虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)課程中的應(yīng)用

劉巖，康麗，侯強(qiáng)華，代國(guó)忠

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)課程中的應(yīng)用

劉巖，康麗，侯強(qiáng)華，代國(guó)忠

（桂林航天工業(yè)學(xué)院 能源與建筑環(huán)境學(xué)院，廣西 桂林 541004）

實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和方法的設(shè)計(jì)是應(yīng)用型地方高校提高人才質(zhì)量、支撐內(nèi)涵發(fā)展的重要環(huán)節(jié)．將具有綜合性的信息技術(shù)特點(diǎn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程，是有效解決教學(xué)資源匱乏，提高教學(xué)過(guò)程安全性，促進(jìn)實(shí)踐過(guò)程交互性與真實(shí)性，有效避免教學(xué)內(nèi)容碎片化，教學(xué)乏味等問(wèn)題的重要實(shí)踐，既能提高人才的職業(yè)勝任力，也進(jìn)一步促進(jìn)了學(xué)生向復(fù)合應(yīng)用型人才的轉(zhuǎn)變．

虛擬現(xiàn)實(shí)；實(shí)踐教學(xué)；職業(yè)勝任力；應(yīng)用型人才

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)的淵源可追溯到上世紀(jì)50年代，最初的應(yīng)用主要是進(jìn)行航空航天訓(xùn)練，后期逐漸涌現(xiàn)出許多VR集成系統(tǒng)，學(xué)術(shù)界一般將其定義為是“三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)-多功能傳感器交互接口-高清顯示技術(shù)”的融合[1]．

“以教育信息化推動(dòng)教育現(xiàn)代化”是21世紀(jì)以來(lái)中國(guó)教育改革發(fā)展的戰(zhàn)略選擇[2]．應(yīng)用型人才培養(yǎng)是地方高校與研究性大學(xué)和高職院校差異化發(fā)展背景下的準(zhǔn)確定位與重要選擇．研究性大學(xué)注重學(xué)術(shù)性，此類(lèi)高校有較深的專業(yè)內(nèi)涵與學(xué)術(shù)積淀；高職院校在專業(yè)設(shè)置上動(dòng)態(tài)追蹤社會(huì)的變化和時(shí)代需求，而地方應(yīng)用型高校的專業(yè)設(shè)置受專業(yè)設(shè)置目錄的限定，必須從教學(xué)手段和教學(xué)課程體系上進(jìn)行改革．

現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，特別是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)打造沉浸式教學(xué)環(huán)境、跨越時(shí)空并打破場(chǎng)地條件限制，廣泛應(yīng)用在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它以深度參與和互動(dòng)等形式讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)主體，激發(fā)并提升學(xué)習(xí)熱情，便于突破教學(xué)的重點(diǎn)難點(diǎn)；同時(shí)，實(shí)踐手段有效支撐工程教育認(rèn)證的能力導(dǎo)向要求，助力校企雙方擺脫“就業(yè)難”與“用人荒”的人才供需窘境．以能源與建筑環(huán)境學(xué)院為例，從學(xué)校服務(wù)定位和區(qū)域發(fā)展需求的角度，開(kāi)設(shè)了能源與動(dòng)力工程專業(yè)、建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)、工程管理專業(yè)（工學(xué)）和安全工程專業(yè)，將VR技術(shù)手段結(jié)合建筑信息模型（BIM）、OpenGL 和3DMAX等技術(shù)，在實(shí)踐教學(xué)體系中建立火電廠燃燒、土木建筑結(jié)構(gòu)、暖通空調(diào)與給排水、施工現(xiàn)場(chǎng)建筑安全管理和虛擬火災(zāi)場(chǎng)景等模型與場(chǎng)景，極大地促進(jìn)了實(shí)踐實(shí)訓(xùn)課程對(duì)學(xué)生能力的形成．本文從問(wèn)題導(dǎo)向出發(fā)對(duì)實(shí)踐課程進(jìn)行改革．

