VR技术在职业教育机械课堂教学中的运用现状与前景分析

周美圻　蔡宗模

摘  要： VR技术带给人们独特的沉浸式体验，使其在各个领域迅猛发展。以职业教育为例，将VR技术引入机械课堂教学具有增加学生学习趣味、降低实训教学成本、提升教学质量与效率、有利于培养高质量机械人才等优势。但VR技术在职业教育中的应用较少，目前存在的主要问题是VR机械实训系统技术性能有待完善、相关教育资源与机械学科教学融合度较低、VR技术在机械专业教学中的应用体系不成熟、部分职业学校还缺乏引入VR设备的资金与网络条件等。为此，从开放式虚拟机械学习课堂、分布式虚拟机械实训共享平台、虚拟机械实训评价考核系统三个方面进行展望，以期增加VR技术在职业教育机械课堂教学中的应用并提升实效。

关键词： VR技术; 职业教育; 机械教学; 发展前景

中图分类号： G712          文献标志码： A          文章编号： 1671-2153（2022）02-0052-04

VR（Virtual Reality）技术，即虚拟现实技术，是基于计算机信息技术、仿真技术、传感技术等多种信息技术而创建的计算机虚拟仿真体验交互系统，是一种使人产生身临其境般真实感的先进计算机技术。当前，虚拟现实VR技术逐渐发展并在各个领域发挥其能效，在教育领域，虚拟教室、虚拟实验、虚拟图书馆、虚拟校园等各种创新的教育形式和教育理念被广泛地研发和试用。《中国制造2025》国家战略提出了人才培养的新要求，职业学校机械专业承担着培养机械人才的重任，必须为社会培养具有牢固的基础知识、熟知产业发展现状的高质量的综合型人才。在中等职业学校机械专业的课堂教学中使用虚拟现实VR设备，不但可以使学生在虚拟的学习体验中获得真实的学习感受，满足学生个性化学习需求，同时还可以弥补实训基地教学设备的种种不足，有效解决传统教学中存在的系列问题，有利于学生专业技能的提升。

一、VR技术引入职业教育机械课堂的独特优势

（一）身临其境的真实感，增加学生学习趣味

在传统的机械课堂中，教师教学方法单一，长期单调的授课形式使学生注意力难以集中、学习效果难以保证。将VR技术引入职业教育机械课堂教学，改变以往枯燥乏味的授课形式，使学生感受到逼真、生动、充满真实感的虚拟机械学习情景，学生不知不觉地从现实环境中脱离出来并自主参与到虚拟教学中，增加了学生的学习趣味，增强职业教育学生的学习投入感，实现以学生为中心的自主性学习，同时也推动了教学模式的创新发展。

（二）虚拟仿真设备，降低实训教学成本

传统校内实训由于场地、资金的限制，常常会出现实训设备数量不足、设备陈旧老化、更新和维护不及时等情况，阻碍了学生的实训学习效果。VR设备相比较机械设备，具有占地面积小、更新与维护成本低等优势，一台VR设备的资金投入相比一台机械设备的投入要低得多，学生利用VR学习系统反复地进行虚拟设计与虚拟制造的练习，既有利于学生专业技能的提升，又降低了实操环节中因错误设计所造成工件原料的浪费，减少了高昂的实训教学成本[1]。

（三）多维立体化知识呈现，提升教学质量与效率

在传统的机械课堂教学中，教师主要使用语言讲授，辅之以多媒体动图、视频展示的方式描述机械加工等相关知识，职业院校学生基础知识薄弱、空间想象力不足，对于复杂難懂、抽象的切削加工知识，学生们“看不懂、想不到”，学习起来有一定难度。VR技术所呈现的机械虚拟运转形态改变了知识的展示形式，实现了从单一平面展示到多维立体化观看的转变，将抽象难懂的知识形象化，学生学习到的知识不再局限于教师的讲述，而是来源于学生们亲眼所见、亲身操作，学生在学习过程中获得了直观的体验与感受，提高了教学的真实性，也使学习到的知识记忆得更加透彻，提高教学质量与效率。

（四）VR教学内容实时更新，有利于培养高质量机械人才

机械行业的兴盛与发展需要大量高质量机械人才作为支撑，熟知新兴技术的、能够紧密联系当今产业发展现状的加工制造人才更是实现机械制造业智能化发展、创新化发展的重要保障。VR教学内容实时更新，以产业为纽带，与时俱进，使实践训练内容紧跟现代加工技术的发展，打破校企实训内容沟通屏障，有利于推动机械专业人才培养与企业岗位需求的有效衔接，有利于提高学生的就业竞争力。

