虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)施設(shè)備管理實踐教學(xué)中的應(yīng)用

崔玉美　陳斌　張志剛

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；實踐教學(xué)；建筑設(shè)施設(shè)備管理

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）03-0110-02

繼1989年虛擬現(xiàn)實（ Virtual Reality，VR）的概念在美國VPL公司誕生之后，掀起了相關(guān)研究的熱潮。隨著傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)及仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以其沉浸性、構(gòu)想性、交互性等特征，讓使用者如同身臨其境一般，可以獲得非常好的體驗效果，在各行各業(yè)中得以廣泛應(yīng)用。

高職實踐性教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)崗位技能的重要手段，但是很多實踐項目由于受場地或者設(shè)備的限制無法很好地完成，因此應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以根據(jù)需要構(gòu)建任何實訓(xùn)場景，不需要購買太多昂貴又占用場地的實訓(xùn)設(shè)備，突破傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)在時空、設(shè)備、成本和內(nèi)容等方面的限制[1]，為學(xué)生提供一個全新的虛擬空間，讓學(xué)生帶上眼罩或頭套、手套等外圍設(shè)備，通過視、聽、觸覺等感官，沉浸在虛擬的現(xiàn)實中解決問題，增強了學(xué)生課堂的參與度，極大地提高實踐教學(xué)的質(zhì)量。

1 傳統(tǒng)實踐教學(xué)局限性

職業(yè)教育不同于普通高等教育，更加注重培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和解決現(xiàn)場實際問題的能力。雖然職業(yè)院校為了提高學(xué)生技術(shù)技能與行業(yè)企業(yè)崗位對接的契合度，在很多專業(yè)實訓(xùn)基地建設(shè)上有大量的投入，在不斷地增加或更新實訓(xùn)設(shè)施設(shè)備，但是傳統(tǒng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)仍存在著很多的局限性。

1.1 危險實訓(xùn)場景無法呈現(xiàn)

在實踐教學(xué)中，某些實訓(xùn)操作的場景相對很危險[2]，比如：高壓電工作業(yè)、建筑高空測量、登高施工、危險化學(xué)品試驗等，如果要求學(xué)生到現(xiàn)場真刀真槍地進行實訓(xùn)操作，學(xué)生的人身安全很難得到保證，在“安全第一”的原則下，授課教師不愿意也不會去冒這個險，因此這類的實訓(xùn)教學(xué)往往就不開設(shè)了，或者也就只能停留在觀看視頻、動畫、查資料寫報告等形式上，導(dǎo)致教學(xué)達不到預(yù)期的效果。

1.2 實訓(xùn)內(nèi)容難以整體展示

在有些實踐教學(xué)中，無法呈現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)整體運行效果，比如：建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、人體循環(huán)系統(tǒng)等的真實情況，教師只能通過模型講解或者靠學(xué)生想象，來抽象地進行理解，嚴(yán)重地影響了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

1.3 無法實現(xiàn)經(jīng)常性的反復(fù)訓(xùn)練

由于受場地、空間、設(shè)備等因素的限制，實訓(xùn)設(shè)備數(shù)量、工位數(shù)往往滿足不了學(xué)生的需求。比如，在空調(diào)、機泵等設(shè)備拆裝實訓(xùn)、設(shè)備故障點排查等實訓(xùn)的過程中，往往不可能保證每名學(xué)生人手一臺設(shè)備，人人動手操作，只能進行分組操作或者教師進行演示而學(xué)生觀看學(xué)習(xí)。還有的實訓(xùn)，在操作過程中會導(dǎo)致設(shè)備損耗嚴(yán)重、后期更新維護困難等問題，不利于學(xué)生反復(fù)訓(xùn)練，甚至無法開展訓(xùn)練，這都在一定程度上影響了實踐教學(xué)的效果。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其優(yōu)越性

