VR 技術(shù)在船舶分段裝配實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

黃曉雪，齊蘊(yùn)思

渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 興城 125105

1 VR 技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的作用和意義

傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)大多是在校內(nèi)或校外的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地進(jìn)行，而船舶分段裝配實(shí)訓(xùn)教學(xué)的過(guò)程在很大程度上存在一定的弊端：首先是學(xué)生去校外實(shí)訓(xùn)基地的交通不便利，對(duì)于人力物力要求比較大，而且會(huì)對(duì)船廠實(shí)際工作產(chǎn)生一定的影響；其次，教學(xué)對(duì)于校內(nèi)的實(shí)訓(xùn)基地要求比較高，校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地存在一定的與船廠實(shí)際生產(chǎn)脫節(jié)的現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)訓(xùn)效果達(dá)不到預(yù)期要求，不能滿足先進(jìn)化的生產(chǎn)需要；再者，在傳統(tǒng)的船舶分段裝配仿真實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，需要消耗大量的耗材，浪費(fèi)了大量的人力物力。因此，將VR 技術(shù)融入船舶分段裝配仿真實(shí)訓(xùn)可以在避免以上問(wèn)題的同時(shí)，打破時(shí)間空間的限制，課上課下隨時(shí)隨地進(jìn)行練習(xí)，并且通過(guò)虛擬場(chǎng)景的搭建，學(xué)生可以重復(fù)練習(xí)、反復(fù)練習(xí)，通過(guò)這種方式在很大程度上降低了人力物力的消耗，節(jié)約了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的成本[1]。

2021 年8 月4 日，教育部正式發(fā)布《關(guān)于公布職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地培育項(xiàng)目名單的通知》 （教職成司函〔2021〕35 號(hào)），渤海船舶職業(yè)學(xué)院“船舶智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地”成功入圍國(guó)家職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地培育項(xiàng)目。學(xué)校以此為契機(jī)，將現(xiàn)代的信息技術(shù)與傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教育教學(xué)相融合，繼續(xù)優(yōu)化完善虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)，從根本上改變傳統(tǒng)職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的進(jìn)不去、看不到、成本高、危險(xiǎn)性大的問(wèn)題，通過(guò)育訓(xùn)結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合、科學(xué)創(chuàng)新等方式，推進(jìn)教學(xué)能力和人才培養(yǎng)質(zhì)量的全面提高，助力學(xué)校提質(zhì)培優(yōu)、賦能發(fā)展。不僅如此，在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)過(guò)程中，實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)時(shí)刻以社會(huì)和市場(chǎng)的要求為建設(shè)目標(biāo)，運(yùn)用新思路、新機(jī)制、新模式進(jìn)行實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)，建設(shè)過(guò)程中將資源進(jìn)行統(tǒng)一整合，努力探索出一種以學(xué)校為主體、校企協(xié)同合作、具有行業(yè)特色的實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)新模式，構(gòu)建校企合作的橋梁[2]。因此，船舶智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地便為VR技術(shù)在船舶分段裝配仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用提供了極大的便利條件。

近些年，伴隨著高職院校學(xué)生招生數(shù)量的提高和社會(huì)培訓(xùn)能力的增強(qiáng)，高職院校實(shí)訓(xùn)設(shè)備也在逐步改善，但是實(shí)訓(xùn)設(shè)備的數(shù)量還是難以保證日益增長(zhǎng)的培訓(xùn)數(shù)量。不僅如此，由于師資的限制和耗材的損耗，實(shí)訓(xùn)室并不能24 小時(shí)開(kāi)放，以上原因無(wú)疑造成了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的薄弱，很大程度上影響了學(xué)生的職業(yè)技能和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)[3]。因此，各學(xué)?？梢蚤_(kāi)放共享虛擬實(shí)訓(xùn)中心，有效改善實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的以上問(wèn)題，切實(shí)提高實(shí)訓(xùn)效率和質(zhì)量?；诖?，VR 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這里的“VR”是Virtual Reality 的縮寫(xiě)，它的含義是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，所謂的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬世界的創(chuàng)建和體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式的立體化、三維化動(dòng)態(tài)視景仿真，使用戶沉浸到虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中去感受現(xiàn)實(shí)行為。

現(xiàn)階段高職院校人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)一批集生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)等能力于一身的一線高素質(zhì)技能型人才[4]。高職院校在教學(xué)過(guò)程中要注意學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，使學(xué)生重點(diǎn)掌握專(zhuān)業(yè)技能，從而實(shí)現(xiàn)提高其實(shí)操能力的目的，使學(xué)生在畢業(yè)后能夠迅速進(jìn)入船廠的工作角色，體現(xiàn)職業(yè)教育的本色，以在專(zhuān)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先地位。船舶分段裝配虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的補(bǔ)充和提高，它還可以根據(jù)現(xiàn)階段船廠的真實(shí)制造工藝同步進(jìn)行改善[5]。通過(guò)在第三方軟件上建立虛擬環(huán)境，學(xué)生可以通過(guò)登錄軟件進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；也可以把在實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)踐課堂中沒(méi)有來(lái)得及掌握和完成的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目在課后任何時(shí)間進(jìn)行虛擬重構(gòu)，從而對(duì)現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)教學(xué)起到鞏固和訓(xùn)練的目的。

2 VR 技術(shù)在船舶分段裝配實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

船舶分段裝配虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效補(bǔ)充，通過(guò)將真實(shí)場(chǎng)景融入虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，可以將教學(xué)視頻和動(dòng)畫(huà)等虛擬資源進(jìn)行上傳，同時(shí)還可以建立可交互的虛擬情境，通過(guò)這些虛擬資源的建立，學(xué)生可以隨時(shí)隨地通過(guò)第三方軟件登錄系統(tǒng)進(jìn)行船舶分段裝配實(shí)訓(xùn)的學(xué)習(xí)[6]。

