VR技術在機械虛擬訓練的應用研究

周建釗，王宇

（陸軍工程大學野戰工程學院，江蘇 南京 210000）

1 前言

虛擬培訓的概念最早在20世紀90年代由美國提出。它的出現引起了世界各國科研機構、軍事界和企業界的廣泛關注，被認為是保證大規模生產先進產品的有效手段。世界上眾多高校、科學研究機構及大型企業陸續進行這方面的科學研究，并獲得了重大突破。虛擬訓練（Virtual Reality Training)相關技術自2000年以來得到了飛速發展。自2011年以來，每一年都舉辦有關虛擬現實技術的專業國際學術會議——IEEE VR（IEEE Virtual Reality Conference)，推動行業內學者之間的溝通交流。IEEE VR是專門為交流促進虛擬現實技術而舉辦的專業國際會議，有效促進了各國研究人員領域內知識與經驗的交流互動。我國也將虛擬訓練技術列為《2017新媒體聯盟中國高等教育技術展望：地平線項目區域報告》之中教育技術的關鍵技術之一。目前，我國機械專業的培訓和教育存在許多問題。比如，教育成本相對較高，存在較高的安全隱患，教師示范的影響不是很好。虛擬現實技術的發展可以有效地解決我國機械專業培養和教學中遇到的諸多問題。其次機械專業教育非常重視實踐過程，其專業課程注重啟發、指導和塑造受訓者的專業技能、邏輯思維能力和實用應用技術，目標明確，理論性強。虛擬現實技術在機械教育領域的應用改變了傳統的教育方式，使受訓者能夠與虛擬場景的學習內容進行交互，解決了交互性差、情境性差和傳統課堂教學的問題。逐漸在教育實踐中有著廣泛的應用。

2 VR技術發展現狀

為分析虛擬現實技術在機械專業實踐教育全過程中的應用現狀，且因為近年來我國虛擬現實技術的快速發展，各類平臺文獻資料數量巨大，本文選取知網CNKI數據庫數據進行歸納分析，采取內容分析的方法，探討虛擬現實技術在機械專業實踐教學中的應用現狀，截止日期是2022年2月，搜索主題為“虛擬現實”和“教學應用”。共發現1066篇已發表文獻。我們對從數據庫中檢索到的文獻進行量化分析，我們了解到這些文獻在教育領域中的應用，目前分為2個階段：2002年至2016年，虛擬訓練技術的發展相對穩定，這表明，研究人員在論證虛擬現實技術與實踐教學的結合的同時，積極探索和拓展虛擬現實技術在教育教學各個領域的研究領域；自2016年以來，2016年被稱為虛擬現實的元年。自2016年以來，發表的文獻數量迅速增加，虛擬現實與教學的結合也取得了快速進展。將關鍵詞“機器”作為篩選主題后，共發現69篇相關文獻，內容分析發現內容主要集中在虛擬現實、實驗教學、維修等方面。分析發現，虛擬現實技術在機械教育中的應用主要集中在使用虛擬仿真軟件創建虛擬場景和模型，然后進行教學和實踐訓練。

針對近些年國內VR技術的快速發展以及VR技術在機械專業實訓教育實踐全過程中的運用現況，本文采用文獻研究法和內容分析法對已發表的文獻資源進行綜合分析，結合機械專業實訓教學中的VR技術應用現狀展開思考。文獻數據來自于中國知網，在CNKI數據庫中進行文獻檢索，期限截止于2022年2月，檢索的主題是：“虛擬現實”和“教學應用”，查找到的已發表文獻共有1066篇。對數據庫中搜索到的所有文獻進行計量可視化分析，從歷年文獻發表數量變化分析（圖1）中可得知，虛擬現實技術在教育領域的應用正在快速普及，目前分為兩個階段發展：2002～2016年，虛擬訓練技術發展較為平穩，表現出科研教育人員對虛擬現實技術與實訓教學的結合展開探索，積極探索和拓寬了虛擬現實技術在教育教學各領域的研究方向；2016年被稱為“虛擬現實”元年，由2016年開始，文獻發表數量快速增長，虛擬現實與教學領域的結合發展開始飛速進步。再添加“機械”關鍵字為主題進行篩選，共查找到相關文獻69篇，在對文獻內容進行分析后，發現內容主要集中在“虛擬現實”、“實驗教學”、“維修”、“加工”等方面，從中可以看出，在機械實訓教育中虛擬現實技術的運用主要側重于利用虛擬仿真軟件創造出虛擬場景和模型，繼而是進行教學和實操的訓練。

