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)時，應(yīng)遵循先進實用、高度集成、穩(wěn)定可靠等基本原則；應(yīng)選擇成熟平臺，支持國際標(biāo)準(zhǔn)，符合技術(shù)最新發(fā)展潮流；應(yīng)既易于安裝使用又便于工程連接，預(yù)留新功能擴充接口，形成一體化協(xié)作的整體，能長期穩(wěn)定工作。

二、虛擬仿真學(xué)習(xí)資源的構(gòu)建

（一）虛擬仿真學(xué)習(xí)資源的建設(shè)思路

圍繞糧食工程專業(yè)的核心技能，從漫游、仿真、考核、管理等方面構(gòu)建沉浸式的糧庫虛擬仿真學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)。學(xué)生在虛擬崗位通過信息的選擇、加工、處理和存儲，以及與人協(xié)作、溝通和交流等，開展自主學(xué)習(xí)，最終完成知識與技能的建構(gòu)，從而提升專業(yè)核心技能。虛擬仿真學(xué)習(xí)資源模型注重考慮糧庫基礎(chǔ)環(huán)境因素、內(nèi)外部因素、設(shè)施設(shè)備因素，圍繞糧庫業(yè)務(wù)核心技能展開（如下頁圖1 所示）。

依據(jù)糧食工程專業(yè)核心技能要求，構(gòu)建由簡到繁、從單一技能到復(fù)合技能的四項建設(shè)內(nèi)容。

1.漫游模塊：構(gòu)建糧庫虛擬實景，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)糧庫知識。進入指定區(qū)域即觸發(fā)學(xué)習(xí)卡和語音彈出，介紹相應(yīng)設(shè)施的名稱、規(guī)格與功能。漫游模塊中設(shè)置安全巡視、糧情巡視等項目，讓學(xué)生自主進行體驗式學(xué)習(xí)。虛擬仿真技術(shù)讓使用者有身臨其境的感受，從而對糧庫現(xiàn)場設(shè)施設(shè)備、現(xiàn)場安全生產(chǎn)等形成總體認識。

圖1 糧庫三維虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.仿真模塊：主要是糧食運輸與出入庫作業(yè)、糧情檢查、糧情控制與處理、糧食儲藏綜合技術(shù)、糧食衛(wèi)生指標(biāo)檢驗等內(nèi)容。系統(tǒng)提供操作模擬演示、虛擬操作環(huán)境和互動平臺，通過交互式虛擬仿真練習(xí)，學(xué)生在虛擬環(huán)境中鞏固正確操作、糾正錯誤動作，掌握糧庫各崗位工作流程和操作技能。

3.考核模塊：通過設(shè)置糧庫運行參數(shù)，虛擬相應(yīng)的操作結(jié)果，形成模擬運行。也可與糧庫遠程聯(lián)網(wǎng)，顯示真實的運行數(shù)據(jù)，供學(xué)生針對儲糧中的問題制訂解決方案并反復(fù)操作。系統(tǒng)可對每個操作自動評分，形成完整的崗位技能考核評價體系。

4.管理模塊：系統(tǒng)對學(xué)生的信息、操作過程、考核結(jié)果進行記錄、自動保存并實時反饋。

（二）虛擬仿真學(xué)習(xí)資源的構(gòu)建過程

1.系統(tǒng)建模與開發(fā)平臺的選擇。虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)中充分考慮糧庫管理業(yè)務(wù)的實際特點以及系統(tǒng)設(shè)定功能的需求，選擇恰當(dāng)?shù)慕９ぞ呒昂线m的虛擬仿真開發(fā)平臺。選用Sketch Up 作為建模軟件，主要是考慮到糧庫典型業(yè)務(wù)涉及的三維模型有糧食輸送機械、烘干塔及各種閥門和泵等，模型工作量大，設(shè)備多為規(guī)則形體。該軟件基礎(chǔ)模型操作工具豐富，獨特的推拉工具、路徑跟隨工具等很適合創(chuàng)建糧庫設(shè)備中的管路和塔類設(shè)備。同時，Sketch Up 方便管理模型外部與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的群組關(guān)系，通過簡單設(shè)置即可導(dǎo)出模型文件，便于在引擎中編輯使用。虛擬仿真平臺則采用Unity 3D 軟件，這主要是基于糧庫常規(guī)管理涉及設(shè)備多、封閉管路系統(tǒng)復(fù)雜的現(xiàn)狀。Unity 3D 便于為設(shè)備和管路添加合適的碰撞器，還支持自編Unity 編輯器：既能編譯后立即進行運行測試，又能在運行過程中實時編輯，查看效果。Unity 3D 支持多平臺發(fā)布，用戶多，生態(tài)圈良好，比較適合作為糧庫虛擬仿真學(xué)習(xí)資源系統(tǒng)開發(fā)的平臺。

2.虛擬仿真學(xué)習(xí)資源的開發(fā)流程。首先對設(shè)備和管路進行處理。通過對糧庫業(yè)務(wù)詳細信息、各專用設(shè)備選型及結(jié)構(gòu)的調(diào)研，了解典型業(yè)務(wù)流程，形成相關(guān)資料。對照糧庫實地修正資料，結(jié)合DCS 控制流程圖，利用Sketch Up 完成典型業(yè)務(wù)和場景的建模工作。其次，針對初步優(yōu)化后的三維模型實施場景編輯，創(chuàng)建糧庫工作流程虛擬場景。將模型文件導(dǎo)入Unity 3D，給模型添加合適的材質(zhì)貼圖、著色器、場景燈光等，添加場景地形，創(chuàng)建虛擬糧庫操作場景。再次，開發(fā)虛擬糧庫典型操作中的交互功能?，F(xiàn)場了解數(shù)字糧庫在運行中的技術(shù)規(guī)范以及日常檢測中形成的各類實際數(shù)據(jù)，并圍繞這些數(shù)據(jù)類型，使用Unity 3D 控制器組件開發(fā)虛擬交互功能，模擬出糧庫運行中的生產(chǎn)操作、相關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)范與考核、典型事故以及糧庫整體結(jié)構(gòu)漫游等場景。最后，以PC 版或移動版發(fā)布，進行運行測試，及時修復(fù)完善。