机械工程学科虚拟仿真教学资源开发建设与应用

 
摘  要：虚拟仿真教学资源引入理工科专业教学，将会发生一场教学革命。就虚拟现实技术特点、该技术应用现状、国家对该技术应用的指导意见等内容进行了讨论。根据多年的理论研究与实践经验，以机械工程学科为例，重点给出了应用该技术构建虚拟仿真教学资源的建设思想与流程，并介绍了几个典型的虚拟仿真教学资源与系统。最后，还对开发实践中遇到的若干问题进行了剖析，以飨读者。
关键词：虚拟现实；虚拟仿真教学资源；虚拟实验；在线云平台；3D版教材

0  引言

“教学”一词指出了教学活动中不同参与主体：老师和学生、不同分工任务：教与学的本质。“学习”一词又揭示了学生学习知识、培养能力的必然过程：先“学”、再“习”的思想。“学以致用”更是点出了人类学习活动的出发点与落脚点是“将知识进行应用”的精髓。
那么，为什么要建设虚拟仿真教学资源？其关键技术即虚拟现实技术在现代教育教学中的重要作用到底是什么呢？
虚拟现实技术是计算机图形学和人机交互技术的发展产物，具有如下特点：（1）Immersion沉浸感（三维可视化，3D—情景式体验教学模式）：要求虚拟现实系统能使用户真切地感觉到虚拟环境的存在地，真正实现人与虚拟环境的“融合”，最理想的情况是虚拟环境达到了让用户真假难辨的程度；（2）Interaction交互性（教师、学生自主互动操作）：指虚拟现实系统能够提供方便的、丰富的、自然的人机交互手段，使用户能对虚拟场景中的对象进行自然和谐的交互操作，并能从虚拟环境中得到反馈的信息。它是人机和谐的关键因素；（3）Imagination构想性（根据教学需要，设定展示形式及内容）：指针对某一特定的领域，不仅要解决用户应用的需要，而且需要有丰富的想象力，使人沉浸在虚拟环境中并且能获取新的知识，提高感性和理性的认识，从而达到深化概念、萌发新意的目的^[1-2]。
古人说，天下之事，闻者不如见者知之为详，见者不如居者知之为尽。诗亦云，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。这些均在指出实践的重要性。除了阅读书本、课堂听讲，在实践中进一步完成认知，并在实践中升华知识、实现能力转化，才是根本的方法与目的。
在高校教育、职业教育等各类各级教育教学中，常规依托实物开展的实践教学，普遍存在台套数不足、成本高、安全隐患大、有污染或不可及（周期长、高危、高消耗等原因）等问题。虚拟现实技术在教育教学活动中应用，能够弥补上面所提到的实物实践教学不足，某些时候有不可替代的作用。同时，在理论教学实施中，也有神奇效果并起到巨大推动作用。具体来说，虚拟现实技术应用能够带来两个方面的变革^[3]。
一方面，通过虚拟仿真的知识传达方式，实现更有效的知识认知与理解^[4]。基于虚拟现实的教学方法，是以三维可视化的方式传达知识，表达方式更富有感染力和表现力。虚拟现实技术使抽象、模糊变为了具体、直观，将单调乏味变成丰富多变、极富兴趣，令常规不可观察变为近在眼前、触手可及。例如虚拟过程，就是将真实世界中无法看到的变化，或变化太快、太慢的过程，以及太微观、太宏观的事物与变化过程呈现出来。另一方面，通过虚拟仿真的实践方式，实现知识转化与能力培养^[5]。亲身经历与感受，比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动地观看有质的差别。例如虚拟实验，就是令学习者在创设的虚拟环境中，通过与虚拟对象的交互，例如拆解、装配、驱动与操控等，带给学习者一定程度的实践体验，增加学习者的直接经验，辅助知识转化为能力。
教育部编制了《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》（以下简称《规划》）^[6]。《规划》第一部分“发展任务”的第五章“加快职业教育信息化建设，支撑高素质技能型人才培养”中，提出建设仿真实训室、虚拟仿真实训教学软件以及职业教育数字资源的具体要求。第六章“推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式”中，指出建设数字教育教学资源库、在信息化条件下学生自主学习，以及科研成果转化为数字教学资源及在教学中应用的具体要求。《规划》第三部分“行动计划”的第十二章“优质数字教育资源建设与共享行动”中，关于“建设各级各类优质数字教育资源”，具体指出要建设20000门优质网络课程及其资源，以及遴选和开发1500套虚拟仿真实训实验系统。还强调了要“建立数字教育资源共建共享机制”。具体指出制定政府购买优质数字教育资源与服务的相关政策，支持使用者按需购买资源与服务，鼓励企业和其他社会力量开发数字教育资源、提供资源服务。按照《规划》指导思想，教育部启动了相关的若干建设工程。包括自2013年起评选国家级虚拟仿真实验教学中心的工作，至今已评选了300个。还有名校建设工程，力推虚拟仿真教学资源的规划、建设与应用。
近年来，很多学校也陆续采用虚拟现实技术，建设了各种学科专业的数字化虚拟仿真教学资源，在教学实践中，展现出了显著效果。例如，某校机械工程学科的教学资源建设成果包括机械制造装备、箱体零件加工、机械原理、液压与气压传动、PLC、画法几何与机械制图、机械设计、模具、力学、虚拟工厂等。
总之，在教育教学中应用虚拟现实技术势在必行、迫在眉睫。必将带来新的教育思维，解决以前无法解决的问题，必将引起教育理念与教育方式的一系列重大变革。

