摘要:隨著科技的飛速發(fā)展和新質(zhì)生產(chǎn)力概念的提出,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。本文旨在深入探討如何利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬智能生產(chǎn)聚合平臺實(shí)習(xí)空間的構(gòu)建,并著重分析其構(gòu)建方式和在教育領(lǐng)域的深遠(yuǎn)意義。通過系統(tǒng)的論述和理論實(shí)踐分析,本文提出具有實(shí)用價(jià)值的虛擬智能生產(chǎn)聚合平臺實(shí)習(xí)空間的構(gòu)建方法,為讀者提供了一個(gè)新的視角,以此重新審視和拓展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高等教育中的意義。
關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);實(shí)習(xí)平臺;智能生產(chǎn)
引言
在科技創(chuàng)新蓬勃發(fā)展的時(shí)代背景下,數(shù)字技術(shù)對高校實(shí)習(xí)教育和勞動教育的轉(zhuǎn)型升級必然產(chǎn)生重要的影響。其中,虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)技術(shù)作為一個(gè)集虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和互聯(lián)網(wǎng)于一體的新型數(shù)字世界,為人們提供了全新的交互與體驗(yàn)方式。特別是在教育領(lǐng)域,VR技術(shù)展現(xiàn)出巨大的潛力與價(jià)值。
教育實(shí)習(xí)活動是高校實(shí)踐教育的特色補(bǔ)充。傳統(tǒng)實(shí)踐教育以手工勞動、校園活動或者志愿性勞動等形式培育學(xué)生的勞動價(jià)值觀念,并鍛煉學(xué)生的實(shí)操能力[1]。基于VR技術(shù),虛擬智能生產(chǎn)聚合平臺實(shí)習(xí)空間的構(gòu)建為高校實(shí)踐教育發(fā)展帶來了全新的可能,其不僅改變了傳統(tǒng)實(shí)踐教育的形態(tài),還賦予高校實(shí)踐教育更多的含義和勞動教育價(jià)值?;赩R技術(shù)的實(shí)踐教育,能夠充分讓學(xué)生體驗(yàn)數(shù)字化實(shí)踐教育和傳統(tǒng)實(shí)踐教育的混合教育新模式,并感受物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、生產(chǎn)自動化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等數(shù)字化新科技,使學(xué)生在虛擬空間中得到更多實(shí)踐技能的培養(yǎng)訓(xùn)練。本文旨在深入探索基于VR技術(shù)構(gòu)建虛擬智能生產(chǎn)聚合平臺實(shí)習(xí)空間方法及其教育意義。
1. 研究現(xiàn)狀分析
VR技術(shù)目前在市場上有多種應(yīng)用體現(xiàn)。在感官體驗(yàn)方面,穿越機(jī)與第一人稱視角(first person view,F(xiàn)PV)眼鏡相結(jié)合,可以幫助用戶體驗(yàn)高空高速飛行。在3D模擬方面,VR頭戴式顯示設(shè)備可帶領(lǐng)用戶以第一視角體驗(yàn)太空環(huán)境等。在模擬操控方面,可以進(jìn)行安全模擬駕駛訓(xùn)練,也可體驗(yàn)飛機(jī)駕駛模擬訓(xùn)練。隨著第六代移動通信技術(shù)(6G)的研究和人工智能的發(fā)展,利用VR技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人視覺相通的超感型機(jī)器人,幫助用戶擺脫空間限制,完成各項(xiàng)動作和實(shí)驗(yàn)[2]。這樣的技術(shù)不僅可以幫助用戶規(guī)避危險(xiǎn),而且大大節(jié)約人力和時(shí)間成本。
