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隨著國內虛擬現實技術、智能控制技術、工業仿真拆裝技術、數據庫技術等在當前院校信息化建設發展中的深入應用，以往教學過程中單一的圖文授課和實裝訓練模式已不能完全滿足當前時代與科技發展的需要。虛擬仿真實驗教學是高等高職教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容。具有更大數據承載量、更逼真的模擬場景、更強功能的三維虛擬交互教學訓練系統成為了目前的教學訓練的迫切需求。
為了更好地展示現代化、信息化教學與科研成果，提高院校的仿真教學與訓練水平，擴大高科技手段在院校重點學科專業教育教學與訓練中的應用，解決實物機械等設備數量少、造價昂貴、無法滿足在校學生日常教學與實訓需求的問題，特別是涉及高危或極端的環境、不可及或不可逆的操作，現實教學中很難完成的實訓教學、高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，全息教室可以為老師和學生提供可靠、安全和經濟的實驗實訓項目。經過調研，在教學與實訓中采用可靠實用的三維虛擬交互教學實訓系統是必要的，目前在技術上也是完全可以實現的。
一、虛擬現實（VR）實訓解決傳統教學難點痛點
（1）教學內容平面化，難以理解
職業教育培養應用型技術技能人才，要通過“學”加“看”、“仿”加
“練”來提高學生的專業技能，僅有平面的文字閱讀學習無法滿足教育教學的需要。傳統教育始終展現平面化，如遇內容太枯燥，學生沒有學習動力與熱情。如遇復雜教學內容，如機械專業的液壓原理、醫學專業的產婦分娩、汽修課的發動機構造、軌道運輸專業的轉向架檢修等，教師難以用語言把知識點表達得非常清晰，同時由于每個學生的理解力不同，教學效果因人而異，甚至初次學習這些知識的學生會得到“盲人摸象”般的感受。然而VR創新教學，三維立體化教學，內容更具體，所有的學習內容都可以通過交互式、沉浸式方式快速了解結構、原理等。立體化教材讓學習者在紙質文本之外，獲得仿真、交互的數字課程資源支持，實現“線上線下互動、新舊媒體融合”的整體解決方案，從而使抽象的教學概念更加容易理解，帶來實踐與理論、知識與思維、現實與未來三方面的相互融合。
（2）實訓危險系數大，安全事故頻發
實操訓練是職業教育不可缺少的環節，但在實訓教學過程中往往受到設備昂貴、成本高的限制，在實訓過程中還會出現設備損耗嚴重，后期更新維護困難等問題，部分實訓操作因為場地和安全因素，不利于學生反復進行訓練，甚至根本無法開展訓練，嚴重影響了職業教育實訓教學的效果。在職教學習過程中，類似于電力、化工、機械等專業具有極高的危險性，學生很容易受到觸電、爆燃等危險。利用VR教學實訓，學生可以在虛擬場景中提前操作，既然是沒有危險性的操作場景，學生操作起來簡易上手，內容記憶及教學效果也會加倍。
（3）實訓成本高
針對汽車維修、軌道交通、機械工程、生物醫學等“高成本”專業，對于實訓環境要求比較高，一個場景的搭建或者一個真實的實訓設備都是學校一筆巨大開銷，然而耗材少卻達不到學生實訓真正的目的。利用VR教學實訓，既能節約學校實訓成本，突破傳統實訓教學在時空、設備、成本、內容等方面的限制，讓學生在虛擬的實訓環境中隨心所欲地進行各種訓練，獲取前所未有的實訓教學體驗。學生能在虛擬環境中反復操作，同時，教師可多角度重復展示一個部件的拆裝，而不會額外產生大型器械的練習成本和場地成本。