1  虚拟仿真教学资源的类型、特点及建设流程——以机械
工程学科为例

1.1  虚拟仿真教学资源的类型^[7]

（1）教材知识类：依据教材及教学大纲，系统化构建仿真系统，将抽象的知识点形象化、立体化。
（2）现有实验类：将现有实验虚拟仿真，以拓展真实实验，且摆脱地点限制，随时随地实验学习。
（3）企业一线类：将企业一线的生产环节（课堂不易讲、对学生意义大）虚拟仿真，方便学生在校内体验学习。
（4）设想类：属于设想或规划，没有实物参考，可依靠老师的讲解、网络搜集图片、参考书籍资料，进行仿真教学资源开发，方便学习交流。

1.2  虚拟仿真教学资源的特点^[8]

虚拟仿真教学资源的特点如下：
（1）将知识要点附加到三维模型上，实现知识要点的三维可视化；
（2）三维结构可以任意旋转、缩放，互动拆装；
（3）工作原理三维动画展示；
（4）计算仿真结果三维可视化；
（5）三维电路仿真接线及测试；
（6）虚拟场景，可自由行走、体验、观察。

1.3  虚拟仿真教学资源的建设流程

（1）确定建设项目：确定建设项目，并提供指导书、设备图片或示意图或录像（展现或说明设备的结构、原理、使用过程）等任何必要的说明材料。
（2）细化脚本：应包括教学或实验项目设计及展示形式、学生互动学习或实验的方法和步骤、实验数据分析方法及评分标准等。
（3）编写设计说明书：依据老师的需求，编写“设计说明书”，指导开发。期间可能安排制作人员现场学习、实地录像。
（4）实施制作：3D建模、贴图处理、渲染、动画、配音、编程等。

