VR技術(shù)在機械虛擬訓練的應(yīng)用研究

周建釗，王宇

（陸軍工程大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210000）

1 前言

虛擬培訓的概念最早在20世紀90年代由美國提出。它的出現(xiàn)引起了世界各國科研機構(gòu)、軍事界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注，被認為是保證大規(guī)模生產(chǎn)先進產(chǎn)品的有效手段。世界上眾多高校、科學研究機構(gòu)及大型企業(yè)陸續(xù)進行這方面的科學研究，并獲得了重大突破。虛擬訓練（Virtual Reality Training)相關(guān)技術(shù)自2000年以來得到了飛速發(fā)展。自2011年以來，每一年都舉辦有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的專業(yè)國際學術(shù)會議——IEEE VR（IEEE Virtual Reality Conference)，推動行業(yè)內(nèi)學者之間的溝通交流。IEEE VR是專門為交流促進虛擬現(xiàn)實技術(shù)而舉辦的專業(yè)國際會議，有效促進了各國研究人員領(lǐng)域內(nèi)知識與經(jīng)驗的交流互動。我國也將虛擬訓練技術(shù)列為《2017新媒體聯(lián)盟中國高等教育技術(shù)展望：地平線項目區(qū)域報告》之中教育技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，我國機械專業(yè)的培訓和教育存在許多問題。比如，教育成本相對較高，存在較高的安全隱患，教師示范的影響不是很好。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展可以有效地解決我國機械專業(yè)培養(yǎng)和教學中遇到的諸多問題。其次機械專業(yè)教育非常重視實踐過程，其專業(yè)課程注重啟發(fā)、指導和塑造受訓者的專業(yè)技能、邏輯思維能力和實用應(yīng)用技術(shù)，目標明確，理論性強。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械教育領(lǐng)域的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的教育方式，使受訓者能夠與虛擬場景的學習內(nèi)容進行交互，解決了交互性差、情境性差和傳統(tǒng)課堂教學的問題。逐漸在教育實踐中有著廣泛的應(yīng)用。

2 VR技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

為分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械專業(yè)實踐教育全過程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，且因為近年來我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，各類平臺文獻資料數(shù)量巨大，本文選取知網(wǎng)CNKI數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行歸納分析，采取內(nèi)容分析的方法，探討虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械專業(yè)實踐教學中的應(yīng)用現(xiàn)狀，截止日期是2022年2月，搜索主題為“虛擬現(xiàn)實”和“教學應(yīng)用”。共發(fā)現(xiàn)1066篇已發(fā)表文獻。我們對從數(shù)據(jù)庫中檢索到的文獻進行量化分析，我們了解到這些文獻在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，目前分為2個階段：2002年至2016年，虛擬訓練技術(shù)的發(fā)展相對穩(wěn)定，這表明，研究人員在論證虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實踐教學的結(jié)合的同時，積極探索和拓展虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學各個領(lǐng)域的研究領(lǐng)域；自2016年以來，2016年被稱為虛擬現(xiàn)實的元年。自2016年以來，發(fā)表的文獻數(shù)量迅速增加，虛擬現(xiàn)實與教學的結(jié)合也取得了快速進展。將關(guān)鍵詞“機器”作為篩選主題后，共發(fā)現(xiàn)69篇相關(guān)文獻，內(nèi)容分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)容主要集中在虛擬現(xiàn)實、實驗教學、維修等方面。分析發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械教育中的應(yīng)用主要集中在使用虛擬仿真軟件創(chuàng)建虛擬場景和模型，然后進行教學和實踐訓練。

針對近些年國內(nèi)VR技術(shù)的快速發(fā)展以及VR技術(shù)在機械專業(yè)實訓教育實踐全過程中的運用現(xiàn)況，本文采用文獻研究法和內(nèi)容分析法對已發(fā)表的文獻資源進行綜合分析，結(jié)合機械專業(yè)實訓教學中的VR技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀展開思考。文獻數(shù)據(jù)來自于中國知網(wǎng)，在CNKI數(shù)據(jù)庫中進行文獻檢索，期限截止于2022年2月，檢索的主題是：“虛擬現(xiàn)實”和“教學應(yīng)用”，查找到的已發(fā)表文獻共有1066篇。對數(shù)據(jù)庫中搜索到的所有文獻進行計量可視化分析，從歷年文獻發(fā)表數(shù)量變化分析（圖1）中可得知，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用正在快速普及，目前分為兩個階段發(fā)展：2002～2016年，虛擬訓練技術(shù)發(fā)展較為平穩(wěn)，表現(xiàn)出科研教育人員對虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實訓教學的結(jié)合展開探索，積極探索和拓寬了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學各領(lǐng)域的研究方向；2016年被稱為“虛擬現(xiàn)實”元年，由2016年開始，文獻發(fā)表數(shù)量快速增長，虛擬現(xiàn)實與教學領(lǐng)域的結(jié)合發(fā)展開始飛速進步。再添加“機械”關(guān)鍵字為主題進行篩選，共查找到相關(guān)文獻69篇，在對文獻內(nèi)容進行分析后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)容主要集中在“虛擬現(xiàn)實”、“實驗教學”、“維修”、“加工”等方面，從中可以看出，在機械實訓教育中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的運用主要側(cè)重于利用虛擬仿真軟件創(chuàng)造出虛擬場景和模型，繼而是進行教學和實操的訓練。