（4）急需開發職教創新課程體系
傳統職業教育的職業針對面狹窄，不能使學生理解高水平的學術或寬廣的產業和生涯知識，為此，他們將先進的學術引入職業課程，同時還將生涯和技術課程建立在職業群的基礎上，使課程框架更寬泛。傳統職業教育已不能滿足職業發展的需求，以前美國有很多副學士學位的工作崗位，但今天在IT和自動化技術的沖擊下，這些工作崗位消失得很快，越來越多的工作崗位需要更寬厚的學術知識和較高的操作技能，即意在使受教育者以較寬厚的基礎和實力去迎接未來多變且多元的勞動世界。
l 虛擬實驗室有助于提高高等學校的實驗教學質量, 改善教學環境
目前各個高校普遍存在教學實驗儀器陳舊的問題、學校實驗室建設投入資金緊張的問題。相對落后的傳統實驗儀器設備滿足不了現代學科內容的更新和發展。學校將虛擬儀器設備技術引入實驗教學中, 不但能夠充分利用教育資源, 而且具有更高的靈活性, 不再受傳統設備模式的限制, 從而節約大量的基礎設施建設投資, 有利于改善辦學條件和提高教學水平。
l 虛擬實驗室有利于提高學生的學習興趣和學習效率
虛擬實驗以計算機作為基本的技術平臺, 開發設計與課程內容相適應的實驗系統。學生在虛擬的環境下進行相關內容的實驗, 并獲得如身臨其境的實驗體驗。采用集成的虛擬拆裝系統, 還可以實現自動拆裝、自動記錄和數據處理。虛擬實驗可以非常靈活地為教學中的原理設計實驗進行直觀的演示, 教學效果非常明顯。除此之外, 還可通過軟件虛擬出各種過程進行直觀的演示。學生可及時進行數據處理、觀察和分析實驗結果。通過虛擬實驗室實驗, 學生在有限的實驗學時內有更多的時間動腦、動手, 領會和掌握到更多的知識, 而不是把時間花在繁雜的儀器連接和調試方面, 實驗的效率大大提高。
l 虛擬實驗室有利于提高教學效果, 減輕實驗管理人員的工作負荷
在真實實驗室教學, 受到儀器設備量限制, 所傳授的知識和技能有限, 教師不可能把各種可能發生的情況一一羅列出來, 管理人員也不可能時刻進行管理維護。而利用虛擬實驗室, 能夠不受實驗設備儀器的限制, 學生可以自由做實驗, 有利于提高教師在課堂上的教學效果及課后的輔導效果, 同時也減輕了實驗管理人員的工作負荷。
三、虛擬仿真實訓室的優點：
· 逼真的虛擬現實環境提供與真實設備一樣的感受。
· 不消耗現實資源和能量，零風險、低成本。
· 多種交互方式相結合，增強了虛擬操作訓練的效果
· 加深學生對教學內容的認識和理解
· 有利于師生對其進行理論升華，更好地指導實際教學內容，即對設計過程，教學系統整體進行優化配置，推動教學與科研的巨大躍升
· 對跨學院的教學內容與師生作品進行全面仿真，達到前所未有的直覺感、真實感，為科研與教育的進一步發展提供了更大的空間
四、建設思路
（1）按照專業課實施過程，合理規劃專業教室空間布局，為學習空間構建為多個功能區，分別為VR教學區、MR交互體驗區、實訓教學區等以滿足教學中各手段的需求，并在一個空間內實現實物教學、信息化教學模式與傳統教學手段的有機組合，將教室的學習效能最大化。
（2）設計有多機位的VR虛擬教學區。在此區域內可進行發動機沉浸式虛擬結構原理學習及仿真拆裝，利用VR技術以及空間跟蹤定位技術，對難以在小空間范圍內進行整車或整機的結構原理學習，進行有序的分步驟結構爆炸分解，展現汽車設計特點。
（3）充分利用專業教室內外立面空間，設計有虛擬學習文化展板。
（4）軟件要求包含2D資源展示功能，可以在軟件中加載文字學習資料、相關演示圖片、二維動畫資源等。
五、詳細方案設計