2  虚拟仿真实验的建设思路——以机械工程学科为例

2.1  列出实验所需要用的设备、仪器、仪表、工具等，以及操作使用方法或
使用说明书（如相应设备、仪器、仪表、工具等的图片或录像等）

2.2  按照“教-学-练-考”的路线或内涵，进行虚拟仿真实验项目的脚本编写

（1）“教-学-练-考”的内涵。
“教”：提出实验原理、实验目的、实验操作步骤、实验注意事项等方面的要求，确定该部分的展示形式，例如“以文字、图片、视频、3D动画中的某一种或多种形式，进行哪个结构部分的展示，进行哪个原理或过程的展示，以完成实验前的教学指导。
“学”：提出学习内容，如观看学习实验步骤、了解实验仪器结构及操作方式等。确定该模块的展示形式，如学生以观看三维演示动画的形式进行实验学习、通过点击按钮按步骤进行实验学习、通过鼠标控制进行实验仪器的结构学习、操作练习等。
“练”：学生在此按步骤进行实验练习。实验操作步骤描述。
“考”：在此描述实验数据的分析、处理方法，得出实验结果后的评分标准。
（2）脚本编写。
1）脚本范例——直动式溢流阀动画脚本（见表1）。
表1  直动式溢流阀动画脚本

序    号	过 程 描 述	字    幕
1	完整的直动式溢流阀外观展示（5 s）
2	显示三维剖视图	标注：P、T、c、e、g
3	液压油经进油口P、阀芯径向孔、轴向孔g进入阀芯下端腔c	Fs>pA Fs：调压弹簧预紧力 p：阀芯下腔压力 Ａ：阀芯下腔面积
４	下端腔c的液压油将阀芯顶起，进油口与回油口相通，液压油从回油口Ｔ流走。	（序号２字幕：Fs>pA，消失） p增大，Fs<pA， 阀芯上移，P、T相通，溢流阀开始溢流

 
2）脚本范例-日光灯操作互动脚本（见表2）。
表2  日光灯操作互动脚本

步骤1：操作内容描述                  ；使用工具、仪表：                     ； 操作结果或现象：                     ； 步骤2：操作内容描述                  ；使用工具、仪表：                     ； 操作结果或现象：                     ； 步骤3：操作内容描述   摆放电度表      ；使用工具、仪表：      无            ； 操作结果或现象：   鼠标左键点住电度表，拖至试验台松开鼠标，释放器件      ； 步骤4：操作内容描述   摆放断路器       ；使用工具、仪表：     无             ； 操作结果或现象：   鼠标左键点住断路器，拖至试验台松开鼠标，释放器件      ； …… 步骤8：操作内容描述   接线器与电源接线   ；使用工具、仪表：     无           ； 操作结果或现象：   鼠标单击接线器接线柱1，引出一条电线，鼠标再单击电源接线柱1，电线接到该接线柱上。  ；

 

3  虚拟仿真教学资源应用方式

（1）课堂教学：多媒体教室。
（2）实验室教学：局域网络版。
（3）互联网教学：在线教学平台（使用PC、笔记本、PAD、手机等终端设备）。体现“构建没有围墙的大学”，实现“不限时间、不限地点、自主学习”的内涵。
（4）3D版教材+在线虚拟仿真教学资源：借助手机识别3D版教材中插图、手机实时显示三维可视化教学资源，使学生和教育工作者用手机学习，将手机引入课堂教学、实验教学、预习等学习环节。

4  典型资源与系统介绍

4.1  典型资源及系统一：“科明365”在线教育云平台---www.科明365.com

“科明365”虚拟仿真教学资源在线教育云平台，属全国首创，主要面向高校理工科专业教学需要推出的具有高度仿真、交互操作的三维可视化教学资源，力图打造一个让学生不限时间、不限地点、自主学习的没有围墙的大学，满足现代大学生的学习需求，借助互联网构建一个“人人皆学、处处可学、时时能学”的学习型社会。
“科明365”虚拟仿真教学资源在线教育云平台针对机械、土木、建筑、管理、交通、能源、信电等多个学科及专业的教育教学需要，在充分研究各专业教学大纲及特点的基础上，利用虚拟仿真、虚拟现实、动漫游戏等技术，有针对性、有选择地进行各学科和专业的虚拟仿真教学资源建设，提高了获取教学资源的便携度，便于对教学资源的科学管理，同时系统构建成本更低、维护更方便、运行更可靠。平台支持PC机、笔记本、移动设备等多终端，教学资源应用方式有单机版、局域网版、互联网版、IPAD及手机版，可以实现随时随地在线资源访问与系统应用^[9]。

