林惠彬

（福建省廈門(mén)工商旅游學(xué)校 汽車(chē)部，福建 廈門(mén) 361024）

1 引言

虛擬實(shí)境（virtual reality），簡(jiǎn)稱(chēng)VR 技術(shù)，也稱(chēng)靈境技術(shù)或人工環(huán)境，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三度空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，及時(shí)、沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。

相對(duì)現(xiàn)有其他技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性具備以下特性：浸沒(méi)感（immersion）又稱(chēng)臨場(chǎng)感，指用戶(hù)感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實(shí)程度；交互性（interactivity），指用戶(hù)對(duì)模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實(shí)時(shí)性）；構(gòu)想性（imagination）強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類(lèi)認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。[1]

隨著VR 技術(shù)近幾年來(lái)迅速發(fā)展，在諸多領(lǐng)域得以運(yùn)用，在教育領(lǐng)域VR 技術(shù)同樣有潛力成為標(biāo)準(zhǔn)工具，將給教學(xué)方式帶來(lái)革命，目前有不少學(xué)校與企業(yè)正在嘗試關(guān)于VR+教育的構(gòu)想和實(shí)現(xiàn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建與現(xiàn)實(shí)類(lèi)似的環(huán)境，或創(chuàng)設(shè)情境以形象生動(dòng)地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，模擬常規(guī)教學(xué)手段難以完成的演示、操作技術(shù)、技巧，使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，為學(xué)生構(gòu)建生動(dòng)、逼真的“自主學(xué)習(xí)”學(xué)習(xí)環(huán)境；根據(jù)需要通過(guò)多種交互設(shè)備來(lái)駕馭環(huán)境、操作工具和操作對(duì)象，增加學(xué)習(xí)內(nèi)容的形象性和趣味性，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生更高效、更主動(dòng)地理解、掌握知識(shí)和形成熟練的動(dòng)作技能，滿(mǎn)足學(xué)習(xí)媒體的情景化及自然交互性的要求，讓教育真正做到寓教于樂(lè)。[2][3]

目前中職汽車(chē)專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)普遍存在以下困境：無(wú)法提供足夠多的實(shí)訓(xùn)樣車(chē)供學(xué)生全員同步訓(xùn)練，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)效率低；演示觀摩效果受空間限制，相當(dāng)部分學(xué)生無(wú)法詳細(xì)清楚觀察老師的操作規(guī)程及細(xì)節(jié)；無(wú)法提供各種故障樣本；由于出自安全問(wèn)題考量一些危險(xiǎn)因素較大的項(xiàng)目操作無(wú)法進(jìn)行；實(shí)訓(xùn)效果無(wú)法全員全面實(shí)時(shí)反饋；實(shí)車(chē)在實(shí)訓(xùn)過(guò)程損耗及損害率高恢復(fù)難；耗材消耗大訓(xùn)練成本高；多車(chē)長(zhǎng)時(shí)間怠速運(yùn)轉(zhuǎn)造成環(huán)境污染加劇；實(shí)訓(xùn)車(chē)間創(chuàng)設(shè)場(chǎng)景與工作實(shí)際存在一定差距[4]。

基于以上考量，我們嘗試與相關(guān)企業(yè)合作開(kāi)發(fā)VR 軟件，建設(shè)VR 實(shí)訓(xùn)室，對(duì)VR 與實(shí)訓(xùn)教學(xué)結(jié)合進(jìn)行實(shí)質(zhì)性探索。

2 開(kāi)發(fā)

2.1 內(nèi)容設(shè)計(jì)