圖1 歷年發(fā)表文獻數(shù)量變化

3 VR教學現(xiàn)狀分析

3.1 教學指導

在虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境中，受訓者必須在基本學習流程中接受合理的教學指導，才能開展有效的學習活動。虛擬現(xiàn)實教學常用的教學模式包括教師教學、數(shù)字教學、學習手冊等。在69篇文獻中，有21篇文獻在虛擬場景中添加了數(shù)字化教學的設(shè)計，例如在柴油機拆卸和維修虛擬環(huán)境中設(shè)置各種培訓方案的說明，受訓者可以根據(jù)說明進行選擇；培訓方法包括視頻輔導、語音輔導和單個教學講解。有8篇文獻介紹了一種混合式指導設(shè)計，不僅由教師在虛擬場景前培訓受訓者，還指導受訓者在虛擬學習環(huán)境中通過各種形式的人機交互中完成培訓教學。例如，在機械虛擬實驗室的教學過程中，教師首先指導受訓者使用設(shè)備并解釋任務(wù)。當進入虛擬培訓系統(tǒng)時，學習過程中會出現(xiàn)一個解釋動畫，為完成任務(wù)提供關(guān)鍵信息。另有1篇文獻文件將培訓系統(tǒng)的使用說明和教材內(nèi)容轉(zhuǎn)化為視頻和音頻材料，提前指導受訓者熟悉虛擬現(xiàn)實的操作，并解釋虛擬場景中的學習要求。此外，20篇文獻沒有提到教學指導的相關(guān)設(shè)計

在VR教學環(huán)境中，受訓者開展有效學習活動需要在關(guān)鍵教學環(huán)節(jié)中獲得合理的教學引導。VR教學中常見的引導模式有教師指導、數(shù)字化引導、教學手冊等方式。在69篇文獻中，有21篇文獻是在虛擬場景中加入了數(shù)字化引導設(shè)計，例如在柴油機拆裝維修的虛擬環(huán)境中設(shè)置不同的訓練場景選項的提示，受訓者可根據(jù)提示進行選擇；有10篇文獻描述教師應(yīng)在受訓者進入虛擬場景前開展培訓，培訓方式包括視頻指導、口述指導和實際操作講解；有8篇文獻中采用混合式引導設(shè)計，既有在虛擬場景前由教師對受訓者進行培訓，又在虛擬學習環(huán)境中通過多種人機交互形式指引受訓者完成培訓任務(wù)。例如在某機械虛擬實驗室中教授課程的過程中，首先由教師對受訓者進行設(shè)備使用指導以及任務(wù)講解，在進入虛擬訓練系統(tǒng)在學習過程中彈出講解動畫，為完成任務(wù)提供關(guān)鍵信息。另有一篇文獻將訓練系統(tǒng)操作說明以及教材內(nèi)容制作成視頻和音頻資料，作為教學引導材料，引導受訓者在虛擬場景中熟悉VR操作、明確學習要求。此外，有20篇文獻并未提及學習指導的設(shè)計（圖2）。

圖2 虛擬訓練系統(tǒng)教學指導方式

3.2 教學策略

根據(jù)文獻內(nèi)容進行分析，目前的虛擬訓練系統(tǒng)設(shè)計者使用虛擬現(xiàn)實進行教學實踐，主要采用以下教學策略：任務(wù)研究、分工協(xié)作、主題實踐和內(nèi)容展示。基于任務(wù)的研究性教學主要是基于任務(wù)的，它鼓勵受訓者在虛擬環(huán)境中探索解決問題的方法，例如拆卸和組裝機械零件的任務(wù)。分工協(xié)作是指受訓者以小組形式完成教學任務(wù)，如小組成員協(xié)作的搬運、安裝等活動。該主題的實踐教學策略側(cè)重于培訓技能，如機械故障排除和維護。內(nèi)容演示教程以三維形式向?qū)嵺`者展示肉眼看不見的物體及其轉(zhuǎn)換過程，例如使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行交互式漫游和顯示機械結(jié)構(gòu)。