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是仿真技術(shù)的一個重要方向，是一門富有挑戰(zhàn)性的前沿學(xué)科和研究領(lǐng)域。它是綜合利用計算機圖形學(xué)、傳感器技術(shù)、光電成像技術(shù)、計算機仿真、人工智能等多種技術(shù)，創(chuàng)建的一個逼真的，具有視、聽、觸等多種感知的計算機仿真系統(tǒng)。學(xué)習(xí)者可以借助設(shè)備沉浸于虛擬環(huán)境之中，與虛擬環(huán)境中的實體進行交互，產(chǎn)生等同于真實物理環(huán)境的體驗、認知和感受。

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到實踐教學(xué)中，讓學(xué)習(xí)者親身去經(jīng)歷、去感受、主動去交互，一定會比空洞抽象的說教更具說服力，比被動地灌輸更容易被接受。

因此利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有傳統(tǒng)實踐教學(xué)無法比擬的優(yōu)越性，主要在于以下幾點。

2.1 突破硬件要求限制，規(guī)避實訓(xùn)風(fēng)險

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，克服了教學(xué)場地的局限性，學(xué)習(xí)者可以打破空間、時間的限制，即可以通過虛擬實訓(xùn)環(huán)境，通過聽覺、視覺、觸覺等逼真的感官體驗，如同身臨其境一般完成各種實驗，并可以放心地去做各種危險的實驗，學(xué)生和教師也不用提心吊膽，比如高壓測量、高空作業(yè)、某些化學(xué)實驗，或者是真實環(huán)境下不可能做的實驗，比如體驗歷史事件，或者體驗黑洞，并獲得與真實的工作環(huán)境一樣的效果，既保證了學(xué)習(xí)成效和教學(xué)效果，同時也規(guī)避了實驗實訓(xùn)的風(fēng)險。

2.2 節(jié)約成本，反復(fù)練習(xí)

虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性，可以使學(xué)生在虛擬的環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)中去，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。比如汽車維修、電氣設(shè)備拆裝、中央空調(diào)的清洗等各種職業(yè)技能的訓(xùn)練，由于虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)無任何危險，又節(jié)約耗材，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，直至熟練掌握操作技能為止。

2.3 實訓(xùn)項目豐富，更新便捷

虛擬實訓(xùn)項目可以通過純仿真模擬、虛實一體化聯(lián)動等各種方式開展，根據(jù)教學(xué)和實訓(xùn)內(nèi)容的多樣化增加虛擬實訓(xùn)硬件及軟件，教學(xué)內(nèi)容也可以根據(jù)崗位的需求不斷更新完善，使實踐訓(xùn)練及時跟上行業(yè)企業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展。

2.4 生動逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于理解抽象事物

研究數(shù)據(jù)表明，人們對親身經(jīng)歷或者模擬操作的事情可以記住80%以上，虛擬設(shè)備將有機會幫助學(xué)習(xí)者大幅提升學(xué)習(xí)的效果。在傳統(tǒng)教學(xué)中，知識的傳授一般是依靠簡單的文字和圖片等形式來進行，這些用于講授看得見、摸得著的事物是容易被理解和接受的。但是對于一些比如宏觀的或者微觀的現(xiàn)象，歷史的或者將來的事件，就很難解釋得通俗易懂了。相對于傳統(tǒng)教學(xué)中知識的扁平性，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以打破人類在時間與空間上的認知障礙，為學(xué)習(xí)者提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，如構(gòu)建人體系統(tǒng)、外太空旅行、分子結(jié)構(gòu)等，將知識信息呈現(xiàn)得更為直觀、立體、豐富，可以在廣泛的科學(xué)領(lǐng)域中為學(xué)習(xí)者提供無限的虛擬體驗，從而加速和鞏固他們學(xué)習(xí)知識的過程，有效幫助其加深學(xué)習(xí)印象，深刻理解抽象事物。

