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随着国内虚拟现实技术、智能控制技术、工业仿真拆装技术、数据库技术等在当前院校信息化建设发展中的深入应用，以往教学过程中单一的图文授课和实装训练模式已不能完全满足当前时代与科技发展的需要。虚拟仿真实验教学是高等高职教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容。具有更大数据承载量、更逼真的模拟场景、更强功能的三维虚拟交互教学训练系统成为了目前的教学训练的迫切需求。
为了更好地展示现代化、信息化教学与科研成果，提高院校的仿真教学与训练水平，扩大高科技手段在院校重点学科专业教育教学与训练中的应用，解决实物机械等设备数量少、造价昂贵、无法满足在校学生日常教学与实训需求的问题，特别是涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，现实教学中很难完成的实训教学、高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，全息教室可以为老师和学生提供可靠、安全和经济的实验实训项目。经过调研，在教学与实训中采用可靠实用的三维虚拟交互教学实训系统是必要的，目前在技术上也是完全可以实现的。
一、虚拟现实（VR）实训解决传统教学难点痛点
（1）教学内容平面化，难以理解
职业教育培养应用型技术技能人才，要通过“学”加“看”、“仿”加
“练”来提高学生的专业技能，仅有平面的文字阅读学习无法满足教育教学的需要。传统教育始终展现平面化，如遇内容太枯燥，学生没有学习动力与热情。如遇复杂教学内容，如机械专业的液压原理、医学专业的产妇分娩、汽修课的发动机构造、轨道运输专业的转向架检修等，教师难以用语言把知识点表达得非常清晰，同时由于每个学生的理解力不同，教学效果因人而异，甚至初次学习这些知识的学生会得到“盲人摸象”般的感受。然而VR创新教学，三维立体化教学，内容更具体，所有的学习内容都可以通过交互式、沉浸式方式快速了解结构、原理等。立体化教材让学习者在纸质文本之外，获得仿真、交互的数字课程资源支持，实现“线上线下互动、新旧媒体融合”的整体解决方案，从而使抽象的教学概念更加容易理解，带来实践与理论、知识与思维、现实与未来三方面的相互融合。
（2）实训危险系数大，安全事故频发
实操训练是职业教育不可缺少的环节，但在实训教学过程中往往受到设备昂贵、成本高的限制，在实训过程中还会出现设备损耗严重，后期更新维护困难等问题，部分实训操作因为场地和安全因素，不利于学生反复进行训练，甚至根本无法开展训练，严重影响了职业教育实训教学的效果。在职教学习过程中，类似于电力、化工、机械等专业具有极高的危险性，学生很容易受到触电、爆燃等危险。利用VR教学实训，学生可以在虚拟场景中提前操作，既然是没有危险性的操作场景，学生操作起来简易上手，内容记忆及教学效果也会加倍。
（3）实训成本高
针对汽车维修、轨道交通、机械工程、生物医学等“高成本”专业，对于实训环境要求比较高，一个场景的搭建或者一个真实的实训设备都是学校一笔巨大开销，然而耗材少却达不到学生实训真正的目的。利用VR教学实训，既能节约学校实训成本，突破传统实训教学在时空、设备、成本、内容等方面的限制，让学生在虚拟的实训环境中随心所欲地进行各种训练，获取前所未有的实训教学体验。学生能在虚拟环境中反复操作，同时，教师可多角度重复展示一个部件的拆装，而不会额外产生大型器械的练习成本和场地成本。
（4）急需开发职教创新课程体系
传统职业教育的职业针对面狭窄，不能使学生理解高水平的学术或宽广的产业和生涯知识，为此，他们将先进的学术引入职业课程，同时还将生涯和技术课程建立在职业群的基础上，使课程框架更宽泛。传统职业教育已不能满足职业发展的需求，以前美国有很多副学士学位的工作岗位，但今天在IT和自动化技术的冲击下，这些工作岗位消失得很快，越来越多的工作岗位需要更宽厚的学术知识和较高的操作技能，即意在使受教育者以较宽厚的基础和实力去迎接未来多变且多元的劳动世界。
l 虚拟实验室有助于提高高等学校的实验教学质量, 改善教学环境
目前各个高校普遍存在教学实验仪器陈旧的问题、学校实验室建设投入资金紧张的问题。相对落后的传统实验仪器设备满足不了现代学科内容的更新和发展。学校将虚拟仪器设备技术引入实验教学中, 不但能够充分利用教育资源, 而且具有更高的灵活性, 不再受传统设备模式的限制, 从而节约大量的基础设施建设投资, 有利于改善办学条件和提高教学水平。
l 虚拟实验室有利于提高学生的学习兴趣和学习效率
虚拟实验以计算机作为基本的技术平台, 开发设计与课程内容相适应的实验系统。学生在虚拟的环境下进行相关内容的实验, 并获得如身临其境的实验体验。采用集成的虚拟拆装系统, 还可以实现自动拆装、自动记录和数据处理。虚拟实验可以非常灵活地为教学中的原理设计实验进行直观的演示, 教学效果非常明显。除此之外, 还可通过软件虚拟出各种过程进行直观的演示。学生可及时进行数据处理、观察和分析实验结果。通过虚拟实验室实验, 学生在有限的实验学时内有更多的时间动脑、动手, 领会和掌握到更多的知识, 而不是把时间花在繁杂的仪器连接和调试方面, 实验的效率大大提高。
l 虚拟实验室有利于提高教学效果, 减轻实验管理人员的工作负荷
在真实实验室教学, 受到仪器设备量限制, 所传授的知识和技能有限, 教师不可能把各种可能发生的情况一一罗列出来, 管理人员也不可能时刻进行管理维护。而利用虚拟实验室, 能够不受实验设备仪器的限制, 学生可以自由做实验, 有利于提高教师在课堂上的教学效果及课后的辅导效果, 同时也减轻了实验管理人员的工作负荷。
三、虚拟仿真实训室的优点：
· 逼真的虚拟现实环境提供与真实设备一样的感受。
· 不消耗现实资源和能量，零风险、低成本。
· 多种交互方式相结合，增强了虚拟操作训练的效果
· 加深学生对教学内容的认识和理解
· 有利于师生对其进行理论升华，更好地指导实际教学内容，即对设计过程，教学系统整体进行优化配置，推动教学与科研的巨大跃升
· 对跨学院的教学内容与师生作品进行全面仿真，达到前所未有的直觉感、真实感，为科研与教育的进一步发展提供了更大的空间
四、建设思路
（1）按照专业课实施过程，合理规划专业教室空间布局，为学习空间构建为多个功能区，分别为VR教学区、MR交互体验区、实训教学区等以满足教学中各手段的需求，并在一个空间内实现实物教学、信息化教学模式与传统教学手段的有机组合，将教室的学习效能最大化。
（2）设计有多机位的VR虚拟教学区。在此区域内可进行发动机沉浸式虚拟结构原理学习及仿真拆装，利用VR技术以及空间跟踪定位技术，对难以在小空间范围内进行整车或整机的结构原理学习，进行有序的分步骤结构爆炸分解，展现汽车设计特点。
（3）充分利用专业教室内外立面空间，设计有虚拟学习文化展板。
（4）软件要求包含2D资源展示功能，可以在软件中加载文字学习资料、相关演示图片、二维动画资源等。
五、详细方案设计