1 實(shí)踐教學(xué)課程存在的問(wèn)題

信息化社會(huì)推動(dòng)行業(yè)和企業(yè)的變革使得職業(yè)與崗位對(duì)能力的需求更具時(shí)代特征．應(yīng)用型本科專業(yè)在工程認(rèn)證教育背景下開(kāi)設(shè)了大量以支撐學(xué)生的能力目標(biāo)達(dá)成的實(shí)踐課程，平均學(xué)時(shí)占比應(yīng)達(dá)到30%以上．然而通過(guò)對(duì)能源類(lèi)、土木類(lèi)和安全類(lèi)人才需求和職業(yè)勝任力的角度看，基于綠色建筑節(jié)能、垃圾焚燒電廠運(yùn)維、建筑安全管控與智能施工等新職業(yè)缺口與土木類(lèi)課程導(dǎo)向不吻合，特別是實(shí)踐類(lèi)課程能力支撐不足[3]．

實(shí)踐類(lèi)課程群的課程建設(shè)存在的突出問(wèn)題：

（1）課內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和手段陳舊，演示性實(shí)驗(yàn)多，學(xué)生參與度和積極性差；

（2）崗位（職業(yè)能力）導(dǎo)向模糊，實(shí)驗(yàn)室重復(fù)建設(shè)且信息化手段落后；

（3）課程設(shè)計(jì)實(shí)踐與成果考核單一，與解決工程問(wèn)題的需求脫節(jié)；

（4）整周的集中實(shí)訓(xùn)和校外實(shí)踐流于形式，企業(yè)管理與安全條件限制下全程無(wú)互動(dòng)．

以能力形成為導(dǎo)向，借助VR技術(shù)，在專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和教學(xué)設(shè)計(jì)的改革：

（1）以職業(yè)需求促進(jìn)知識(shí)更新，“創(chuàng)新性+設(shè)計(jì)性”實(shí)踐融合替代演示性實(shí)驗(yàn)；

（2）整合資源集中打造信息化實(shí)訓(xùn)中心，案例與模型共享促進(jìn)專業(yè)融通；

（3）以學(xué)科的學(xué)生競(jìng)賽和企業(yè)案例為課程設(shè)計(jì)方案，“獨(dú)立操作+團(tuán)隊(duì)協(xié)作”促進(jìn)能力形成；

（4）整合“校內(nèi)實(shí)訓(xùn)+校外實(shí)踐”資源，在互動(dòng)和沉浸式環(huán)境中實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練．

2　實(shí)踐教學(xué)課程的VR技術(shù)應(yīng)用與改革

實(shí)踐教學(xué)的信息化技術(shù)是以職業(yè)能力、崗位勝任力為教學(xué)目標(biāo)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最本質(zhì)的三個(gè)特點(diǎn)，即沉浸感、交互性、思維構(gòu)想性為信息技術(shù)與專業(yè)知識(shí)融合提供最適合的實(shí)踐平臺(tái)[4]．在“課內(nèi)實(shí)踐-課程設(shè)計(jì)與綜合實(shí)訓(xùn)-畢業(yè)實(shí)踐與設(shè)計(jì)”的整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)中貫穿VR技術(shù)并開(kāi)展跨專業(yè)的資源共享與融合，對(duì)工程教育認(rèn)證的能力支撐起到重要的作用．

2.1　土木類(lèi)專業(yè)的教學(xué)設(shè)計(jì)與VR技術(shù)應(yīng)用

本文土木類(lèi)專業(yè)特指建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程和工程管理（工學(xué)）兩個(gè)專業(yè)，將VR和三維BIM建模結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)“成果演示和驗(yàn)證、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與教學(xué)和可視化計(jì)算”三方面開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用，以案例形式將教學(xué)過(guò)程和內(nèi)容延伸到整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，強(qiáng)化應(yīng)用型課程體系的針對(duì)性、應(yīng)用性、導(dǎo)向性．