近年來，不同學習策略的比例發(fā)生了顯著變化。在過去的10年中，包括教學任務(wù)策略在內(nèi)的培訓體系所占的份額已從70%下降到41%。原因可能有兩點：第一，作業(yè)請求內(nèi)容的開發(fā)需要大量的時間和精力；第二，學習作業(yè)請求的過程很長，受訓者培訓的有效性得不到保證。近年來，文獻中包含分工協(xié)作內(nèi)容的培訓體系逐漸發(fā)展壯大，但由于分工協(xié)作教學對設(shè)備要求高，技術(shù)支持不足，影響了基本培訓需求，培訓水平仍然較低。在力學教學中，學科實踐教學得到了廣泛的應(yīng)用。首先，具體科目的培訓更符合獸醫(yī)的實際要求，其次，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的具體內(nèi)容制作更為成熟。在2000～2009年期間，包含文獻內(nèi)容的培訓系統(tǒng)僅占13%，在接下來的10年中增加到36%。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在模型制作和內(nèi)容表現(xiàn)方面的更好發(fā)展，近年來使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以更細致、準確地顯示各種機械模型和場景。近年來文獻內(nèi)容的變化表明，學習策略的選擇取決于機械教育的實際需求和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，學習策略的改進必須進一步加強虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究。

根據(jù)文獻內(nèi)容進行分析，目前的虛擬訓練系統(tǒng)設(shè)計者使用虛擬現(xiàn)實進行教學實踐，主要采用以下教學策略：任務(wù)探究式、分工協(xié)作式、科目練習式及內(nèi)容呈現(xiàn)式。任務(wù)探究式教學主要以任務(wù)為導向，鼓勵受訓者在虛擬環(huán)境中以問題解決為目標開展探索，例如機械部件拆裝任務(wù)。分工協(xié)作式是指教學中受訓者以小組為單位完成教學任務(wù)，例如小組成員合作進行搬運、安裝等動作?？颇烤毩暿浇虒W策略側(cè)重于技能訓練，例如對機械故障排查維修等技能訓練。內(nèi)容呈現(xiàn)式教學將現(xiàn)實中肉眼不可見的物體及其變化過程以立體的形式向受訓者展示，如利用VR技術(shù)互動漫游以展現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)等。

近年來，不同學習策略的比例發(fā)生了顯著變化（表1）。包含任務(wù)探究式教學策略的訓練系統(tǒng)在近10年間的占比由起初的70%減少到41%，原因可能有以下2點：首先，開發(fā)任務(wù)探究式內(nèi)容需要花費大量時間和精力，其次，進行任務(wù)探究式學習流程長，受訓者訓練效率得不到保障。近年文獻中包含分工協(xié)作式內(nèi)容的訓練系統(tǒng)逐步增長，但仍處于較低水平，原因是分工協(xié)作式教學對設(shè)備要求高，技術(shù)支持不完善，影響訓練的核心需求?？颇烤毩暿浇虒W在機械專業(yè)教學中得到了更普遍的應(yīng)用，一是針對具體科目進行的訓練更加符合實際專業(yè)教育要求，二是關(guān)于制作具體內(nèi)容的虛擬現(xiàn)實技術(shù)更加成熟。2000—2009年間文獻中包含內(nèi)容呈現(xiàn)式內(nèi)容的訓練系統(tǒng)僅占13%，而后十年增長到了36%。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在模型制作和內(nèi)容表現(xiàn)方面的更好發(fā)展，近年來使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以更細致、準確地顯示各種機械模型和場景。近年來文獻內(nèi)容的變化表明，學習策略的選擇取決于機械教育的實際需求和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，學習策略的改進必須進一步加強虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究。

表1 VR技術(shù)教學策略變化統(tǒng)計

3.3 教學數(shù)據(jù)分析

教學數(shù)據(jù)分析是機械專業(yè)教學的一個重要方面，可以用于分析和評價教學效果。教學效果評估是指根據(jù)預(yù)先確定的教育目標，通過現(xiàn)有的成熟技術(shù)和方法，對教育教學中的實驗和實踐活動中不同的教育活動、教育過程和教育結(jié)果進行科學評估和評估；本文研究了文獻中收集學習數(shù)據(jù)的方法。結(jié)果表明，虛擬訓練成果的主要數(shù)據(jù)來源是問卷調(diào)查，另外理論考核的成績也是一種常用的數(shù)據(jù)收集方法。一些文獻采用了課堂記錄和課后交流的方法。一般來說，問卷作為最方便的數(shù)據(jù)收集方法之一，因此為機械虛擬訓練教學提供了最多的數(shù)據(jù)來源，但得出的結(jié)論是主觀的；教學記錄和課后交流相較于前兩種方式，能夠深入了解受訓者的學習過程和學習體驗，但需要花費更多的時間。因此，我們需要更多的研究人員深入了解數(shù)據(jù)的收集和演變對職業(yè)教育教學效果的影響，并進一步分析數(shù)據(jù)對教學的影響。