經(jīng)走訪調(diào)研汽車(chē)維修企業(yè)之后，結(jié)合先前實(shí)訓(xùn)教學(xué)所遇到的困難瓶頸所在，綜合軟件開(kāi)發(fā)企業(yè)技術(shù)可行性，我們選取汽車(chē)維修接待接車(chē)環(huán)車(chē)檢查環(huán)節(jié)為本次開(kāi)發(fā)內(nèi)容。汽車(chē)維修接待接車(chē)環(huán)節(jié)是維修接待崗位核心工作任務(wù)，而環(huán)車(chē)檢查又是該工作任務(wù)中最重要的環(huán)節(jié)，要求維修接待人員通過(guò)詳細(xì)的環(huán)車(chē)檢查發(fā)現(xiàn)判斷車(chē)輛的維護(hù)項(xiàng)目，然后向客戶(hù)推薦相應(yīng)合理的維護(hù)作業(yè)項(xiàng)目；該部分內(nèi)容在維修接待課程中是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，先前的實(shí)訓(xùn)中難于真正有效突破，問(wèn)題聚焦以下幾點(diǎn)：①演示環(huán)節(jié)，特別是車(chē)內(nèi)檢查環(huán)節(jié)受空間的限制，大部分難以細(xì)致觀摩，學(xué)生接受能力參差不齊，薄弱學(xué)生往往跟不上演示進(jìn)度，造成學(xué)習(xí)的第一個(gè)環(huán)節(jié)便落伍，后續(xù)學(xué)習(xí)更無(wú)從入手；②車(chē)輛損壞或故障的再現(xiàn)難，現(xiàn)實(shí)中車(chē)輛損壞或故障繁多，所處位置不盡相同，故障再現(xiàn)、設(shè)置及恢復(fù)非常麻煩，引起的損耗也不容忽視；③環(huán)車(chē)檢查不能有所遺漏，但在目測(cè)檢查過(guò)程中，學(xué)生自己可能出現(xiàn)遺漏情況而并未發(fā)覺(jué)，老師難于判斷學(xué)生是否真正目測(cè)所有部位，教學(xué)效果反饋存在漏洞；④實(shí)訓(xùn)車(chē)輛有限，每車(chē)次僅能提供一名學(xué)生進(jìn)行，單次實(shí)訓(xùn)時(shí)間至少20 分鐘，剩余相當(dāng)部分學(xué)生只能在旁邊觀摩，造成實(shí)訓(xùn)進(jìn)度緩慢效率低下，考核階段該問(wèn)題更是凸顯。故我們希望通過(guò)VR 構(gòu)建模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，提供學(xué)生反復(fù)練習(xí)以熟練掌握工作流程，特別是實(shí)現(xiàn)模擬各個(gè)部位各種損壞及故障形式，以突破該實(shí)訓(xùn)教學(xué)的難點(diǎn)。

2.2 教學(xué)設(shè)計(jì)[5]

根據(jù)據(jù)實(shí)訓(xùn)教學(xué)特點(diǎn)，將該VR 軟件分為演示版和實(shí)訓(xùn)版兩大模塊，演示版每個(gè)步驟都有相應(yīng)的提示，學(xué)生在觀摩完后進(jìn)入實(shí)訓(xùn)版測(cè)試，如果發(fā)現(xiàn)遺忘操作環(huán)節(jié)或測(cè)試不理想可以隨時(shí)退出測(cè)試版再度進(jìn)入演示版學(xué)習(xí)，同時(shí)將流程分為十大模塊，可以根據(jù)個(gè)人實(shí)際學(xué)習(xí)效果選取薄弱部分進(jìn)行加強(qiáng)學(xué)習(xí)；在測(cè)試完成后，系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)反饋測(cè)試各環(huán)節(jié)得分情況，教師在后臺(tái)可以看到全班同學(xué)測(cè)試效果統(tǒng)計(jì)。

2.3 腳本設(shè)計(jì)

首先撰寫(xiě)接車(chē)環(huán)節(jié)環(huán)車(chē)檢查腳本文案，再與軟件設(shè)計(jì)人員反復(fù)商榷技術(shù)可行性，比如現(xiàn)實(shí)操作過(guò)程中我們視線可以透過(guò)方向盤(pán)檢查儀表盤(pán)顯示，在VR 中會(huì)出現(xiàn)疊加情況，另外，我們?cè)O(shè)計(jì)可以在演示版中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊故障燈則顯示故障燈提示的故障情況，故將儀表盤(pán)故障燈說(shuō)明部分移出放置墻上；發(fā)動(dòng)機(jī)艙部分管路可能出現(xiàn)干涉也做少量簡(jiǎn)置。最后形成具體設(shè)計(jì)如表1（限于篇幅較長(zhǎng)，局部略減）：

表1 汽車(chē)維修接待接車(chē)環(huán)車(chē)檢查流程

3 運(yùn)用

進(jìn)入界面之后，用戶(hù)可以通過(guò)右手柄扳機(jī)選擇確認(rèn)進(jìn)入演示模式或訓(xùn)練模式（圖2、圖3）

圖2 手柄功能

圖3 進(jìn)入界面

3.1 演示模式

進(jìn)入演示模式后，選擇維修接待檢查流程下各環(huán)節(jié)模塊，點(diǎn)擊開(kāi)始進(jìn)入不同方位進(jìn)行相應(yīng)流程（圖4）。