圖1 歷年發表文獻數量變化

3 VR教學現狀分析

3.1 教學指導

在虛擬現實學習環境中，受訓者必須在基本學習流程中接受合理的教學指導，才能開展有效的學習活動。虛擬現實教學常用的教學模式包括教師教學、數字教學、學習手冊等。在69篇文獻中，有21篇文獻在虛擬場景中添加了數字化教學的設計，例如在柴油機拆卸和維修虛擬環境中設置各種培訓方案的說明，受訓者可以根據說明進行選擇；培訓方法包括視頻輔導、語音輔導和單個教學講解。有8篇文獻介紹了一種混合式指導設計，不僅由教師在虛擬場景前培訓受訓者，還指導受訓者在虛擬學習環境中通過各種形式的人機交互中完成培訓教學。例如，在機械虛擬實驗室的教學過程中，教師首先指導受訓者使用設備并解釋任務。當進入虛擬培訓系統時，學習過程中會出現一個解釋動畫，為完成任務提供關鍵信息。另有1篇文獻文件將培訓系統的使用說明和教材內容轉化為視頻和音頻材料，提前指導受訓者熟悉虛擬現實的操作，并解釋虛擬場景中的學習要求。此外，20篇文獻沒有提到教學指導的相關設計

在VR教學環境中，受訓者開展有效學習活動需要在關鍵教學環節中獲得合理的教學引導。VR教學中常見的引導模式有教師指導、數字化引導、教學手冊等方式。在69篇文獻中，有21篇文獻是在虛擬場景中加入了數字化引導設計，例如在柴油機拆裝維修的虛擬環境中設置不同的訓練場景選項的提示，受訓者可根據提示進行選擇；有10篇文獻描述教師應在受訓者進入虛擬場景前開展培訓，培訓方式包括視頻指導、口述指導和實際操作講解；有8篇文獻中采用混合式引導設計，既有在虛擬場景前由教師對受訓者進行培訓，又在虛擬學習環境中通過多種人機交互形式指引受訓者完成培訓任務。例如在某機械虛擬實驗室中教授課程的過程中，首先由教師對受訓者進行設備使用指導以及任務講解，在進入虛擬訓練系統在學習過程中彈出講解動畫，為完成任務提供關鍵信息。另有一篇文獻將訓練系統操作說明以及教材內容制作成視頻和音頻資料，作為教學引導材料，引導受訓者在虛擬場景中熟悉VR操作、明確學習要求。此外，有20篇文獻并未提及學習指導的設計（圖2）。

圖2 虛擬訓練系統教學指導方式

3.2 教學策略

根據文獻內容進行分析，目前的虛擬訓練系統設計者使用虛擬現實進行教學實踐，主要采用以下教學策略：任務研究、分工協作、主題實踐和內容展示?；谌蝿盏难芯啃越虒W主要是基于任務的，它鼓勵受訓者在虛擬環境中探索解決問題的方法，例如拆卸和組裝機械零件的任務。分工協作是指受訓者以小組形式完成教學任務，如小組成員協作的搬運、安裝等活動。該主題的實踐教學策略側重于培訓技能，如機械故障排除和維護。內容演示教程以三維形式向實踐者展示肉眼看不見的物體及其轉換過程，例如使用虛擬現實技術進行交互式漫游和顯示機械結構。

近年來，不同學習策略的比例發生了顯著變化。在過去的10年中，包括教學任務策略在內的培訓體系所占的份額已從70%下降到41%。原因可能有兩點：第一，作業請求內容的開發需要大量的時間和精力；第二，學習作業請求的過程很長，受訓者培訓的有效性得不到保證。近年來，文獻中包含分工協作內容的培訓體系逐漸發展壯大，但由于分工協作教學對設備要求高，技術支持不足，影響了基本培訓需求，培訓水平仍然較低。在力學教學中，學科實踐教學得到了廣泛的應用。首先，具體科目的培訓更符合獸醫的實際要求，其次，虛擬現實技術的具體內容制作更為成熟。在2000～2009年期間，包含文獻內容的培訓系統僅占13%，在接下來的10年中增加到36%。隨著虛擬現實技術在模型制作和內容表現方面的更好發展，近年來使用虛擬現實技術可以更細致、準確地顯示各種機械模型和場景。近年來文獻內容的變化表明，學習策略的選擇取決于機械教育的實際需求和虛擬現實技術的發展，學習策略的改進必須進一步加強虛擬現實技術的研究。

根據文獻內容進行分析，目前的虛擬訓練系統設計者使用虛擬現實進行教學實踐，主要采用以下教學策略：任務探究式、分工協作式、科目練習式及內容呈現式。任務探究式教學主要以任務為導向，鼓勵受訓者在虛擬環境中以問題解決為目標開展探索，例如機械部件拆裝任務。分工協作式是指教學中受訓者以小組為單位完成教學任務，例如小組成員合作進行搬運、安裝等動作?？颇烤毩暿浇虒W策略側重于技能訓練，例如對機械故障排查維修等技能訓練。內容呈現式教學將現實中肉眼不可見的物體及其變化過程以立體的形式向受訓者展示，如利用VR技術互動漫游以展現機械結構等。

