基于VR技术的高职院校数字化教学资源开发与应用

［摘           要］  VR技术应用于职业教育教学中，可以解决实训教学中内部结构看不到、故障现场进不去、设备成本高、操作危险大等特殊问题，不受时空的限制，在教学资源开发中具有广阔的应用前景。通过对当前“VR+职业教育”的背景分析，阐述了基于VR技术的教学资源开发思路与步骤，指出了VR教学资源具有的理论价值、实用价值和推广价值。通过VR教学资源的实际应用，对比分析与传统教学资源之间的优劣。

［关    键   词］  虚拟现实；数字化；教学资源；开发；应用

［中图分类号］  G717                    ［文献标志码］  A                  ［文章编号］  2096-0603（2024）25-0097-04

虚拟现实基于可计算信息的沉浸性交互环境，采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。职业教育的教学过程中普遍存在“三高、三难”问题，即高投入、高难度、高风险，难实施、难观摩、难再现。为了解决此类问题，将VR技术创新应用在教学中，取得了良好的效果。

一、开发背景与应用意义

（一）开发背景

2020年10月，首个国家职业教育虚拟仿真示范实训基地在江西正式开启，助力推动了虚拟仿真技术应用在职业教育中的前进脚步。《虚拟现实产业发展白皮书5.0》中指出，“教育文化也是虚拟现实技术的一个重要应用领域，通过财政资金促进虚拟现实技术产业化，支持面向工业、文化教育等重点行业的虚拟现实技术应用。”《中华人民共和国职业教育法》指出，支持运用信息技术和其他现代化教学方式，开发职业教育网络课程等学习资源，创新教学方式，推动职业教育信息化建设与融合应用。杜占元同志在教育信息化试点工作座谈会上指出，网络空间可以利用碎片时间，促进教与学、教与教、学与学的全面互补。

因此，在教学资源开发和建设过程中应有效融入育人元素，引导学生养成“真善美”的个人情操，提高综合素养。同时，结合企业用工需求，融合职工素质、岗位责任、企业文化等现场元素，营造实际生产过程的氛围。以铁道信号自动控制专业核心课程为依托，以课程育人为出发点，紧密关注并充分考虑学生的碎片时间，与企业现场技术人员密切合作，借助资深网络课程开发与建设平台，完成育人型“碎片化”优质教学资源的建设，有效落实立德树人根本任务。

（二）应用意义

1.践行“三全育人”理念，落实课程育人职责

坚持以立德树人为根本任务，牢记“为党育人、为国育才”的初心使命，践行“三全育人”的教育理念，发挥专业核心课程的内在优势，落实课程育人职责。大力推进“发展素质教育”，培养堪当民族复兴大任的时代新人。开发并建设适用于学校学生学习及企业职工培训的优质教学资源，可以实现优在“育人型”的教育理念上。

2.加强碎片时间管理，促进专业技能提升

积极响应“全民终身学习”的伟大号召，共同建设学习型社会，提高对碎片时间的管理能力和利用效率，注重理论知识的精准学习和专业技能的有效提升，开发“微”资源，打造“微”课堂，可以实现优在“碎片化”的呈现方式上。

3.融合教育信息技术，实现优质资源建设

充分利用网络化、信息化、数字化技术快速发展带来的科技红利，结合职业教育教学现状，基于最新的智能化技术实现精细化资源配置，采用“线上+线下”混合式教学模式，开发并建设数字化资源，可以实现优在“网络化”的学习形式上。

二、价值与创新

（一）价值

VR教学资源可以提高学生的学习积极性，不受时间和空间限制开展学习，在虚拟的实训场景中直接获取相关技能，有利于学习效率的提升。也可以用于其他院校的教学以及现场职工的培训，具有一定的推广应用价值。

1.理论价值

VR教学资源可以促进课程教学的数字化转型，适应当前教育信息化发展的新形势。结合网络技术、计算机技术在教学领域的深度融合应用，实现网络化教学资源的建设，在课程层面率先完成数字化转型，为建设以数字化为支撑的高质量教育生态贡献专业核心课的力量。借助互联网实时记录、大数据分析生成学生个性化成长记录，真正实现因材施教。

2.实用价值

VR教学资源可以应用在专业核心课程的实际教学中，对学生学习具有一定的指导意义。完成传统课堂中文字描述内容的信息化设计，以虚拟场景的方式呈现出来，有助于学生在短时间内获取理论知识和操作技能，实现知识学习精准化、复习巩固高效化。

可以有效解决以下三个方面职业教育实训教学瓶颈，实用价值高：教室讲台展示、实训教学演示成本昂贵，或示范过程中存在一定安全隐患的教学内容，学生理解不充分，传统实践教学效率低；实训设备不足，做不到人手一机独立操作实训，多人分组进行时，一人操作多人观看，每人真正实操时间少，达不到预期理想的实践教学成果；实训造成大量工件耗材、器件损耗、能源消耗以及各种生产操作安全隐患，实训成本巨大。

（二）创新

1.变革和创新教与学方式

师生在学习过程中的主从地位发生了变化，从传统教学中以教师为中心的“教师讲授，学生被动听”，变成了以学生为主导的“教师引导，学生主动学”。基于虚拟现实技术的、以学生为中心的教学可以全面促进学生综合职业能力的提升。

2.培养学生信息化环境下的自主学习能力

VR带给教育的不仅仅是专注度和体验感，更重要的是打破了空间和时间对学习者的禁锢，通过虚拟环境中的交互指引，引导学习者自主发掘知识点、自主学习，可以让知识从间接经验变为直接经验。