2.1.1 在暖通空調(diào)綜合實(shí)踐課程的應(yīng)用建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)學(xué)生涉及土木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的學(xué)時(shí)較少，普遍缺乏對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的認(rèn)知和空間想象力；同時(shí)，建筑環(huán)境（人工環(huán)境）工程的實(shí)踐難以緊密結(jié)合課程在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐環(huán)境中同步、動(dòng)態(tài)開(kāi)展．與建筑設(shè)計(jì)、施工類(lèi)的專業(yè)結(jié)合，根據(jù)以上專業(yè)提供的BIM建筑模型，可基于實(shí)際項(xiàng)目的氣候條件模擬制冷、采暖和通風(fēng)的氣流實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整與反饋，有效支撐暖通空調(diào)和工業(yè)通風(fēng)與除塵課內(nèi)實(shí)踐[5]．用VR技術(shù)和沉浸式體驗(yàn)感受氣流調(diào)節(jié)和變化情況，利用管道碰撞檢查功能對(duì)設(shè)計(jì)的管路進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)建筑物模型和氣流走向、制冷效率和構(gòu)件強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的修改，提高設(shè)計(jì)方案的合理性，深入理解建筑、暖通和電氣等專業(yè)的上下游工藝銜接，利用專用模塊進(jìn)行日照與節(jié)能分析，滿足綠色生態(tài)的設(shè)計(jì)要求．

2.1.2 在建筑施工技術(shù)類(lèi)實(shí)踐課程的應(yīng)用施工技術(shù)結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)管理是土木類(lèi)專業(yè)最具實(shí)踐性、時(shí)代特征的課程，也是保障工程建設(shè)質(zhì)量的核心．在建工程的施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量、進(jìn)度和安全要求高，學(xué)生短期的參觀實(shí)習(xí)很難從不同專業(yè)和管理者的視角把控整體的現(xiàn)場(chǎng)施工[6]134．建筑施工技術(shù)與項(xiàng)目管理類(lèi)課程需要VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)參觀實(shí)習(xí)緊密結(jié)合，利用BIM的現(xiàn)場(chǎng)管理模塊對(duì)計(jì)劃參觀的項(xiàng)目施工工地建模，導(dǎo)入VR平臺(tái)并引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)操作手柄進(jìn)行人與環(huán)境的信息交互．教師主要從項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)人、材、機(jī)布置與優(yōu)化、整體把控施工現(xiàn)場(chǎng)“三控三管”的管理核心，結(jié)合知識(shí)點(diǎn)讓學(xué)生觀測(cè)、分析、處置、操作以便于理解和掌握知識(shí)點(diǎn)．通過(guò)小組討論、交流和教師問(wèn)答等環(huán)節(jié)，理解質(zhì)量、安全和進(jìn)度的控制核心，構(gòu)建項(xiàng)目經(jīng)理的管理知識(shí)和能力．最后結(jié)合有針對(duì)性的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試與對(duì)比分析，使不同專業(yè)學(xué)生從多角度對(duì)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)全局管理和深度認(rèn)知，促進(jìn)學(xué)生通過(guò)技術(shù)手段將專業(yè)知識(shí)體系融通并構(gòu)建綜合職業(yè)勝任力．

2.1.3在房地產(chǎn)類(lèi)項(xiàng)目管理策劃類(lèi)課程的應(yīng)用房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)前要通過(guò)科學(xué)方法和技術(shù)為投資指明方向，該類(lèi)實(shí)踐課程的設(shè)計(jì)要將規(guī)劃與管理的意圖以成果體現(xiàn)．針對(duì)房地產(chǎn)項(xiàng)目管理與策劃的流程，即整體定位調(diào)查——規(guī)劃設(shè)計(jì)——項(xiàng)目投資分析[6]135．通過(guò)VR+BIM的技術(shù)融合和支撐，構(gòu)建綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，能有效解決對(duì)現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容枯燥、教學(xué)內(nèi)容碎片化的教學(xué)問(wèn)題；通過(guò)參與全國(guó)大學(xué)生房地產(chǎn)策劃大賽，整理實(shí)際競(jìng)賽案例，在實(shí)訓(xùn)中擺脫單一體驗(yàn)式VR教學(xué)的局限性；通過(guò)BIM信息化基礎(chǔ)等課程學(xué)習(xí)讓學(xué)生主動(dòng)創(chuàng)建和選擇各種構(gòu)建族庫(kù)，組合不同的建筑樣板、規(guī)劃用地等模塊，嘗試對(duì)自己形成的項(xiàng)目規(guī)劃進(jìn)行投資分析，分析問(wèn)題原因并規(guī)范后形成BIM模型．課程考核一般按項(xiàng)目指標(biāo)進(jìn)行分組打分，再通過(guò)VR體現(xiàn)并評(píng)估可行性，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)在不同情景下遷移并有效支撐能力的形成．