2.5 提高學(xué)生參與度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣虛

擬現(xiàn)實技術(shù)為情景學(xué)習(xí)帶來了前所未有的技術(shù)方面的支持，解決了傳統(tǒng)教學(xué)脫離真實場景的問題，通過設(shè)置與真實情境類似的場景，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)教學(xué)場地所帶來的局限性，學(xué)生不出教室就可以進入逼真的教學(xué)情境，通過交互認識世界，使沉浸式教學(xué)課堂變得更加生動有趣，獲取成就感、愉悅感，更重要的是這種學(xué)習(xí)體驗會激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力，從而調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)生動力，增加學(xué)習(xí)體驗與參與度。

3 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的《建筑設(shè)施設(shè)備管理》課程實踐教學(xué)

《建筑設(shè)施設(shè)備管理》是一門理論性與實踐性都很強的專業(yè)核心課程，對于職業(yè)教育的學(xué)生來說有一定的難度，又比較枯燥。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用暫不能完全取代傳統(tǒng)教學(xué)，但通過沉浸式的體驗與企業(yè)實景參觀相結(jié)合，勢必可以改革和優(yōu)化教學(xué)形態(tài)和教學(xué)內(nèi)容，突破原有教學(xué)瓶頸[3]，有效地輔助和改善教學(xué)，提升課程應(yīng)用技能的學(xué)習(xí)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，更好地適應(yīng)和服務(wù)新時代的需要。

3.1 構(gòu)建虛擬實訓(xùn)室

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建多維度仿真實訓(xùn)室，創(chuàng)建一個逼真的虛擬環(huán)境，通過對建筑內(nèi)部的暖通空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等運行過程的真實模擬，向?qū)W生展示整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、邏輯關(guān)系、運行維護等情況，甚至可以模擬運行故障，讓學(xué)生去發(fā)現(xiàn)并學(xué)會解決問題，反復(fù)地觀察、操作，進行學(xué)習(xí)和探索，能夠輔助教師課堂教學(xué)，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

我院上海市智慧城市與物業(yè)管理公共實訓(xùn)基地的虛擬仿真實訓(xùn)室可以完成以下功能，同時該仿真系統(tǒng)也在根據(jù)企業(yè)崗位的需求不斷地更新過程中。

1） 虛擬漫游巡檢：構(gòu)建了基于建筑真實場景的虛擬仿真空間，學(xué)習(xí)者只需要戴上專用的VR眼鏡，就可以以第一人稱視角體驗建筑設(shè)施設(shè)備整體結(jié)構(gòu)環(huán)境，在虛擬空間里漫游觀看，了解各個系統(tǒng)運行情況，漫游巡檢，酷似游戲一樣給人一種真實的感受，實現(xiàn)了可視化運維。

2） 設(shè)備虛擬拆裝、維保：設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)成透視化，可以逐層可視化拆解和裝配，讓學(xué)生能夠很方便地根據(jù)設(shè)備構(gòu)成原理圖、材料清單了解設(shè)備，在拆解和裝配的過程中，還可以點選相關(guān)部件顯示歷次維修記錄、顯示維保信息等，學(xué)生可以反復(fù)多次地進行感知度極高且具有安全性保障的模擬操作訓(xùn)練。

3） 可視化設(shè)備管理臺賬[4]：在虛擬場景的導(dǎo)航面板上，系統(tǒng)會全局顯示在建筑場景內(nèi)，根據(jù)規(guī)范要求需要保養(yǎng)維護的設(shè)備列表，在虛擬場景漫游過程中，系統(tǒng)會提示附近的設(shè)備是否需要進行維護保養(yǎng)。

4） 智能檢索技術(shù)規(guī)范：虛擬場景支持智能式檢索相關(guān)技術(shù)手冊，通過逐層拆卸實現(xiàn)維護設(shè)備零部件與相關(guān)管理知識相對應(yīng)，可以隨時查詢相應(yīng)的維護操作規(guī)范，方便學(xué)習(xí)者對設(shè)備維護維修的問題進行學(xué)習(xí)研究和掌握。

