VR技術(shù)視域下高職虛擬混合學(xué)習(xí)系統(tǒng)類型與應(yīng)用研究

趙俞凌 陳曉龍 姚 遠(yuǎn)

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

“虛擬現(xiàn)實(shí)”作為學(xué)術(shù)術(shù)語早在20世紀(jì)60年代就有研究者提出，20世紀(jì)80年代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）已經(jīng)運(yùn)用在娛樂、教育等多個(gè)領(lǐng)域[1]。大量的實(shí)踐和研究表明，由于VR技術(shù)具有沉浸性、交互性和想象性的特點(diǎn)，其在教育領(lǐng)域特別是職業(yè)教育領(lǐng)域使用前景十分廣泛。職業(yè)技能培養(yǎng)多半是基于實(shí)踐性教學(xué)開展的，但是傳統(tǒng)職業(yè)技能教學(xué)中由于課時(shí)、場地、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和硬件性能較弱等多方面因素的限制，學(xué)習(xí)者無法根據(jù)自己的實(shí)際情況獲取相對應(yīng)的感知訓(xùn)練。VR技術(shù)在各領(lǐng)域都能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供虛擬的仿真環(huán)境和材料。集成了5G快速傳輸、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的VR教學(xué)平臺(tái)可以收集學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過云計(jì)算處理，為每一位學(xué)習(xí)者制訂個(gè)性化的學(xué)習(xí)策略，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國高職院校教學(xué)中的應(yīng)用，主要集中在計(jì)算機(jī)、建筑、工業(yè)等相關(guān)專業(yè)。宿遷經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校在《計(jì)算機(jī)組裝》課程中利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓學(xué)生與虛擬對象交互，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的硬件知識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣獲得極大提高。江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展《建筑構(gòu)造》課程教學(xué)，幫助學(xué)生理解枯燥的構(gòu)造原理[2]。寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工工程系嘗試使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展化工認(rèn)知實(shí)訓(xùn)，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)訓(xùn)目的[3]。金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)、護(hù)理專業(yè)在資源庫開發(fā)過程中，運(yùn)用VR技術(shù)進(jìn)行啤酒生產(chǎn)線操作環(huán)境的仿真模擬、虛擬手術(shù)與護(hù)理教學(xué)案例的開發(fā)[4]。袁南輝將VR技術(shù)應(yīng)用在“教育聲電系統(tǒng)”的課堂教學(xué)中，解決了傳統(tǒng)教學(xué)中難以用語言和繪圖表達(dá)清楚的抽象、工程、經(jīng)驗(yàn)等方面知識(shí)的教學(xué)問題[5]。金純將VR技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)林類專業(yè)課程教學(xué)中，有效克服了時(shí)間、季節(jié)對教學(xué)的影響，控制成本資源。黃新平將VR技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)職業(yè)教育教學(xué)中，降低了教學(xué)的難度[6]。梅婷將VR技術(shù)應(yīng)用于工科實(shí)訓(xùn)課程中，提高了效率，減少了投資成本[7]。值得一提的是，2017年全國職業(yè)院校技能大賽開設(shè)了虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)計(jì)與制作賽項(xiàng)，促進(jìn)了VR技術(shù)在高職院校職業(yè)技能培養(yǎng)上的推廣應(yīng)用。

二、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要類型及存在問題

根據(jù)不同的硬件支持和展示效果，虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要可以分為四類：桌面虛擬現(xiàn)實(shí)、沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)[8]。

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，將屏幕作為使用者觀察虛擬世界的窗口，通過鍵盤、鼠標(biāo)等常見的輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實(shí)世界的交互。使用者通過輸入設(shè)備，在屏幕上360°觀察虛擬世界，并操縱其中的虛擬對象。但是桌面虛擬現(xiàn)實(shí)缺少完全的沉浸，會(huì)受到周圍世界的干擾，且交互方式并非是自然的交互。在經(jīng)費(fèi)、資源、開發(fā)團(tuán)隊(duì)等資源有限的情況下，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)是可行性較高的選擇。桌面型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中主要有演示實(shí)踐、實(shí)操實(shí)踐和復(fù)習(xí)回顧三種應(yīng)用方式。現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件可以實(shí)現(xiàn)放大、縮小、特寫、慢動(dòng)作等功能，從而為學(xué)習(xí)者提供全面的展示效果，便于學(xué)生觀察。在實(shí)操實(shí)踐中，學(xué)習(xí)者可以在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中進(jìn)行實(shí)踐，并得到實(shí)時(shí)的反饋信息，能夠有效幫助學(xué)習(xí)者掌握入門技能。

沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)能夠提供完全沉浸的體驗(yàn)，通過輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)較為自然的交互，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感受。沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)同樣由軟硬件構(gòu)成。相比桌面虛擬現(xiàn)實(shí)，沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)對于硬件性能的要求更高，對于虛擬資源的要求也更高。沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對于危險(xiǎn)場景的模擬，使用者用自然的交互方式實(shí)現(xiàn)虛擬的技能操作，從而培養(yǎng)使用者的職業(yè)技能。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬顯示技術(shù)，可以將抽象、平面的知識(shí)鮮活地展示在學(xué)習(xí)者面前，幫助學(xué)習(xí)者認(rèn)識(shí)更為真實(shí)的世界。

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指多個(gè)使用者通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在同一個(gè)虛擬空間，與該空間里的虛擬對象進(jìn)行交互，以達(dá)到協(xié)同工作的目標(biāo)。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更高境界的使用，通過分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)虛擬的小組合作，開展新形態(tài)的合作學(xué)習(xí)。在分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下，學(xué)習(xí)者可以開展合作學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)不再是閉門造車，而是與其他同學(xué)甚至是其他院校的學(xué)習(xí)者一起開展各種充滿想象力的創(chuàng)造，能夠有效培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新精神。

在現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教育應(yīng)用中，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛；沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在維持較低的硬件投入基礎(chǔ)上提供了較好的沉浸體驗(yàn)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對于硬件要求較低，但是應(yīng)用面較窄；分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)尚未在教育領(lǐng)域普及。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教育中的應(yīng)用以零散的場景體驗(yàn)式、教學(xué)資源開發(fā)和使用為主，對于何種教學(xué)內(nèi)容更加適用技術(shù)開發(fā)和呈現(xiàn)，資源的使用需要配備何種設(shè)施，基于虛擬技術(shù)的教育教學(xué)應(yīng)當(dāng)配合怎么樣的教學(xué)方法與系統(tǒng)建設(shè)等方面缺乏深度思考?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)模式和學(xué)習(xí)系統(tǒng)已經(jīng)在高職院校開展，但基于現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)資源和內(nèi)容管理平臺(tái)和虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件發(fā)展還不完善，很多技術(shù)問題都未能得到解決，相關(guān)的設(shè)備市場也沒有得到完善，大多都采用單一模式進(jìn)行教學(xué)。

三、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高職虛擬混合學(xué)習(xí)系統(tǒng)的構(gòu)建策略

隨著5G技術(shù)進(jìn)入到商業(yè)化階段，5G通信技術(shù)的高速傳輸和低延遲性能將實(shí)現(xiàn)VR大容量圖像內(nèi)容的三維建模和線上PC端和移動(dòng)手機(jī)端的情景實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。因此，本文提出一種線上PC端、移動(dòng)手機(jī)端和線下的三合一混合學(xué)習(xí)模式，設(shè)計(jì)一種虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容創(chuàng)作軟件獨(dú)有的異地多人協(xié)同模塊，能夠支持局域網(wǎng)內(nèi)近百人、廣域網(wǎng)內(nèi)超過30人的協(xié)同教學(xué)。通過該模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模VR教學(xué)、不同校區(qū)之間的集體授課以及跨學(xué)校的專業(yè)交流與跨學(xué)校的慕課教學(xué)。

（一）教學(xué)方面

高職院校要引導(dǎo)教師使用交互性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的VR技術(shù)創(chuàng)設(shè)沉浸式的教學(xué)情境，提高教學(xué)的體驗(yàn)感和有效性，同時(shí)要注意引導(dǎo)VR技術(shù)和傳統(tǒng)手段的有效融合。職業(yè)教育管理層應(yīng)重視對VR基礎(chǔ)設(shè)施的投入與建設(shè)，如高配置的機(jī)房、VR專用的硬件設(shè)備與軟件等，為教師將VR技術(shù)應(yīng)用于職業(yè)技能培訓(xùn)搭建良好的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，使后續(xù)的資源開發(fā)、學(xué)生實(shí)訓(xùn)成為可能。

基于VR技術(shù)的教學(xué)資源使用更加注重學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)能力，而職業(yè)院校學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)和探究能力普遍不足。職業(yè)院校應(yīng)當(dāng)統(tǒng)籌管理原有的信息資源，將其儲(chǔ)存到學(xué)校系統(tǒng)數(shù)據(jù)中。通過召開研討會(huì)、參觀考察等方式建立線下交流平臺(tái)，推廣VR教學(xué)優(yōu)秀案例，方便更多職業(yè)院校獲取經(jīng)驗(yàn)。