2.2　能源與安全類(lèi)的教學(xué)設(shè)計(jì)與VR技術(shù)應(yīng)用

能源與動(dòng)力工程專業(yè)涉及的行業(yè)較龐雜，以電廠熱能動(dòng)力方向?yàn)槔瑢?duì)垃圾焚燒電廠、常規(guī)火電廠等實(shí)習(xí)場(chǎng)所參觀空間受限，企業(yè)自動(dòng)化程度高，學(xué)生動(dòng)手實(shí)操的可能性基本為零．而安全工程專業(yè)依托行業(yè)、企業(yè)，面向的安全隱患一般存在于重大危險(xiǎn)源場(chǎng)合，實(shí)踐的安全管理壓力大，同樣受地域環(huán)境的限制，讓VR技術(shù)平臺(tái)與現(xiàn)場(chǎng)參觀性實(shí)踐融合的教學(xué)成為重要的實(shí)訓(xùn)形式[7]．

2.2.1 在能源與動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)踐課程的應(yīng)用對(duì)于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，原有的能源與動(dòng)力工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室，如熱工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、鍋爐實(shí)驗(yàn)等，一般為高溫、高等風(fēng)險(xiǎn)性較大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[8]21，因教學(xué)設(shè)備陳舊，安全風(fēng)險(xiǎn)較大停開(kāi)．通過(guò)建立網(wǎng)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)無(wú)教師講解的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑畬?duì)于綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，工程訓(xùn)練中心搭建了500 kW垃圾焚燒電廠模型、生物質(zhì)熱解聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供高值化利用模型、航空渦噴和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)等模型，實(shí)現(xiàn)了不同專業(yè)領(lǐng)域的能源動(dòng)力系統(tǒng)與核心設(shè)備資源共享，互動(dòng)式體驗(yàn)使學(xué)生對(duì)參數(shù)、機(jī)構(gòu)、零部件之間的內(nèi)在關(guān)系實(shí)現(xiàn)了從局部到整體的把握，讓沉悶的知識(shí)充滿活力并推進(jìn)了教師的雙師化．

2.2.2 在安全工程專業(yè)實(shí)踐課程的應(yīng)用在安全管理綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)中通過(guò)BIM技術(shù)與VR結(jié)合，可以開(kāi)展演示和互動(dòng)項(xiàng)目．

（1）不同危險(xiǎn)性的氣液固燃燒物火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)，分析火情特點(diǎn)和救援時(shí)機(jī).

（2）建筑安全管理中，對(duì)“三寶（安全帽、安全網(wǎng)、安全帶）四口”的認(rèn)知，設(shè)置高墜體驗(yàn)環(huán)節(jié)加深認(rèn)識(shí)，并完善防護(hù)措施[8-10]．

（3）模擬爆炸事故，設(shè)置臨界參數(shù)和破壞性體驗(yàn)；同時(shí)，購(gòu)買(mǎi)火災(zāi)救援模擬訓(xùn)練VR軟件，可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬，深入理解火災(zāi)、煙氣蔓延的初始化條件，熟悉滅火系統(tǒng)的動(dòng)作機(jī)制與相應(yīng)順序，在實(shí)時(shí)交互中進(jìn)行救援練習(xí)，可預(yù)測(cè)并優(yōu)化調(diào)整救援計(jì)劃．

3　結(jié)語(yǔ)

將VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在能源安全、土木類(lèi)專業(yè)，有力地形成了學(xué)科專業(yè)間的凝聚力，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)的融合發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生能力的形成，有效支撐了應(yīng)用型人才的職業(yè)勝任力特征．