近年來，不同學習策略的比例發生了顯著變化（表1）。包含任務探究式教學策略的訓練系統在近10年間的占比由起初的70%減少到41%，原因可能有以下2點：首先，開發任務探究式內容需要花費大量時間和精力，其次，進行任務探究式學習流程長，受訓者訓練效率得不到保障。近年文獻中包含分工協作式內容的訓練系統逐步增長，但仍處于較低水平，原因是分工協作式教學對設備要求高，技術支持不完善，影響訓練的核心需求?？颇烤毩暿浇虒W在機械專業教學中得到了更普遍的應用，一是針對具體科目進行的訓練更加符合實際專業教育要求，二是關于制作具體內容的虛擬現實技術更加成熟。2000—2009年間文獻中包含內容呈現式內容的訓練系統僅占13%，而后十年增長到了36%。隨著虛擬現實技術在模型制作和內容表現方面的更好發展，近年來使用虛擬現實技術可以更細致、準確地顯示各種機械模型和場景。近年來文獻內容的變化表明，學習策略的選擇取決于機械教育的實際需求和虛擬現實技術的發展，學習策略的改進必須進一步加強虛擬現實技術的研究。

表1 VR技術教學策略變化統計

3.3 教學數據分析

教學數據分析是機械專業教學的一個重要方面，可以用于分析和評價教學效果。教學效果評估是指根據預先確定的教育目標，通過現有的成熟技術和方法，對教育教學中的實驗和實踐活動中不同的教育活動、教育過程和教育結果進行科學評估和評估；本文研究了文獻中收集學習數據的方法。結果表明，虛擬訓練成果的主要數據來源是問卷調查，另外理論考核的成績也是一種常用的數據收集方法。一些文獻采用了課堂記錄和課后交流的方法。一般來說，問卷作為最方便的數據收集方法之一，因此為機械虛擬訓練教學提供了最多的數據來源，但得出的結論是主觀的；教學記錄和課后交流相較于前兩種方式，能夠深入了解受訓者的學習過程和學習體驗，但需要花費更多的時間。因此，我們需要更多的研究人員深入了解數據的收集和演變對職業教育教學效果的影響，并進一步分析數據對教學的影響。

4 結論與思考

根據收集到的文獻研究結果，我國對虛擬現實教育的研究和應用尚處于起步階段。以虛擬現實的簡單應用為主導，以創新能力為支撐的研究較少，教育培訓影響評估體系也不完善。目前，國內虛擬現實研究的重點仍然是虛擬仿真機械的具體結構和場景。目前，利用虛擬現實技術設計系統存在建模工作量大、仿真成本較高、現實與現實差距大等問題。通用技術仍與西方國家相去甚遠。

更具體地說，從產品技術的角度來看，目前安裝的顯示設備操作體驗較差，包括顯示視野狹窄、VR眼鏡體積大、重量重、受訓者可移動性低、一系列設備的硬件限制，導致交互體驗不足等缺陷。在教學應用層面，最大的挑戰是教學方法沒有根本改變，大多數培訓系統仍然在虛擬環境中使用傳統的教學方法，沒有體現虛擬現實技術在教學中的優勢。在虛擬現實中傳遞過多種信息的創新方法使受訓者無法專注于培訓內容。與培訓過程相關的檢測數據尚未使用成熟的輔助技術進行有效評估，受訓者對虛擬現實訓練系統使用的影響也無法量化。根據相關研究結果，提出以下四點建議，以期為虛擬現實技術在機械教育領域的應用提供參考。

4.1 加強訓練系統的教學指導

為了克服傳統教學模式中教師的精力和實驗設備有限的問題，每個受訓者必須能夠有效參與。首先，虛擬現實技術設備和技術必須進一步提高各自技術的成熟度，提高設備和受訓人員的適應性，通過增強現實、混合現實等技術工具，創造更實用、更智能的虛擬現實學習環境，降低技術使用難度，提供更好的設備使用體驗。同時，在大多數文獻中，關于虛擬現實在訓練中的有效使用的教學研究較少。提供有效的虛擬技術使用方式，提高培訓的有效性，確保用戶安全，并在虛擬培訓前注意教學指導，可以解決虛擬訓練系統上手困難，確保有效使用多種教學指導方法可以使虛擬訓練方案與真實場景之間的協作更加有效。

4.2 強化VR技術在教學策略中的應用

使用虛擬現實技術設計訓練系統的技術應該服務于教育和教學整個過程。針對以上問題，系統設計者應首先考慮虛擬現實技術在特定學習情境下可以教授什么內容以及如何教授，即明確學習目標，制定最有效的學習策略，創建詳細、完整、可行的課程，使課程與受訓者的認知過程更好地協調；根據實際教學進行長期的訓練效果測試、監控和評估，獲取數據規律，并根據評估結果改進模型場景和所有基于虛擬現實的教學設計環節。

4.3 制定完善VR教學的評價體系

目前關于機械專業的虛擬訓練文獻中，教學培訓的數據收集方法以量化數據為主，對于虛擬訓練系統的訓練效果的評價仍然以傳統評價方式為主，通過問卷、理論考核或訓練記錄進行衡量，并通過量化數據處理方式進行分析。然而問卷、考核和訓練記錄等工具，其研究結果只提出達到顯著提高訓練效果，但改善的程度和可靠性無法評估。因此，研究中可以開發關于技術數據的輔助收集與評價功能，便于教學者評估受訓者培訓效果，并通過多元化的數據收集和分析、規范的量化數據匯報方式等措施來提高研究結果的可靠性，更好地指導VR技術在機械專業培訓中的推廣和應用。