二、VR技术在职业教育机械课堂教学中的运用现状与挑战

（一）VR技术在职业教育机械课堂教学中的运用现状

1. 职业教育机械课堂教学以桌面式VR为主

虚拟现实教育产品众多，简单概括有桌面式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统等。

桌面式虚拟现实系统是指计算机窗口上的VR，通过虚拟现实3D眼镜、传感笔等设备连接电脑实现人机互动，是较为初级的VR系统。桌面式虚拟现实系统会受到周围现实环境的干扰，从而使学习者的沉浸式体验感不足，但因其安装简单、价格低廉的优势，是目前职业学校机械专业应用最多的虚拟现实系统。沉浸式虚拟现实系统是一种高级的、较复杂的虚拟现实系统，它采用封闭的场景和音响系统将用户的视听觉与外界隔离，达到超真实的视觉、触觉、听觉和嗅觉体验效果[2]，是我们理想中应用于教育的VR系统，但因其系统价格不菲，在普及和推广上有一定难度，所以现今职业教育机械课堂教学运用类型多以桌面式虚拟现实系统为主。

2. 虚拟展示、虚拟操作、虚拟企业实训是职业教育机械课堂VR的主要运用方式

虚拟展示所呈现的三维立体式虚拟机械加工场景，学生可以身临其境地观看机械设备的工作过程，观看各个零件是如何系统地加工配合，也可以使用传感笔对虚拟器械进行拆解，使其对模具的结构、组成和工作原理有更清楚的认知;虚拟实操是指学生利用VR系统进行虚拟设计与虚拟制造的练习，对于各种设计方案进行模拟实验，通过对比虚拟制作的结果，选择最佳的方案，也可以进行虚拟部件的安装与调试、虚拟器械的故障检测与维修等练习;虚拟企业实训模拟真实的企业场景，打破时间与空间的限制，使学生佩戴VR设备就能身临其境般地处于企业机械工厂之中，在虚拟的企业实训中学生可以自由选择企业岗位角色进行岗位技能学习[3]，熟悉各个岗位的工作要求与必备技能，实现学生能力与企业岗位要求的成功对接。

3. VR技术在职业教育机械课堂教学的运用成效显著

丁栋厚在中等职业院校新能源汽车专业利用VR对学生进行授课和实践操作任务，在实验过程中采用调查问卷法和比较分析法得出实验结果，经过对收回的377份有效问卷进行统计，约88%的学生对VR教学有浓厚的兴趣，有76%的学生在进行VR教学后认为对实操能力有较大提升[4]。吴雪艳在贵州省某职业学校借助VR手机眼镜对机械制图课程进行虚拟现实教学，并发现虚拟现实在机械课堂的应用对于改善学习态度、强化学生学习的主体地位、促进学生学习能力的提高等方面有明显的效果[5]。段扬在某中等职业学校利用Labview、Multisim所设计的虚拟仿真教学系统对电子技术基础课程进行教学并取得积极效果，绝大部分的学生通过虚拟仿真实验教学，带动了学习的积极性，同时也对电工电子方面的学习更有兴趣了[6]。综上所述，通过对文献的梳理发现，虚拟现实技术在职业学校机械类专业教学中的运用效果十分显著。

（二）VR技术运用于职业教育机械课堂教学面临的挑战

随着国家鼓励VR技术在职业教育领域的运用，许多职业院校在教学中开始引入虚拟现实VR技術，但是无论从广度还是深度来看，并没有达到普及的程度，大多数职业院校依旧处于起步和探索阶段，在职业学校机械专业教学中应用VR技术，在实际应用中也面临着一些挑战。

1. VR机械实训系统技术性能有待完善

在虚拟仿真系统中进行虚拟操作相对比真正的器械操作还是有一定的差距，例如在进行机械加工时，最终加工的工件是否达到合格标准，会受到许多现实因素的干扰与影响，实际的工件加工过程中也会因为较小的操作误差而导致实际加工成品的失败[7]，而现阶段所研发的VR机械实训系统中的实训操作都是以理想的操作步骤研发，并没有将操作偏差设计到系统之中，现阶段也很难将实际操作的偏小误差纳入VR系统的研发之中，这是VR技术现阶段难以解决的难题，需要提高VR机械系统的技术性能，不断完善VR机械实训系统。