圖4 維修接待檢查流程

圖5 與客戶(hù)交流

點(diǎn)擊客戶(hù)，實(shí)現(xiàn)與客戶(hù)語(yǔ)音交流（圖5），根據(jù)提示點(diǎn)擊藍(lán)色高亮的各部位進(jìn)行檢查（圖6），需目測(cè)檢測(cè)方位視覺(jué)注視交互時(shí)長(zhǎng)2 秒，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別視線并計(jì)時(shí)（圖7），將檢查結(jié)果填寫(xiě)進(jìn)接車(chē)檢查單（圖8）。

圖6 各方位檢查

圖7 目視檢查

圖8 接車(chē)單填寫(xiě)

圖9 訓(xùn)練成績(jī)表

3.2 訓(xùn)練模式

進(jìn)入訓(xùn)練模式，全程無(wú)任何提示，操作者自行檢查操作、與客戶(hù)交流并填寫(xiě)接車(chē)單。當(dāng)訓(xùn)練完成保存退出后，系統(tǒng)將對(duì)該次訓(xùn)練進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析形成表格，反饋訓(xùn)練成績(jī)及具體得失分環(huán)節(jié)（圖9），教師端可以查閱所有學(xué)生成績(jī)及得失分布情況，以此分析發(fā)現(xiàn)薄弱點(diǎn)加以講解訓(xùn)練鞏固（圖10）。

圖10 教師端成績(jī)表

4 運(yùn)用效果

本教學(xué)內(nèi)容實(shí)訓(xùn)傳統(tǒng)為：樣車(chē)4 臺(tái)，每車(chē)提供4～5 名學(xué)生輪流訓(xùn)練，用時(shí)4 課時(shí)，不能模擬各種損傷或故障，教師輪流到各組進(jìn)行講解和指導(dǎo)，輪空組別需先行自學(xué)等待老師，時(shí)間浪費(fèi)大，課堂秩序難以保證，教學(xué)效率低下，教師無(wú)法兼顧監(jiān)測(cè)學(xué)生實(shí)際訓(xùn)練情況，加上全程測(cè)試每人次用時(shí)15 分鐘，以30 人一班為例，大概需要10 課時(shí)，且部分目測(cè)應(yīng)檢部位教師只能通過(guò)學(xué)生唱檢判斷，學(xué)生實(shí)際掌握情況反饋并不全面。

運(yùn)用VR 實(shí)訓(xùn)情況如下：隨機(jī)選取24 名學(xué)生為樣本進(jìn)行試用，測(cè)試反饋結(jié)果如下：（1）100%學(xué)生接納通過(guò)VR 形式學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容，認(rèn)同優(yōu)勢(shì)在于：該學(xué)習(xí)方式新穎有趣，互動(dòng)性強(qiáng)，學(xué)習(xí)過(guò)程能保持注意力集中，學(xué)習(xí)效率高，個(gè)人有效學(xué)習(xí)時(shí)間增加，可根據(jù)自己實(shí)際掌握情況進(jìn)行反復(fù)觀摩學(xué)習(xí)和練習(xí)，可以觀測(cè)到原先無(wú)法模擬的多種故障形式；（2）對(duì)于教師而言，大部分學(xué)生可根據(jù)提示自行完成學(xué)習(xí)過(guò)程，教師只需指導(dǎo)個(gè)別薄弱學(xué)生，教師實(shí)訓(xùn)工作強(qiáng)度下降而教學(xué)有效性提升；3、完成本教學(xué)內(nèi)容實(shí)際學(xué)習(xí)加測(cè)試時(shí)間為2 課時(shí)90 分鐘，平均測(cè)試成績(jī)78.125。對(duì)比原有實(shí)訓(xùn)教學(xué)，效率及效果明顯得以提升。

5 總結(jié)

經(jīng)過(guò)本次課程的的開(kāi)發(fā)和試用。筆者認(rèn)為VR 運(yùn)用在汽車(chē)專(zhuān)業(yè)實(shí)際操作較之前的實(shí)訓(xùn)，效果顯著，彌補(bǔ)了先前單純實(shí)操訓(xùn)練的諸多不足。給出以下建議供后來(lái)者參考：教學(xué)內(nèi)容的選取應(yīng)注意：鑒于目前VR 開(kāi)發(fā)成本仍較高，腳本設(shè)計(jì)撰寫(xiě)工作量較大，建議只選取其他信息技術(shù)難于突破的教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行VR 軟件開(kāi)發(fā)；攤低成本另外一個(gè)辦法就是不同院校相同專(zhuān)業(yè)進(jìn)行資源共享；公共科目由于使用者較多，企業(yè)愿意進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這種情況下，成本必然不斷降低。