通過課前、課中、課后不同環(huán)節(jié)，推進(jìn)VR資源在預(yù)習(xí)、課內(nèi)學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)等環(huán)節(jié)的使用，提高資源的利用率。可以根據(jù)實(shí)際需要購買專業(yè)公司開發(fā)的VR資源或自主開發(fā)資源，推進(jìn)資源開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的形成。積極引入職業(yè)院校技能大賽資源、企業(yè)優(yōu)秀的VR案例資源，進(jìn)行賽教融合、校企融合教學(xué)化改造。

組建由編程人員、媒體制作人員、職業(yè)教育專家、職業(yè)院校學(xué)科教師組成的多元化VR專業(yè)團(tuán)隊(duì)，共同解決VR資源在設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中遇到的問題，探索VR技術(shù)在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用。其中，編程人員和媒體制作人員共同負(fù)責(zé)VR教學(xué)資源的開發(fā)與基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)；職業(yè)教育專家負(fù)責(zé)對教育資源的選擇、實(shí)用性評估、開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)制定等方面進(jìn)行指導(dǎo)；學(xué)科教師負(fù)責(zé)對本學(xué)科的教育資源進(jìn)行梳理、選擇與應(yīng)用；企業(yè)工程師根據(jù)VR項(xiàng)目制作任務(wù)和主流技術(shù)，逐層確立職業(yè)技能，分析職業(yè)技能所關(guān)聯(lián)的“技能要求”和“知識(shí)要求”，協(xié)助學(xué)科教師，從教學(xué)規(guī)范、學(xué)生認(rèn)知規(guī)律角度，共建“美化、交互、特效和高效”技術(shù)教學(xué)資源。各個(gè)模塊由擅長的教師進(jìn)行交叉授課，實(shí)現(xiàn)多元匯聚、共建共享，提升課堂教學(xué)質(zhì)量。

（二）技術(shù)方面

通過充分整合VR虛擬現(xiàn)實(shí)場景生成技術(shù)、基于圖形和圖像的混合智能建模技術(shù)等構(gòu)建滿足學(xué)生需求的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)。利用緩存卸載技術(shù)將熱點(diǎn)數(shù)據(jù)文件緩存在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)處，可以大幅度減少骨干網(wǎng)絡(luò)對于熱點(diǎn)視頻的重復(fù)冗余傳輸，并降低傳輸時(shí)延。計(jì)算卸載技術(shù)可用于彌補(bǔ)移動(dòng)設(shè)備計(jì)算能力的不足。在計(jì)算卸載中，計(jì)算資源有限的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過將計(jì)算任務(wù)卸載到附近具有空閑計(jì)算能力邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效處理。如圖1所示移動(dòng)邊緣計(jì)算，通過將部分計(jì)算服務(wù)從云計(jì)算中心分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)邊緣，在網(wǎng)絡(luò)邊緣實(shí)現(xiàn)任務(wù)的高速計(jì)算、資源的協(xié)同管理以及分布式存儲(chǔ)/緩存等功能，而不再是通過主干網(wǎng)來傳輸龐大的數(shù)據(jù)流量，以此大幅度降低本地信息的處理時(shí)延。該平臺(tái)為實(shí)現(xiàn)用戶流暢觀看VR視頻提供了技術(shù)支持，滿足了學(xué)習(xí)者隨時(shí)隨地通過移動(dòng)終端訪問虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)，進(jìn)行線上線下混合學(xué)習(xí)的愿望。

作為實(shí)施基礎(chǔ)的模擬系統(tǒng)平臺(tái)，適應(yīng)性測試可以從四個(gè)方面著手。一是標(biāo)準(zhǔn)化和開放性。制作專業(yè)的屏幕規(guī)范和技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，選擇符合國際標(biāo)準(zhǔn)的主流產(chǎn)品。二是靈活性和兼容性。系統(tǒng)要具有很好的兼容性，適合三維數(shù)字城市數(shù)據(jù)的多功能應(yīng)用。三是可管理性和自動(dòng)化能力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮集中式以及自動(dòng)化管理能力，即通過網(wǎng)絡(luò)來對系統(tǒng)進(jìn)行管理，同時(shí)提供豐富的管理手段，降低人工和管理成本，使系統(tǒng)維護(hù)管理方便。四是易用性。系統(tǒng)需要提供良好的操作界面，方便師生操作，符合編程人員制作習(xí)慣。

圖1 移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型圖

（三）具體建設(shè)內(nèi)容

1.虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容管理系統(tǒng)平臺(tái)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，VR技術(shù)的受關(guān)注程度日益凸顯，內(nèi)容質(zhì)量良莠不齊嚴(yán)重影響了用戶在使用VR產(chǎn)品過程中的用戶體驗(yàn)。建設(shè)一個(gè)內(nèi)容管理系統(tǒng)平臺(tái)，旨在為用戶提供具有內(nèi)容分發(fā)、共享以及管理等功能于一體的服務(wù)，設(shè)計(jì)出面向行業(yè)用戶的虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)內(nèi)容發(fā)行平臺(tái)，聯(lián)合行業(yè)內(nèi)容開發(fā)團(tuán)隊(duì)與行業(yè)內(nèi)容使用者，比如高校、職業(yè)院校等教育用戶，讓他們有優(yōu)質(zhì)、專業(yè)的 VR 內(nèi)容可用。