2. 优质VR机械课程资源稀缺，VR教育资源与机械学科教学融合度较低

以往大多数软件开发公司将重点放在了游戏产品的开发上，真正涉足教育的大型VR技术公司并不多[8]，随着VR技术在教育领域的迅猛发展，VR教育软件产品逐渐增多，但出现优质VR机械课程资源稀缺的现象，表现为VR机械教育软件内容单薄且分散、部分VR教育产品出现了设计的形式大于内容的现象[9]。由于VR教育系统的研发人员多以软件开发公司员工为主，缺少一线优秀学科教师与教育专家的参与研发，从而导致VR教育资源与职业学校机械学科教学大纲、教学内容匹配度较低，难以满足机械专业的个性化教学需求。研发优质VR机械课程资源、VR课程资源与机械专业教学的深度融合是有待解决的问题。

3. VR技术在机械专业教学中的应用体系还不成熟

VR技术作为一种新兴的教育技术引入课堂教学，其在职业学校机械专业的应用还未形成成熟的教学应用体系。VR机械课件引进标准、VR技术在机械课程中的适用范围、VR教学效果的评价标准等问题，还没有具有针对性的应用标准与规范。学校需要针对本校的实际情况与特色，建立适用于本校的VR使用规范与标准，逐渐摸索建立科学且适用的VR教学应用体系。

4. 部分职业学校缺乏引入VR设备的资金与网络条件

在保证较高的视频分辨率、不产生眩晕感的前提下，想要达到较好教学效果的VR设备价格昂贵，后期对于VR设备的维护与维修也需要一定的资金消耗，许多职业学校缺少引入VR设备的资金条件。部分学校的计算机硬件老旧以及校园网络运行迟缓，VR程序运行的稳定性会受到校园网络波动的影响，VR程序在此校园网络设施上运行会出现卡顿的现象，部分学校暂无与VR设备相匹配的校园网络配置，引入VR设备需要学校花费一定的资金，更新计算机设备，加强校园网络基础建设，并不是所有职业学校都具有引入VR设备的资金与校园网络条件，这对于一些教育资金短缺的职业学校来说是一个挑战。

三、VR技术在职业教育机械课堂教学中的发展展望

2016年被称为虚拟现实元年，VR在教育领域迅速发展，将VR技术应用于职业教育机械课堂具有许多优势。未来，随着VR技术硬件与软件的不断完善，其与职业教育机械专业融合得更加密切，VR机械实训软件将逐步解决技术难题，将微小操作偏差设计到VR机械学习系统之中，在此基础上对VR技术在职业教育机械课堂教学中的发展进行展望，构想VR技术以更加丰富多彩的形态展现在职业教育机械课堂的教学场景中，以更好地帮助学生的学习。

（一）开放式虚拟机械学习课堂

职业教育学生基础知识薄弱，课堂中学习过的机械知识有时并不能完全理解，开放式虚拟机械学习课堂将以更加简便、开放的方式提供给学生学习服务。学生在家里登录学校所研发的虚拟课堂学习系统，选择自己所学习的专业，就可以实现虚拟机械课堂的学习。开放式虚拟现实课堂将教室的环境、老师和学生以虚拟的影像展现出来，学生们以虚拟的形象在同一个虚拟课堂中进行学习，进行实时沟通并相互交流学习经验，老师也可以登录其系统为同学们解答困惑。课程是永久保留并且实时更新的，学生可以自主选择复习时间并且反复或倍速播放，打破了时间和空间的限制，将机械课堂的VR教学扩展到了校外、家里，实现“现实+虚拟”的双课堂教学模式[10]，学习更具有了开放性、自由性，有利于学生知识的学习和技能的提高。

（二）分布式虚拟机械实训共享平台

分布式虚拟现实系统是通过网络支持各用户在同一个虚拟现实环境中进行交互。现今网上已经有许多虚拟现实学习共享平台，输入学号和密码便可以进行学科虚拟现实的学习，但是缺少针对于职业学校机械专业专门的学习平台供学生使用。随着VR技术与分布式虚拟现实系统的逐步发展，通过校企合作的方式研发分布式虚拟机械实训共享平台，供全国职业教育机械学生进行实操学习。分布式虚拟机械实训系统支持职业教育学生通过电脑在同一个虚拟仿真实训环境中进行实训操作练习，学生不仅可以在虚拟环境中进行机械产品的虚拟设计、虚拟制造、虚拟实训操作、虚拟企业实训等操作，还可以在系统之上相互交流学习经验与疑难困惑，一起合作研发虚拟产品，同时，企业与学校可以通过校企合作的方式增派机械行业的专业实操人员进入虚拟机械学习系统与学生进行交流，分享行业经验，对于学生实训中出现的错误操作或疑问困惑进行远程教育与技术指导。