4.2 典型资源及系统二：机械工程学科3D版系列教材

本丛书是山东高校机械工程专业协作组组织编写的“普通高等教育3D版机械类规划教材”，由机械工业出版社出版。出版时间：2016.10--2017.6。
“普通高等教育3D版机械工程类系列教材”的要求是，充分结合利用虚拟现实、增强现实等技术开发的虚拟仿真教学资源，充分体现“三维可视化及互动学习”的特点，将难于学习的知识以“3D”教学资源的形式进行介绍，开发完成了配套教材的互联网版、局域网版、单机版、手机APP软件（安卓版及苹果版）的3D虚拟仿真教学资源，并供师生在线下载使用，力图达到“老师易教、学生易学”的目的。
丛书目录：画法几可与机械制图（3D版）、互换性与测量技术基础（3D版）、机械原理（3D版）、机械设计（3D版）、机械制造技术基础（3D版）、液压与气压传动（3D版）、机械制造技术装备（3D版）、数控技术（3D版）、电器控制与PLC（3D版）、工程训练（3D版）、机械工程实习教程（3D版）。
教材“液压与气压传动”（3D版）的样例如图4.1所示。

5  虚拟仿真教学资源开发建设中应注意的问题

5.1  资源开发建设中的校企对接问题

技术支持企业与资源相关的高校教师如何分工、配合是否顺畅等的情况，是资源开发建设中的重要问题，也是资源开发建设成败的关键所在。理论与实践都证明了，高校教师应该处于主导地位。各个知识点怎样去讲、用什么样的资源去讲、什么样的方式去讲，高校教师是最有发言权的。也就是说，在虚拟仿真实验的设计、制作和应用中，高校教师是导演、编剧和制片^[10]。
实践中发现，高校教师在虚拟仿真实验建设中的缺位现象还是比较严重的，原因也是多方面的。针对于此，本文认为资源建设方需要着重做好三件事。
（1）鉴于虚拟仿真实验对于大部分教师来讲，是一个相对较新的东西，需要对相关教师做好培训工作。让老师们了解开发建设原理与过程，例如，开发中涉及的虚拟现实、交互、编程、模型、动画等概念与作用，以便更好地理解各自分工的内容、意义以及配合方式。
（2）高校教师普遍存在搞科研、发论文、评职称的巨大压力，因此在政策上，要做好设计与引导，以便老师们能更加重视资源建设工作，投入更多的精力与时间。
（3）组建合适的开发建设教师队伍。根据建设资源所在学科、专业和课程的分布情况，选择恰当的骨干教师进入开发队伍。另外，特别重要的是，除了有行政领导总体指挥、协调外，要为日常性建设工作指定总负责人或总联络人。总负责人完成任务分工、进度编排、材料汇总、督促检查等工作。