針對VR技術(shù)在高等教育領(lǐng)域的應(yīng)用,我國已有多名學(xué)者展開相關(guān)研究,并取得一定的研究成果。例如,趙成偉等人指出,基于VR技術(shù)可打造虛擬教學(xué)環(huán)境,提供虛擬教學(xué)資源,以開放共享的姿態(tài)鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)[3]。目前,已有部分高等院校在構(gòu)建可供學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的虛擬空間[4]。虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)在于,學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)操作時(shí),不存在安全問題,并且實(shí)驗(yàn)耗材可以重復(fù)使用,實(shí)驗(yàn)成本也更低、更高效[5]。VR技術(shù)在虛擬實(shí)驗(yàn)室和遠(yuǎn)程協(xié)作教學(xué)方面的成功案例,體現(xiàn)了其在實(shí)習(xí)教育和勞動教育方面的應(yīng)用價(jià)值。
2. 虛擬智能生產(chǎn)聚合平臺的實(shí)習(xí)空間構(gòu)建技術(shù)探討與分析
2.1 虛擬智能生產(chǎn)聚合平臺實(shí)習(xí)空間分析
基于VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬智能生產(chǎn)聚合平臺實(shí)習(xí)空間(以下簡稱“虛擬實(shí)習(xí)空間”),對學(xué)生技術(shù)技能及專業(yè)能力的培養(yǎng)有極大幫助,配備的三維虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模塊和在線教學(xué)云平臺,使學(xué)生可以隨時(shí)隨地自行開展實(shí)習(xí),為智能制造人才培養(yǎng)提供支持。實(shí)習(xí)平臺架構(gòu)如圖1所示。
(1)應(yīng)用層是實(shí)習(xí)平臺架構(gòu)的基礎(chǔ)層。主要作用是向用戶展示實(shí)習(xí)平臺的功能模塊,交互界面提供了豐富的實(shí)習(xí)空間場景選項(xiàng),方便師生快速選擇實(shí)習(xí)項(xiàng)目。運(yùn)用VR技術(shù),構(gòu)建了口袋式數(shù)字實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)與智能柔性生產(chǎn)制造系統(tǒng),涉及電氣技術(shù)、機(jī)械加工、3D打印及涂裝檢測等模塊,已初步實(shí)現(xiàn)在線虛擬培訓(xùn),提高了教育教學(xué)的直觀體驗(yàn)和學(xué)生的實(shí)踐能力。
(2)虛擬層主要負(fù)責(zé)實(shí)習(xí)平臺的各模塊虛擬窗口的可視化、設(shè)計(jì)建模及效果分析。師生通過在虛擬層的操作,實(shí)現(xiàn)實(shí)習(xí)項(xiàng)目的虛擬化,滿足相應(yīng)教學(xué)要求。
(3)控制層是實(shí)習(xí)平臺的主要監(jiān)管層,主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)控制、數(shù)控設(shè)備控制、機(jī)器人控制、立體倉庫控制和生產(chǎn)線控制,實(shí)現(xiàn)虛擬平臺與實(shí)物之間連接的同時(shí),進(jìn)行數(shù)字信號的流通和數(shù)據(jù)資源的共享。
(4)設(shè)備層主要負(fù)責(zé)演示虛擬操作任務(wù),涉及口袋式實(shí)驗(yàn)設(shè)備、數(shù)控設(shè)備、機(jī)器人、立體倉庫和生產(chǎn)線。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作演示,可以檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性,并提供可視化的動態(tài)展示過程。
2.2 虛擬實(shí)習(xí)空間構(gòu)建的技術(shù)分析
2.2.1 虛擬實(shí)習(xí)空間實(shí)現(xiàn)路徑
虛擬實(shí)習(xí)空間的構(gòu)建需要很多先進(jìn)技術(shù)的支持,如VR技術(shù)、3D建模技術(shù)、人工智能(AI)技術(shù)等。融合多項(xiàng)技術(shù)的虛擬實(shí)習(xí)空間,可以更具真實(shí)感和科技感,提供給學(xué)生沉浸式的實(shí)操體驗(yàn)。通過對高等教育實(shí)際市場的需求分析,確??臻g滿足實(shí)際應(yīng)用場景的需要。
2.2.2 虛擬實(shí)習(xí)空間框架構(gòu)建
(1)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(augmented reality,AR)技術(shù)構(gòu)建基礎(chǔ)框架。利用VR和AR技術(shù)創(chuàng)建虛擬空間環(huán)境,使用者能夠沉浸式體驗(yàn)實(shí)習(xí)和勞動教育空間。