（三）虚拟机械实训评价考核系统

虚拟机械实训评价考核系统可以模拟现实中的数控车床、数控铣床等实训操作任务，学生通过虚拟现实实训考核系统完成实训操作，展示自己的实训技能掌握程度，从而完成机械实训考核，这样的方式既可以减少操作过程中因错误操作导致学生受到人身伤害，又可以消除以往因教师主观评判因素所带来的考核成绩不稳定的情况，虚拟机械实训评价考核系统相对于以往的实训评价来说，变得更加的规范与严格，进一步提升了实训评价考核的公平性，从一定程度上解放课程考核评价方式，在学校教学考核方面起到了积极的作用。系统中进行实训操作的过程与数据可以保留录像并存档以满足后期复查的要求，随着VR技术的成熟与虚拟机械系统的逐渐规范，企业可以通过虚拟机械实训系统观看学生的实训操作回放，对于实训操作能力强的、实训评价考核优秀的同学，企业可以进行定向招聘。

综上所述，VR作为一项新兴信息电子技术，其在教学中的应用引起了社会各界的关注，将其引入职业学校机械专业的教学中，既有其自身的意义和价值，又符合教育信息化的发展趋势。在中等职业院校引用虚拟现实技术已进入实施阶段，2020年上海市教委研究确定15个上海市中等职业学校示范性虚拟仿真实训室立项项目;同年安徽省教育厅发文件表示推动本区域内中等职业学校（含省属中专学校）虚拟仿真实训基地建设，促进教育教学高质量发展，虚拟现实应用于职业教育的前景欣欣向荣。虽然虚拟现实技术在职业学校机械专业的引进与应用的现状与我们理想中还有一定的差距，其在教学中的应用与普及也不是一朝一夕的事情，但是在不远的未来，随着虚拟现实技术的不断发展与完善，政府、企业、学校、教师等多方面共同的配合与努力，虚拟现实能够广泛应用在职业教育机械专业，与教育教学更好地结合，发挥其优势，为社会培养更多高质量机械加工制造人才。

参考文献：

[1] 方中雄，吉利，程聪. 虚拟现实技术在职业院校应用的策略分析[J]. 北京工业职业技术学院学报，2021（3）：65-68.

[2] 兰岳云，梁帅. VR+教育及其教育的变革[J]. 浙江社会科学，2021（5）：144-147，160.

[3] 贺娟. VR技术在高职机械制造专业中的应用探索[J]. 山东青年，2019（9）：45-46.

[4] 丁棟厚. VR技术在新能源汽车教学中的应用与研究[D]. 天津：天津职业技术师范大学，2019：66-68.

[5] 吴雪艳. 基于虚拟现实技术的中职《机械制图》课堂教学的实践研究[D]. 贵阳：贵州师范大学，2020：66.

[6] 段扬. 基于中职《电子技术基础》虚拟仿真实验教学设计的研究[D]. 天津：天津职业技术师范大学，2020：38.

[7] 吴峥强. VR技术在机械设计制造教育领域的应用探索[J]. 中国教育技术装备，2020（2）：39-42.

[8] 高云鹏，冀万文，张鹏，等. VR技术在《机械制图》教学中创新思路的研究[J]. 冶金管理，2020（15）：165-166.

[9] 曲雪苓. 虚拟现实技术在高职教学中的应用分析[J]. 无线互联科技，2020（5）：164-165.

[10] 王睿. 虚拟/现实“双课堂”教学模式在优化大学课堂教学中的应用[J]. 无线互联科技，2021（13）：118-119，131.

Abstract： VR technology brings people a unique immersive experience and develops rapidly in various fields. Taking vocational education as an example， the introduction of VR technology into mechanical classroom teaching has the advantages of increasing students' learning interest， reducing practical teaching costs， improving teaching quality and efficiency， and cultivating high-quality mechanical talents. However， there are few applications of VR technology in vocational education. The main problems existing currently are that the technical performance of the VR mechanical training system needs to be improved， the integration of relevant educational resources and mechanical discipline teaching is low， and the application of VR technology in mechanical professional teaching system is immature， and some vocational schools still lack the funds and network conditions to introduce VR equipment. To this end， the prospects are made from three aspects： an open virtual machine learning classroom， a distributed virtual machine training sharing platform， and a virtual machine training evaluation and assessment system， with a view to increasing the application of VR technology in machinery classroom teaching in vocational education and improving actual effects.

Keywords： VR technology; vocational education; mechanical teaching; prospects

（责任编辑：王义）