2.與行業(yè)企業(yè)聯(lián)合開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容創(chuàng)作軟件

場景資源嚴(yán)重匱乏、場景開發(fā)難度大等問題，嚴(yán)重阻礙了VR技術(shù)的推廣與內(nèi)容的豐富。構(gòu)建面向全行業(yè)用戶的便捷實(shí)用的平臺(tái)軟件成為亟待解決的問題。因此必須聯(lián)合行業(yè)企業(yè)龍頭聯(lián)合開發(fā)一套虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容創(chuàng)作軟件，能夠幫助非開發(fā)人員進(jìn)行高效的行業(yè)內(nèi)容開發(fā)及應(yīng)用，并且提供教學(xué)考練、異地多人協(xié)同、交互邏輯編輯等功能，解決用戶在高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、不可逆、不可及、異地多人等場景下的教學(xué)培訓(xùn)、模擬訓(xùn)練、營銷展示等問題。軟件產(chǎn)品必須具有易學(xué)易用、快速搭建場景、圖形化交互編輯器、豐富的創(chuàng)作資源預(yù)設(shè)、多樣化學(xué)習(xí)途徑、多種模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入、適配主流VR硬件，無需額外開發(fā)、支持5DT數(shù)據(jù)手套與氣味硬件，讓用戶能夠用真實(shí)場景中的常用操作習(xí)慣更加自由地與虛擬場景進(jìn)行交互，不受硬件限制；氣味硬件能夠根據(jù)不同的場景散發(fā)相應(yīng)的氣味，從味覺上刺激用戶，增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感。

3.VR協(xié)同硬件組成

通過整合操作手柄和頭戴式設(shè)備的360°精確追蹤技術(shù)，提供超逼真3D畫質(zhì)、立體聲音效，完成授課教學(xué)、內(nèi)容展示、實(shí)踐操作和技能訓(xùn)練。產(chǎn)品結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容創(chuàng)作軟件平臺(tái)創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了基于廣域互聯(lián)網(wǎng)的異地多人協(xié)同，打破了制約VR教學(xué)應(yīng)用發(fā)展的空間及人數(shù)限制。利用VR協(xié)同交互課桌小組協(xié)同沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)終端，用戶可實(shí)現(xiàn)多人在同一空間內(nèi)的交互協(xié)同，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式。異地多人協(xié)同還可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程教學(xué)及培訓(xùn)、異地間的協(xié)同實(shí)驗(yàn)等方向。以虛擬現(xiàn)實(shí)小組教學(xué)為標(biāo)準(zhǔn)，針對性設(shè)計(jì)的強(qiáng)大功能分區(qū)與存儲(chǔ)空間，可滿足各類相關(guān)設(shè)備存儲(chǔ)、安放以及各種造型設(shè)計(jì)，完美搭配各類場地。可升級的顯示屏設(shè)計(jì)，可一鍵切換使用模式，方便日常多功能使用需求。

4.利用5G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)沉浸式VR編輯、異地多人協(xié)同。

VR技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)越來越成熟，其發(fā)展目前遇到技術(shù)瓶頸，由于VR內(nèi)容的渲染需要高性能的圖形處理設(shè)備支撐，其終端設(shè)備笨重且價(jià)格昂貴，而5G的出現(xiàn)有可能幫助VR技術(shù)突破瓶頸，實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。5G的出現(xiàn)將會(huì)帶動(dòng)云渲染技術(shù)的發(fā)展，通過集中渲染，將VR內(nèi)容通過5G網(wǎng)絡(luò)傳送至各個(gè)體驗(yàn)終端，終端的設(shè)備將只需要實(shí)現(xiàn)顯示功能，設(shè)備會(huì)變得小而輕巧。移動(dòng)邊緣計(jì)算是5G網(wǎng)絡(luò)采用的新技術(shù)。它通過將部分計(jì)算服務(wù)從云計(jì)算中心分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)邊緣，在網(wǎng)絡(luò)邊緣實(shí)現(xiàn)任務(wù)的高速計(jì)算、資源的協(xié)同管理以及分布式存儲(chǔ)/緩存等功能，而不再是通過主干網(wǎng)來傳輸龐大的數(shù)據(jù)流量，以此大幅度降低本地信息的處理時(shí)延。