(2)云計(jì)算(compute cloud,CC)和邊緣計(jì)算(edge computing,EC)技術(shù)的應(yīng)用。虛擬實(shí)習(xí)空間的運(yùn)行依賴海量數(shù)據(jù),充分利用CC和EC技術(shù)駕馭這些數(shù)據(jù),可以幫助空間實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效流通運(yùn)算[5]。這樣不僅能夠提升用戶的使用流暢體驗(yàn),而且解決了空間存儲容量不足的問題。
(3)深度學(xué)習(xí)(deep learning,DL)與人工智能(artificial intelligence,AI)技術(shù)的加持。充分開拓虛擬實(shí)習(xí)空間的使用功能,可以利用AI和DL技術(shù),創(chuàng)建高智能的輔助培訓(xùn)師角色以及一對一的精準(zhǔn)服務(wù)。智能NPC還可以向用戶提供學(xué)習(xí)攻略和規(guī)劃等功能,提升用戶的高級學(xué)習(xí)體驗(yàn)和空間的培訓(xùn)效果。
(4)6G和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。利用6G和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),打造高效、安全、無延遲的空間網(wǎng)絡(luò)組態(tài)系統(tǒng),這樣構(gòu)建的高性能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)讓實(shí)習(xí)教育和勞動教育不再受到地理空間的限制。
2.2.3 虛擬實(shí)習(xí)空間設(shè)計(jì)開發(fā)
(1)場景布局及操作設(shè)計(jì)。虛擬實(shí)習(xí)空間將根據(jù)用戶的實(shí)際教育教學(xué)需求,設(shè)計(jì)合理的空間布局結(jié)構(gòu),開發(fā)適宜的多樣化教學(xué)場景,如各專業(yè)類型實(shí)驗(yàn)室、多媒體教室、專業(yè)課程實(shí)踐、課程設(shè)計(jì)任務(wù)等。
(2)實(shí)習(xí)實(shí)踐項(xiàng)目制作。在傳統(tǒng)實(shí)踐教育的基礎(chǔ)上,融合網(wǎng)絡(luò)數(shù)字資源,將虛擬實(shí)習(xí)空間打造為大型實(shí)習(xí)工廠和勞動教育場所,用戶可以選擇難度不同的實(shí)習(xí)實(shí)踐項(xiàng)目。
(3)用戶交互設(shè)計(jì)與升級優(yōu)化。虛擬實(shí)習(xí)空間將以用戶超高的交互體驗(yàn)感和運(yùn)行速率為設(shè)計(jì)目標(biāo),開發(fā)既容易操作,又美觀大方的交互界面,并將響應(yīng)速率定義在微秒級[6]。
2.2.4 虛擬實(shí)習(xí)空間操作平臺搭建與運(yùn)營
(1)操作平臺的搭建與功能。虛擬實(shí)習(xí)空間操作平臺以穩(wěn)定高效運(yùn)行的搭建理念,實(shí)現(xiàn)廣大用戶的注冊登錄、數(shù)據(jù)記錄分析、實(shí)踐操作管理等功能。
(2)構(gòu)建交流社區(qū)實(shí)現(xiàn)多方互動。虛擬實(shí)習(xí)空間開發(fā)有不同主題的用戶交流社區(qū),目的是方便各用戶交流心得體會與傳授學(xué)習(xí)策略,可有效地促進(jìn)知識和學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的共享。
(3)平臺的維護(hù)運(yùn)營。建立空間運(yùn)維管理體系,保證空間中場景模型數(shù)據(jù)的正常工作。建立空間實(shí)時(shí)更新維護(hù)機(jī)制,防止運(yùn)行過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余和空間宕機(jī)等情況。
2.2.5 虛擬實(shí)習(xí)空間生態(tài)鏈構(gòu)建
(1)多方合作實(shí)現(xiàn)資源的整合。虛擬實(shí)習(xí)空間的建設(shè)運(yùn)營,不僅需要政府的大力支持,同時(shí)也需要科研院所和企業(yè)的共同努力,為創(chuàng)建教育資源高度融合的生態(tài)鏈而團(tuán)結(jié)合作[7]。
(2)建立行業(yè)新的標(biāo)準(zhǔn)。充分利用社會資源,積極研究探討和制定虛擬實(shí)習(xí)空間的新標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)體系的建立,將會是推動虛擬實(shí)習(xí)空間朝著更加專業(yè)化和智能化方向發(fā)展的基石。