5.2  专业教师在资源开发建设中的职能

以开发内容要有效地辅助“教师教学、学生学习”的全过程为目的，具体按照实现“教-学-练-考”支持为功能目标的思路，由相关学科专业教师完成资源的策划与设计。具体工作内容包括：
（1）知识体系规划。根据建设资源的规模，规划资源相应的知识体系^[11]。若资源规模为单个实验项目或知识模块，则基本无须从体系的角度进行策划。若资源规模为课程，甚至是专业和学科，则必须首先进行知识体系规划。体系规划的本质就是确定资源覆盖内容的内在联系，特别是结合学科特点与人才培养计划，将知识内容进行梳理、分析与关联，形成一定的结构，体现知识内容之间诸如支撑、递进、组合等的关系，以便使得开发建设的资源具备较好的科学性、必要性、先进性，以形成对教学较强的服务能力。
（2）知识点设定。将学科、专业或课程具体化为一定量的知识模块。对每个知识模块确定相应的知识点。对知识点进行合理的分类，例如：概念性、结构性、操作性等。
（3）教学方案设计。对确定下来的知识点，进行教学实施动态过程及其细节的设计，主要包括：明确知识点之间的关系，诸如顺序性、支撑性、关联性等；设计每个知识点的表现形式，诸如使用资源的类型（二维或三维）、使用资源的方式（漫游或交互）等；规划整个知识模块讲授或学习的展开方式与路径。
（4）实践方案设计。为了满足知识验证与巩固的需要^[12]，帮助学生实现知识转化，以及培养实践技能，还要对每个知识模块或若干知识模块构成的集合，设计相应的实践方案，包括实践目标、实践内容、实践路线等。通过实践模块，达到知识机理更清楚、动手能力有提升、熟悉操作规程便于迁移的效果。
（5）考核方案设计。检验与考查是一个“教-学-练-考”完备系统的最后一环，作用及重要性不言而喻。要依据知识模块的教学要求，进行考核方案的创意、策划与设计，包括考核内容、方式及过程。常规的书面考查方式（电子化的）可以纳入，更重要的，是设计基于虚拟现实技术的考核模块。类似游戏闯关的、有情节的最佳。

6  结语

基于虚拟现实技术构建虚拟仿真教学资源的形势如火如荼，虚拟仿真教学资源在各类各级学校的教育教学活动中也正在发挥出巨大无比的作用，带来教学理念、手段等重大变革。各种学科专业的资源建设有差异，但诸如思路、方法、经验是有通用性的，可以互相参考、借鉴。本文就是将笔者多年以来虚拟现实研究和虚拟仿真教学资源建设的成果与经验，进行总结与阐述，希望对中国目前该类资源的建设起到启示作用。

参考文献

[1]    常晋义，沈健，周蓓．构建数字城市的技术体系[J]．常熟高专学报，2002(4)：81-85．
[2]    陈清奎．国家级虚拟仿真实验教学中心建设申报与虚拟现实技术应用[EB/OL]．(2015-9-22)[2017-5-21]．
[3]    杨鹏，刘业．互联网体系结构剖析[J]．计算机科学，2006(6)：15-20．
[4]    王瑞菊，翰章．信息资源管理思想的继承与发展[J]．图书与情报，2002(4)：8-10．
[5]    江辉仙，吴志杰．高校虚拟地理综合实践教学系统的整合与设计[J]．龙岩学院学报，2006(6)：102-107．
[6]    中华人民共和国教育部．教育部关于印发《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》的通知[Z]．
2012-3-13．
[7]    向元明．虚拟仿真实验室在心理学实验教学中的作用[EB/OL]．(2016-5-24)[2017-7-10]．
http://www.cnpsy.net/ReadNews.asp?NewsID=10434．
[8]    核设施退役作业场景动态三维辐射场模拟计算与可视化[J]．科学技术与工程，2015(1)：232-236．
[9]    济南科明数码技术股份有限公司．济南科明盛装出席全国高校仪器设备展[EB/OL]．(2016-5-6) [2017-3-18]．
http://www.kemingshuma.com/NewsCenter.aspx?action=view&id=106．
[10] 新华每日电讯．虚拟仿真：真实教学无法做到的它能做[EB/OL]．(2016-5-20)[2017-6-5]．
http://news.xinhuanet.com/mrdx/2016-5/20/c_135373663.htm．
[11] 陈红英．全校公共选修课的改革与管理刍议[J]．广东工业大学学报（社会科学版），2002(4)：34-37．
[12] 韩永泉，韩晓霞，赵敏．注重能力培养，增强高职生的就业竞争力[J]．煤炭高等教育，2002(5)：113-114．