4 結(jié)論與思考

根據(jù)收集到的文獻研究結(jié)果，我國對虛擬現(xiàn)實教育的研究和應(yīng)用尚處于起步階段。以虛擬現(xiàn)實的簡單應(yīng)用為主導，以創(chuàng)新能力為支撐的研究較少，教育培訓影響評估體系也不完善。目前，國內(nèi)虛擬現(xiàn)實研究的重點仍然是虛擬仿真機械的具體結(jié)構(gòu)和場景。目前，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)存在建模工作量大、仿真成本較高、現(xiàn)實與現(xiàn)實差距大等問題。通用技術(shù)仍與西方國家相去甚遠。

更具體地說，從產(chǎn)品技術(shù)的角度來看，目前安裝的顯示設(shè)備操作體驗較差，包括顯示視野狹窄、VR眼鏡體積大、重量重、受訓者可移動性低、一系列設(shè)備的硬件限制，導致交互體驗不足等缺陷。在教學應(yīng)用層面，最大的挑戰(zhàn)是教學方法沒有根本改變，大多數(shù)培訓系統(tǒng)仍然在虛擬環(huán)境中使用傳統(tǒng)的教學方法，沒有體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學中的優(yōu)勢。在虛擬現(xiàn)實中傳遞過多種信息的創(chuàng)新方法使受訓者無法專注于培訓內(nèi)容。與培訓過程相關(guān)的檢測數(shù)據(jù)尚未使用成熟的輔助技術(shù)進行有效評估，受訓者對虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng)使用的影響也無法量化。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，提出以下四點建議，以期為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械教育領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

4.1 加強訓練系統(tǒng)的教學指導

為了克服傳統(tǒng)教學模式中教師的精力和實驗設(shè)備有限的問題，每個受訓者必須能夠有效參與。首先，虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)備和技術(shù)必須進一步提高各自技術(shù)的成熟度，提高設(shè)備和受訓人員的適應(yīng)性，通過增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實等技術(shù)工具，創(chuàng)造更實用、更智能的虛擬現(xiàn)實學習環(huán)境，降低技術(shù)使用難度，提供更好的設(shè)備使用體驗。同時，在大多數(shù)文獻中，關(guān)于虛擬現(xiàn)實在訓練中的有效使用的教學研究較少。提供有效的虛擬技術(shù)使用方式，提高培訓的有效性，確保用戶安全，并在虛擬培訓前注意教學指導，可以解決虛擬訓練系統(tǒng)上手困難，確保有效使用多種教學指導方法可以使虛擬訓練方案與真實場景之間的協(xié)作更加有效。

4.2 強化VR技術(shù)在教學策略中的應(yīng)用

使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計訓練系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)該服務(wù)于教育和教學整個過程。針對以上問題，系統(tǒng)設(shè)計者應(yīng)首先考慮虛擬現(xiàn)實技術(shù)在特定學習情境下可以教授什么內(nèi)容以及如何教授，即明確學習目標，制定最有效的學習策略，創(chuàng)建詳細、完整、可行的課程，使課程與受訓者的認知過程更好地協(xié)調(diào)；根據(jù)實際教學進行長期的訓練效果測試、監(jiān)控和評估，獲取數(shù)據(jù)規(guī)律，并根據(jù)評估結(jié)果改進模型場景和所有基于虛擬現(xiàn)實的教學設(shè)計環(huán)節(jié)。

4.3 制定完善VR教學的評價體系

目前關(guān)于機械專業(yè)的虛擬訓練文獻中，教學培訓的數(shù)據(jù)收集方法以量化數(shù)據(jù)為主，對于虛擬訓練系統(tǒng)的訓練效果的評價仍然以傳統(tǒng)評價方式為主，通過問卷、理論考核或訓練記錄進行衡量，并通過量化數(shù)據(jù)處理方式進行分析。然而問卷、考核和訓練記錄等工具，其研究結(jié)果只提出達到顯著提高訓練效果，但改善的程度和可靠性無法評估。因此，研究中可以開發(fā)關(guān)于技術(shù)數(shù)據(jù)的輔助收集與評價功能，便于教學者評估受訓者培訓效果，并通過多元化的數(shù)據(jù)收集和分析、規(guī)范的量化數(shù)據(jù)匯報方式等措施來提高研究結(jié)果的可靠性，更好地指導VR技術(shù)在機械專業(yè)培訓中的推廣和應(yīng)用。