(3)生態(tài)鏈的可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。虛擬實(shí)習(xí)空間生態(tài)鏈初具規(guī)模后,可以吸引更多的資本和教育資源。這些資源構(gòu)成的空間生態(tài)鏈,可以更好地提高虛擬實(shí)習(xí)空間的科技含量和應(yīng)用價(jià)值,共同推動虛擬實(shí)習(xí)空間的高速發(fā)展。
2.2.6 虛擬實(shí)習(xí)空間安全性和隱私性
(1)高級加密技術(shù)構(gòu)建安防體系。利用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最先進(jìn)的加密算法,構(gòu)建全方位保障用戶數(shù)據(jù)安全的虛擬實(shí)習(xí)空間。在硬件上,配備天花板級別防火墻。在軟件方面,增添數(shù)據(jù)安全審核系統(tǒng)等在內(nèi)的多層次安防屏障。經(jīng)過軟硬件上的雙重保險(xiǎn),可以及時(shí)應(yīng)對和清除潛在的安全威脅[8]。
(2)權(quán)限管理和安全監(jiān)測。虛擬實(shí)習(xí)空間通過登錄時(shí)設(shè)置的多重身份驗(yàn)證功能,保證進(jìn)入空間的用戶的真實(shí)性??臻g將設(shè)置用戶管理中心和數(shù)據(jù)安全監(jiān)測中心,并定期向用戶推送安全課程和注意事項(xiàng),增強(qiáng)用戶的安全防范意識和空間的安全性。
(3)試點(diǎn)運(yùn)行。虛擬實(shí)習(xí)空間搭建完成后,第一時(shí)間在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行小范圍試點(diǎn)運(yùn)行,以測試空間的安全性,對空間進(jìn)行創(chuàng)新升級,保障虛擬實(shí)習(xí)空間在正式投入使用后,能夠高效平穩(wěn)地運(yùn)行。
3. 虛擬實(shí)習(xí)空間構(gòu)建的教育意義
3.1 提升實(shí)習(xí)培訓(xùn)效果
虛擬實(shí)習(xí)空間在構(gòu)建過程中,將采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和人工智能等多種技術(shù),極大地提高空間環(huán)境的逼真性和智能性。用戶在空間中進(jìn)行學(xué)習(xí)培訓(xùn)時(shí),代入感會更強(qiáng),這樣的體驗(yàn)?zāi)軌驑O大提升用戶的學(xué)習(xí)興趣。
3.2 打破時(shí)間和空間上的限制
傳統(tǒng)的實(shí)習(xí)教育模式因時(shí)間和空間的影響,教育培訓(xùn)的效果會大打折扣。虛擬實(shí)習(xí)空間打破了時(shí)空的限制,用戶可以輕松地與各領(lǐng)域的專家學(xué)者進(jìn)行無障礙交流溝通,提高了教育資源的利用率,充分實(shí)現(xiàn)了教育資源的優(yōu)化共享。
3.3 提升綜合實(shí)踐能力
虛擬實(shí)習(xí)空間實(shí)驗(yàn)室為用戶提供各種物化實(shí)驗(yàn)操作平臺,空間實(shí)習(xí)基地向用戶提供實(shí)習(xí)實(shí)踐平臺。用戶通過親自模擬操作,鞏固和深化理論知識,提升實(shí)踐能力。這種模擬實(shí)際的操作方式是安全可控的,尤其適合于高危實(shí)驗(yàn)和工況[9]。同時(shí),虛擬實(shí)習(xí)空間讓更多用戶接觸到高等級的學(xué)習(xí)資源,提升他們的綜合素質(zhì)能力。
3.4 實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教育
虛擬實(shí)習(xí)空間可以支持用戶進(jìn)行二次開發(fā)。虛擬實(shí)習(xí)空間的教育內(nèi)容可以根據(jù)不同場景的需求進(jìn)行個(gè)性化的設(shè)計(jì)和開發(fā)。虛擬實(shí)習(xí)空間給予用戶更多的自主選擇性,用戶可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)領(lǐng)域和進(jìn)度,選擇合適的學(xué)習(xí)模式和路徑。這種功能可以滿足市場多樣化的需求,為開展個(gè)性化教育開辟了新思路。
3.5 培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力
虛擬實(shí)習(xí)空間具有開發(fā)有團(tuán)隊(duì)合作模式,用戶可以組建團(tuán)隊(duì)去完成任務(wù)。針對不同領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)適配有不同的任務(wù),通過團(tuán)隊(duì)合作方式共同完成項(xiàng)目。這種學(xué)習(xí)方式可以更加高效地提高用戶的團(tuán)隊(duì)合作能力。