3.提高教师的信息技术应用能力

塑造信息化教学思维。从教学内容、方法、互动、评价全方位重新构建，现在仅需要5～10分钟即可完成讲解，更有利于教师拓展更深层次、更全面的教学内容。

提升信息化教学能力。有了相应设备，更需要会使用设备的教师，这就促使教师信息化教学能力的提升，自主学习、掌握信息化技术的应用、仿真资源的应用等教学技能。

重构信息化课程设计。在信息化技术的应用下，新的课程设计应符合学生的认知规律，选择最适用的教学资源。

注重信息化课堂实施。教师的大量工作都在课前和课后，而课堂更多的是学生自主学习，教师提示性的指导、答疑和评价过程。教师课堂教学能力需更进一步提升，与实用资源相对应。

4.促进教育信息化发展

虚拟现实技术在教学中的应用，可以促使教学手段科技化、教育传播信息化、教学方式现代化，在教育过程中较全面地运用计算机技术、多媒体技术和网络通信为基础的现代信息技术，可以促进教育改革向着教育信息化方向发展。

三、开发步骤

（一）脚本编写

在基于VR技术的教学资源开发过程中，首先需要编写专业脚本，脚本是后续建模和编程的指导依据，特别是对程序的实现方式有重大的影响，直接影响后期程序的实现方式和难易程度。脚本编写需综合考虑以下四个方面。

1.目标明确，思路清晰

根据专业知识体系，选取教学资源开发的内容，构建脚本逻辑框架，形成完善的知识模块，并且为后期改进和增建做好相应的衔接匹配。

2.摒弃传统，重在交互

VR技术可以使整个教学呈现出三维动态旋转的展示方式，搭配语音和文字的讲解说明，同时增强了学习过程中的交互性，让整个学习过程更加真实、有趣。具有强烈的交互感，将被动的眼看耳听转变为主动的探索获取，是一种沉浸式的自我体验。

3.仔细严谨，专业性强

脚本需保证专业知识的正确性，以严谨的态度认真对待，并经过层层核查多次修改调整而最终确定。先由专业教师团队编写初稿，交至校内骨干教师进行初审，主要对专业理解的正确性和用词的准确性等内容进行检查，提出修改建议，形成第二稿。再将第二稿交至现场专家进行检验复审，主要结合现场的实际应用状况对专业知识的实时性进行检查，提出修改建议。整改之后方可形成终稿，用于实际教学资源的开发。

4.统筹全局，实时修订

在编写程序的过程中，与程序编写人员一起讨论协商，对既定的动画及各种部件的展示方式进行实时调整，以达到最佳的学习效果。

（二）三维建模

采用3ds Max三维建模软件，将具体建模设备的各组成部件制作成三维模型，在虚拟场景中可以进行随意拆分和组装。建好的三维模型，实际上成为一套可以在网络上自由移动的现场设备，不受时间的约束和地点的限制，随时都可以进行自主学习。将原本多人围着一台设备进行对照学习的课堂，转变成人人都持有一台设备，可以近距离自主随意拆分、随意旋转观察学习。将三维建模技术应用在具体设备结构的教学过程中，扩展了课堂教学方法，可以增强学生的学习兴趣，能够大幅度提高教学质量。

三维模型的精度主要是按照模型面数定的，是根据模型完成布线之后被分成了多少小块而界定的。面数越多，模型精度也越高，细节展示越清晰，同时运行过程对系统配置的要求更高。对于大型VR系统（如大型游戏）而言，模型的面数越多，会影响系统运行的流畅性。对于单一的VR教学资源而言，因模型数量不多，交互方式简单，动态效应要求不高，一般的电脑配置均可以满足高模模型的展示运行。因此，在实际建模过程中应根据视觉真实程度对模型面数进行调整。

（三）程序编写

Unity 3D是一个综合型游戏开发工具，是可以完成全面整合的专业游戏引擎。将游戏引擎应用在教学中，在思想认识上打破了传统的教学观念，同时借鉴开发游戏的设计思路，让整个教学过程犹如游戏一样，学习的过程相当于在玩游戏，既有乐趣又有收获。

（四）场景搭建

完成了建模和程序编写，便可采用两种应用方式：一种是在PC端进行观看，另一种是采用头盔显示器等穿戴设备。在PC端进行观看和学习，是一种可以普遍应用的传播方法，只需要在计算机上安装教学资源，就可以通过鼠标和键盘的配合操作完成控制指令的下达，实现人机交互。适用于计算机机房教学，可供学生自主预习，可用于课堂教学资源，可作为课后资料进行复习和巩固；采用头盔显示器可实现整个学习过程的沉浸式体验，跨越了时间和空间的限制，虚拟场景与现实环境完全一致，通过手柄的控制和操作，发出相应的控制指令，实现可交互的沉浸学习。

（五）联调联试

通过多位专业教师、现场专家、学生的体验测试，提出体验感受，形成改进意见，进行再次开发与优化。多次试验无误后，应用于实际校内教学和企业培训。

四、应用分析

（一）教学应用

VR教学资源开发重在应用，通过实际教学，在教学设计、学习效果、应用创新等方面进行了跟踪调研，调研结果如下。

1.教学设计

在VR教学资源应用过程中，重点在于课前设计环节，需提前将学生的学习过程设定完整，课堂上的时间主要是交给学生自己自主完成探索学习。教师在学习过程中完成角色的转变，由领学者转变为导学者，由主力转变为辅助，由主场转变为客场。与之对应的，是学生自主学习的主体性体现。教学设计从传统教学的以教师为中心变成以学生为主导，采取自主探究式学习，以提高学生自主分析问题、解决问题的能力，同时培育学生的职业精神。