為了解決船舶工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)在教學(xué)實(shí)踐中交互感不強(qiáng)和實(shí)訓(xùn)效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于VR 技術(shù)的船舶分段裝配仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。首先對(duì)船舶分段裝配仿真系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)合適的系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)，然后利用三維建模技術(shù)對(duì)物體對(duì)象進(jìn)行建模和設(shè)置材質(zhì)，利用3D 引擎平臺(tái)構(gòu)建虛擬場(chǎng)景，結(jié)合VR 設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)擴(kuò)展腳本組件實(shí)現(xiàn)交互功能，最后將應(yīng)用部署到VR 一體機(jī)設(shè)備。應(yīng)用結(jié)果表明，船舶分段裝配仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有沉浸感，交互效率高，提升了教學(xué)實(shí)踐的實(shí)訓(xùn)效率。

船舶分段裝配仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要有以下功能：登錄、虛擬場(chǎng)景演示、漫游效果、組立裝配、分段合攏、學(xué)情分析等。

登錄。學(xué)生可以通過(guò)輸入自己的賬號(hào)和密碼進(jìn)行船舶分段裝配仿真系統(tǒng)的登錄，登錄后，系統(tǒng)可以記錄學(xué)生每一次的操作和信息，為之后學(xué)生實(shí)訓(xùn)效果的考核提供一定的信息基礎(chǔ)。

虛擬場(chǎng)景演示。學(xué)生可以佩戴虛擬設(shè)備，通過(guò)虛擬設(shè)備的視角，猶如置身于船廠中，可以感受到真實(shí)的船舶分段裝配環(huán)境，使虛擬實(shí)訓(xùn)的仿真效果更加逼真。

漫游效果。該效果可以通過(guò)讓學(xué)生控制虛擬設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在分段裝配的虛擬建造車(chē)間進(jìn)行移動(dòng)、視角切換等功能，全角度對(duì)船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

組立裝配。學(xué)生利用自身的手部運(yùn)動(dòng)交互操作模擬對(duì)組立進(jìn)行裝配等一系列操作，實(shí)時(shí)完成組立裝配工作。

分段合攏。通過(guò)VR 設(shè)備手柄交互式操作控制分段在船臺(tái)的時(shí)間，準(zhǔn)確把握分段在船臺(tái)上合攏的時(shí)間和生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)，在操作過(guò)程中隨時(shí)對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題第一時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

學(xué)情分析。通過(guò)第三方軟件可以隨時(shí)采集學(xué)生學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)，并將實(shí)訓(xùn)日志的操作記錄和實(shí)習(xí)成績(jī)實(shí)時(shí)輸出，有利于教師在第一時(shí)間針對(duì)不同學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化教學(xué)。

3 應(yīng)用效果

通過(guò)對(duì)基于VR 技術(shù)的線上線下船舶分段裝配虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)用三維可視化、可交互的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)相對(duì)僵化、偏理論的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，解決了以往教學(xué)中存在的問(wèn)題，同時(shí)降低了教學(xué)成本，提升了教學(xué)質(zhì)量，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義及推廣價(jià)值。隨著我國(guó)現(xiàn)階段船舶行業(yè)的發(fā)展和壯大，對(duì)船舶工程技術(shù)專(zhuān)業(yè)的人員需求也越來(lái)越高，培養(yǎng)的畢業(yè)生不僅需要理論知識(shí)過(guò)硬，而且對(duì)專(zhuān)業(yè)技能要求更高，所以為了適應(yīng)高職人才需求和教學(xué)現(xiàn)狀，需要從根本上提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)的質(zhì)量，改善實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源有限、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備維修保養(yǎng)成本過(guò)高的問(wèn)題，進(jìn)而推動(dòng)VR技術(shù)在船舶分段裝配實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)職業(yè)教育信息化。采用問(wèn)卷調(diào)查法、個(gè)案研究法等對(duì)虛擬技術(shù)在船舶分段裝配實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，通過(guò)調(diào)查研究顯示，學(xué)生對(duì)于采用VR 技術(shù)的船舶分段裝配實(shí)訓(xùn)感覺(jué)比之前的校內(nèi)、校外實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果好，技術(shù)技能水平得到了有效提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

立足高職船舶工程技術(shù)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀，從將VR 技術(shù)引入船舶分段裝配虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的角度開(kāi)展實(shí)踐應(yīng)用研究，根據(jù)現(xiàn)有實(shí)踐情況和效果，對(duì)未來(lái)推進(jìn)VR 技術(shù)在船舶分段裝配仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的進(jìn)一步應(yīng)用提出以下建議。

第一，為高職船舶分段裝配虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)量身定做一套教學(xué)程序。通過(guò)調(diào)查研究得知，現(xiàn)階段無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外針對(duì)船舶分段裝配的虛擬仿真訓(xùn)練的教學(xué)系統(tǒng)非常少，且各個(gè)高校教師采用的教學(xué)系統(tǒng)并不相同，大家缺乏統(tǒng)一的教學(xué)程序來(lái)做借鑒，所以，在進(jìn)行船舶分段裝配虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候要參考一線教師的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，讓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有助于教師和學(xué)生的友好互動(dòng)。

第二，為船舶分段裝配虛擬仿真訓(xùn)練教學(xué)設(shè)計(jì)一套評(píng)估量表。通過(guò)德?tīng)柗品ê蛯哟畏治龇?，?duì)一線理論教師、一線實(shí)訓(xùn)教師和優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行調(diào)研，最終建立一套適合高職船舶分段裝配虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的評(píng)估量表，可為船舶分段裝配教師進(jìn)行虛擬考核提供有效參考。