3.6 培育創(chuàng)新實(shí)踐能力
在虛擬實(shí)習(xí)空間實(shí)驗(yàn)室,不用考慮危險(xiǎn)因素,可以通過反復(fù)試驗(yàn),驗(yàn)證創(chuàng)新想法。在空間實(shí)習(xí)基地,用戶還可以接觸使用各種各樣的高端設(shè)備,開展全流程的動手操作練習(xí)。這樣的培育方式能夠大大提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。
綜上所述,虛擬實(shí)習(xí)空間在提高用戶的綜合素質(zhì)能力方面優(yōu)勢明顯。同時(shí),通過虛擬實(shí)習(xí)空間,教育資源的傳播范圍更加廣泛,教育的公平性得到更大的體現(xiàn)。
4. 虛擬實(shí)習(xí)空間構(gòu)建的局限性
4.1 虛擬實(shí)習(xí)空間開發(fā)成本高
虛擬實(shí)習(xí)空間的開發(fā)創(chuàng)建需要大量的資金投入,同時(shí)也需要多種先進(jìn)技術(shù)的支持,這樣的高態(tài)勢將使其前期的投入成本很高,后期仍然需要投入大量的人力和物力,高昂的成本和高門檻的技術(shù)是阻礙其快速發(fā)展的重要因素。
4.2 虛擬實(shí)習(xí)空間的數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)安全
虛擬實(shí)習(xí)空間面向的是高等教育和全社會的培訓(xùn)教育,將會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)集群,包括用戶的個(gè)人信息和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)記錄,這些數(shù)據(jù)都會存儲在虛擬實(shí)習(xí)空間中。為了保障用戶的隱私權(quán)益和海量數(shù)據(jù)的安全,虛擬實(shí)習(xí)空間需要建立強(qiáng)大的安防系統(tǒng),這是虛擬實(shí)習(xí)空間面臨的數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)安全的核心問題[10]。
4.3 教育內(nèi)容與質(zhì)量的不確定性
虛擬實(shí)習(xí)空間作為一款新興的互聯(lián)網(wǎng)教育工具,仍存在一些不確定因素。如何確保虛擬實(shí)習(xí)空間實(shí)習(xí)內(nèi)容的科學(xué)性和實(shí)踐性,是很值得深入研究和探索的問題。同時(shí),由于虛擬實(shí)習(xí)空間開放自由的特點(diǎn),可能會給教育環(huán)節(jié)帶來一些不良信息和潛在的風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)容,這需要空間的開發(fā)運(yùn)維者對進(jìn)入空間的數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的審查和監(jiān)聽[11]。
綜上所述,虛擬實(shí)習(xí)空間在未來互聯(lián)網(wǎng)教育方面雖然具有很多明顯的優(yōu)勢,但也存在技術(shù)門檻高、運(yùn)維成本高、學(xué)生適應(yīng)性、數(shù)據(jù)安全問題以及教育內(nèi)容與質(zhì)量的不確定性等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)需要在空間實(shí)際應(yīng)用中逐步發(fā)現(xiàn)和改善,以推進(jìn)虛擬實(shí)習(xí)空間在教育領(lǐng)域的長期健康發(fā)展。
結(jié)語
通過對虛擬實(shí)習(xí)空間的技術(shù)框架分析,以及對虛擬實(shí)習(xí)空間在實(shí)現(xiàn)實(shí)習(xí)教育和勞動教育功能方面的路徑探索,發(fā)掘空間的潛在價(jià)值和教育優(yōu)勢。虛擬實(shí)習(xí)空間不僅能為用戶提供更直接的學(xué)習(xí)體驗(yàn),還促進(jìn)了教育資源的深度共享,提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)能力。
未來,隨著技術(shù)的突破和成本的降低,虛擬實(shí)習(xí)空間將展現(xiàn)出不可限量的作用,培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才,為高等教育向數(shù)智化進(jìn)階提供強(qiáng)有力的支撐。
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