開(kāi)發(fā)過(guò)程中，與軟件工程師的溝通非常重要，在根據(jù)教學(xué)需要撰寫(xiě)完腳本后，要向軟件工程師準(zhǔn)確傳遞專(zhuān)業(yè)訴求，教學(xué)設(shè)計(jì)意圖，希望達(dá)到的效果，詳盡細(xì)化成如：各環(huán)節(jié)、所處位置、所述語(yǔ)言、具體動(dòng)作、產(chǎn)生效果、涉及物品、視角位置等。界面設(shè)計(jì)應(yīng)從學(xué)生角度出發(fā)，界面提示導(dǎo)向明確友好，以實(shí)現(xiàn)易操作和良好的交互性。

受VR 軟硬件技術(shù)發(fā)展的制約，首先，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全仿真的情境，使用者在改變方位時(shí)定位后滯或不準(zhǔn)問(wèn)題可能存在； 其次，定位器光信號(hào)干涉問(wèn)題解決應(yīng)在實(shí)訓(xùn)室建設(shè)時(shí)留置足夠大的單機(jī)占地面積，或者向硬件供應(yīng)商加購(gòu)定位服務(wù)，另外，使用者位移空間互相干擾現(xiàn)象也必須通過(guò)留置足夠大的單機(jī)位置來(lái)解決。

初次接觸VR 的使用者會(huì)受不熟悉手柄功能使用的制約，一定程度是干擾學(xué)習(xí)進(jìn)度，需要熟悉一段時(shí)間后，操作進(jìn)展便會(huì)不斷改善。

將課程內(nèi)容與VR 有效結(jié)合，提供學(xué)生自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，非常適用于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，滿(mǎn)足好課堂的要求：

有趣：中職校往往存在老師教得苦學(xué)生不愿學(xué)問(wèn)題，應(yīng)用VR 技術(shù)創(chuàng)造了形象直觀的交互式的學(xué)習(xí)環(huán)境，類(lèi)似游戲的學(xué)習(xí)工具使課堂教學(xué)變得富有吸引力，激勵(lì)學(xué)生的主動(dòng)性，讓學(xué)生處于主動(dòng)探究，主動(dòng)進(jìn)取的狀態(tài)。

互動(dòng)與參與：采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建WEB 三維世界，與二維的網(wǎng)絡(luò)課程相比情境更逼真、吸引力更強(qiáng)，良好的交互性和沉浸感促使學(xué)生愿意去獲取知識(shí)技能、培養(yǎng)能力、發(fā)展智力。

有效：①有效教學(xué)指通過(guò)教師在一段時(shí)間的教學(xué)后，學(xué)生是否有所收獲或?qū)W習(xí)效果好壞，獲得哪些具體進(jìn)步或發(fā)展；在VR 強(qiáng)沉浸感和交互性的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生通過(guò)相應(yīng)流程操作才可進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，促使學(xué)習(xí)效果大大高于常規(guī)實(shí)訓(xùn)模式。②職業(yè)教育的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)量大設(shè)備投入，多但資金有限，必須考量投入產(chǎn)出比有效率，在上一定量后，VR 教學(xué)在節(jié)約成本及耗材的優(yōu)勢(shì)無(wú)疑盡顯。③VR 教學(xué)通過(guò)大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)及時(shí)全面的教學(xué)評(píng)價(jià)貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，學(xué)生可以查找自己缺漏點(diǎn)及時(shí)彌補(bǔ)不足，根據(jù)個(gè)人情況反復(fù)練習(xí)補(bǔ)缺補(bǔ)漏，教師也可以及時(shí)全面了解每次實(shí)訓(xùn)的效果，進(jìn)行進(jìn)一步的鞏固提高。

高效：由于受安全問(wèn)題、實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量、師資數(shù)量的限制較小，大數(shù)據(jù)的運(yùn)用都有效提升實(shí)訓(xùn)效率。

隨著VR 技術(shù)不斷發(fā)展，相信VR+教育在不遠(yuǎn)將來(lái)會(huì)成為信息化教學(xué)的主流方式，幫助教師更好的完成教，學(xué)生更有興趣更高效的學(xué)。