針對(duì)信息化背景下對(duì)新興應(yīng)用型人才的基本需求，實(shí)踐類(lèi)課程設(shè)計(jì)改革以問(wèn)題為導(dǎo)向，通過(guò)虛擬教學(xué)技術(shù)融合于課內(nèi)實(shí)踐、認(rèn)知教學(xué)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)，不僅提高了創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性實(shí)踐課程的占比，促進(jìn)了開(kāi)放新實(shí)驗(yàn)室的利用率，更進(jìn)一步通過(guò)更新課程體系和教學(xué)手段，有效緩解了專業(yè)知識(shí)與職業(yè)能力不銜接、新興產(chǎn)業(yè)支持不足的課程體系現(xiàn)狀，促進(jìn)了學(xué)科內(nèi)涵式建設(shè)與專業(yè)特色發(fā)展．

[1] 姜禹同．虛擬仿真技術(shù)在建筑安全管理培訓(xùn)應(yīng)用與效果評(píng)估[D]．上海：華東師范大學(xué)，2022．

[2] 費(fèi)景洲，路勇，高峰，等．能源動(dòng)力類(lèi)專業(yè)開(kāi)放自主式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019，38（1）：133-136，152．

[3] 葉曉明，陳剛，成曉北，等．“新工科”背景下能源動(dòng)力專業(yè)實(shí)踐教學(xué)基地改革與實(shí)踐[J]．高等工程教育研究，2023（增刊1）：53-56．

[4] 胡蔓，趙云龍，欒曉娜，等．新工科背景下工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)模式探索[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2022，39（3）：256-259．

[5] 張廣媚．基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的建筑學(xué)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系改革研究[J]．城市建筑，2022，19（17）：107-110．

[6] 劉旭紅，武飛．基于BIM的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）在建筑工程中的創(chuàng)新應(yīng)用[J]．中外建筑，2018（4）：134-136．

[7] 俞娟．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑領(lǐng)域安全生產(chǎn)教育中的應(yīng)用與思考[J]．建筑施工，2023，45（5）：998-1000．

[8] 章竹喬．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在滅火救援模擬訓(xùn)練中的應(yīng)用分析[J]．中國(guó)設(shè)備工程，2023（5）：21-23．

[9] 張文祖．VR技術(shù)在化工安全與清潔生產(chǎn)培訓(xùn)中的應(yīng)用[J]．中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2021，41（10）：122-123．

[10] 王娜，沈力，鄧舒平．VR虛擬現(xiàn)實(shí)在電力安全生產(chǎn)教育培訓(xùn)中的應(yīng)用[J]．通信電源技術(shù)，2017，34（5）：166-167，169．

Application of virtual reality technology in practical teaching course

LIU Yan，KANG Li，HOU Qianghua，DAI Guozhong

（School of Energy and Architectural Environment，Guilin University of Aerospace Technology，Guilin 541004，China）

The design of practical teaching content and methods is an important part in improving the quality of talents and supporting the intensive development in local universities．Introducing virtual reality technology with comprehensive information technology characteristics into the practical teaching process of cultivating applied talents，it is an important practice to effectively solve the problems of scarce teaching resources，improving the safety of teaching processes，promoting the interactivity and authenticity of practical processes，effectively avoiding the fragmentation of teaching content，and teaching boredom．This reform not only effectively improves the professional competence of talents，but also further promotes the transformation of students towards composite applied talents．

virtual reality（VR）；practical teaching；career competency；practical personnel

1007-9831（2023）12-0099-04

TP393.0∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.12.017

2023-08-27

2023年廣西高等教育本科教學(xué)改革工程重點(diǎn)項(xiàng)目（2023JGZ168）；教育部產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人項(xiàng)目（201902258004）

劉巖（1977-），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，從事能源與建筑工程教學(xué)管理與技術(shù)研究．E-mail：1300983279@qq.com

康麗（1981-），女，黑龍江齊齊哈爾人，助理研究員，從事能源與建筑工程實(shí)踐教學(xué)管理研究．E-mail：19110962@qq.com