5） 學(xué)習(xí)考核：系統(tǒng)可以根據(jù)需要在學(xué)生終端進行安裝，其中設(shè)置了各種實訓(xùn)項目練習(xí)題目，讓學(xué)生在“通關(guān)游戲”中，完成知識的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生在“觀”“巡”“悟”的過程中掌握設(shè)施設(shè)備的使用、監(jiān)控、維護的基本知識，將理論知識與實踐有機地結(jié)合在一起，有效地提升教學(xué)質(zhì)量。

3.2 豐富課程教學(xué)資源建設(shè)，改進教學(xué)模式

虛擬仿真實訓(xùn)的應(yīng)用，可以促進授課教師認識并應(yīng)用新興技術(shù)，更新教學(xué)理念，不斷改進教學(xué)方法和手段。借助虛擬現(xiàn)實仿真實訓(xùn)平臺，通過設(shè)置一些交互式虛擬工作場景、設(shè)備維護保養(yǎng)場景、視頻介紹等，充分展示設(shè)備組成、系統(tǒng)構(gòu)造、工作流程等內(nèi)容，進行有效的教學(xué)資源開發(fā)制作，可以在很大程度上解決教學(xué)設(shè)備不全或者短缺的問題。與企業(yè)共同開發(fā)基于企業(yè)實際案例的教學(xué)實訓(xùn)項目，不斷優(yōu)化典型實訓(xùn)項目，依托MOOC、智慧職教、學(xué)銀在線等信息交互技術(shù)平臺，共享優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，使企業(yè)內(nèi)訓(xùn)資源與學(xué)校教學(xué)資源緊密結(jié)合，構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下相結(jié)合的個性化教學(xué)模式，多平臺、多媒介、多渠道地加強學(xué)習(xí)交流和討論互動，學(xué)習(xí)者跨越了時間和空間界限，以豐富多樣化的教學(xué)理念和教學(xué)方式，將專業(yè)崗位知識融會貫通，虛實結(jié)合提升實踐教學(xué)效果，探索符合人才培養(yǎng)規(guī)律的信息化教學(xué)新體系[5]。

3.3 德技并修，全過程育人

課程是載體，教師是教學(xué)任務(wù)的承擔(dān)者，不僅是授業(yè)解惑，更重要的是要懂得如何育人。習(xí)近平在全國高校思想政治工作會議上指出，“要運用新媒體新技術(shù)使工作活起來，推動思想政治工作傳統(tǒng)優(yōu)勢同信息技術(shù)高度融合，增強時代感和吸引力”。利用虛擬仿真平臺融入課程思政元素，可以在平臺中設(shè)置可愛的虛擬人物形象，以風(fēng)趣幽默的語言與進行溝通交流，拉近課程與學(xué)生的距離，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義精神和高尚的職業(yè)道德，傳播弘揚中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化和工匠精神，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的價值觀，實現(xiàn)學(xué)校課程思政影響力，從線下到的線上有效延伸。

4 結(jié)束語

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的仿真實訓(xùn)平臺，在更大程度上滿足了學(xué)生對專業(yè)課程實踐學(xué)習(xí)的需求，為建筑設(shè)施設(shè)備管理課程教學(xué)帶來了全新的體驗，為教師教學(xué)提供可重復(fù)、學(xué)生學(xué)習(xí)可反復(fù)、師生可充分互動的實訓(xùn)情景，有助于提高學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)創(chuàng)新意識，實現(xiàn)人才培養(yǎng)手段的現(xiàn)代化與高效化。雖然虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入教育教學(xué)中，對課堂教學(xué)和學(xué)習(xí)模式都是大有裨益，但值得注意的是，技術(shù)在某些方面還是需要進一步完善和優(yōu)化的，比如畫面的分辨率和清晰度有待提高，眼鏡等終端可穿戴設(shè)備戴久了就產(chǎn)生眩暈等不良反應(yīng)，都會影響學(xué)習(xí)者的使用體驗。因此，教師應(yīng)該把握合適的教學(xué)方式方法，將新的技術(shù)和設(shè)備適度合理使用，以期達到最佳學(xué)習(xí)效果。