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摘 要:本文对虚拟现实技术进行介绍,分析了新一轮高职教学改革下实施基于工作过程的“教学做一体化”教学的特点及目前存在的问题,提出了利用虚拟现实技术进行辅助教学,从而提高高职教学质量的“技术应用模型”。
关键词:高职教育;教学改革;虚拟现实
中图分类号:G712文献标识码:B文章编号:1673-8454(2010)13-0085-03
一、引言
目前,我国高职教育改革积极借鉴德国职教经验,提倡“基于工作过程”的“一体化教学”,教育教学改革取得了一系列的成绩。然而,改革实践中,出现了这样一些问题:过于强调和依靠企业对学生技能的培养,忽视学校对学生职业素养及人才可持续发展的作用。笔者认为片面或过分依赖于“顶岗实习”,而忽略学校对学生的能力培养,很难达到高职教育培养高技能人才的目的,应在各个教学环节有效融入高职教育“基于工作过程”的教学理念。
本文主要分析了在校内教学过程中如何利用虚拟现实技术辅助进行“基于工作过程”的“教学做一体化”教学,从而提高教学质量,其思路可供高职教育工作者参考。
二、虚拟现实技术
虚拟现实技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。它利用计算机生成一种模拟环境,通过多种传感设备使用户投入到该环境中,实现用户与环境直接进行自然交互。由于虚拟现实技术具有良好的可控性、无破坏性、安全性,不受气象、空间和场地限制,可以多次重复,系统费用低,因此,一直受到人们的广泛关注。
根据用户参与虚拟现实的不同形式和沉浸程度的不同,以及国内外学者对虚拟现实领域的研究成果,我们把虚拟现实技术划分为四种类型:
(1)桌面虚拟现实(Desktop Virtual Reality,DVR)
该类型主要是在PC机上进行图形图像仿真,依靠计算机的屏幕提供给用户一个虚拟的平台,运用虚拟现实的输入设备实现与虚拟世界场景之间的交互。该类技术主要包括基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现实标识语言、桌面三维虚拟现实、MUD等,其应用的缺点是不能提供真实的现实体验,使用者不能完全沉浸在虚拟世界中。在教育领域应用较为普遍的是虚拟现实教育平台的开发与使用。
(2)沉浸式虚拟现实(Immersive VR)
不同于桌面虚拟现象,沉浸式虚拟现实提供给使用者完全沉浸的体验,其特点是利用一些真实工具,例如,利用头盔显示器把用户的视觉、听觉封闭起来,产生虚拟视觉,同时,利用数据手套把用户的手感通道封闭起来,产生虚拟触动感。系统采用语音识别器让参与者对系统主机下达操作命令,与此同时,头、手、眼均有相应的头部跟踪器、手部跟踪器、眼睛视向跟踪器的追踪,使系统达到尽可能的实时性。虚拟现实电影院就是一个完全沉浸式的投影式虚拟现实系统。
(3)增强现实型虚拟现实(Augumented Reality VR)
该类技术是将真实环境与虚拟现实景象结合起来,减少生成复杂实验环境的开销,又便于对虚拟实验环境中的物件进行操作。其特点是不仅利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界,而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受,也就是增强那些现实中无法被感知或很难被感知的感受,具有实时人机交互功能。
(4)分布式虚拟现实(Distributed VR)
分布式虚拟现实是将多个地理上相互独立的用户实时地通过计算机网络连接在一起,共同分享一个虚拟空间,体验虚拟经历。这样的方式,实现了分布在不同地域的操作者对同一环境或系统的操作。
三、当前高职课程开发与实施环节中的问题
1.技能传授环节
高职教育教学的实施力求按照企业的真实工作环境和流程进行,学生在做中学,在学中做,然而,有些专业真实工作环境的搭建、真实工作过程的实施却由于各种原因而无法达成。常见问题有:[1]
(1)专业实训设备难以配备。设备体积较大而实训教学的场地有限,教师在讲授设备操作方法、注意事项时,只有在设备附近的少数学生能看清楚。
(2)专业实训设备结构比较复杂、单价较高,为实训教学增加设备势必大幅度增加购置经费,而且每次使用机器成本较大(包括原材料、电力、机器损耗和设备维修费用,而实验产品是不能投放市场产生经济效益的)。比如,民航飞机维修专业课程的真实工作过程就是对飞机出现的各种故障进行维修,而现实中我们很难去制造特有的故障供学生练习、维修,或者对于某些机型的特殊零件也会由于费用等问题而不能提供给大家学习。
(3)实验设备更新速度相对滞后于技术更新的速度。如果按照现在的技术更新速度同步进行实验设备的更新,投入将是非常巨大的,由此造成的浪费也是非常严重的。
(4)由于实验故障等原因导致的设备损耗较为严重。对实验过程指导不力或实验过程中的失误,易导致设备非正常损耗。
(5)没有实践经历的学生在真实实验或生产车间进行操作存在一定的危险性。因而在现实教学中,一般采用教师演示或组织学生看录像的方式,但学生很难获得感性认识,实验效果大打折扣。
(6)教师只能对机械外表进行讲授,而学生对机器的运作原理及内部运作无法了解,当机器运转时内部结构无法讲授(机器运转时不能拆开机壳)。
(7)在财经、管理等文科专业教学中存在单纯依靠语言讲授,实践不足的现象;旅游等专业学生的实践教学要专程到旅游景点进行,费用太高。因此,对于某些专业来讲,做到按真实工作过程进行教学会比较困难。
2.陈述性知识“够用”原则的处理环节
高职课程的开发,应以任务为驱动,在教学过程中,边“做”边进行知识的补充,强调知识的“够用”原则,避免理论知识与实践技能的平行。然而实际教学中,对于某些知识口头表述很难真实反映它的涵义,它的特点是不能通过语言、文字或符号进行逻辑说明,难以对其进行批判性反思。例如,飞机驾驶员飞行时需要掌握的身体协调方式等,学生对这种知识的理解比较隐蔽模糊,这种知识也被称作是“缄默知识”,主要通过实践或模拟仿真来获得。因此,以何种方式为学生呈现教学中的某些陈述性知识,使其更便于掌握与运用,就成为教学效果是否优良的一个非常关键的问题。
3.对学生职业素养培养的环节
高等职业教育的定位是:培养面向生产、建设、服务和管理第一线需要的高技能人才,强调以就业为导向,在获取职业技能和知识的同时,加强素质教育,强化职业道德,实现“职业人”加“社会人”的双重培养目标。对于素质教育的养成,体现在学生具有较强的人文素养、宽广的知识、学习能力、信息获取能力、解决问题的能力,以及职业生涯规划能力等方面。目前基于工作过程的教学过程中,加强了素质教育引导和职业道德培养,然而,对于课程中开放创新性学习任务的完成,学生如何快速有效获取知识,提高分析、解决问题能力和学习能力等,成为亟需解决的问题。
四、虚拟现实技术在“教学做一体化”高职教学中的应用模型及技术分析
1.技术应用模型
根据以上分析,我们提出如图所示的虚拟技术应用模型,该模型图提供了在当前高职教育改革背景下,虚拟现实技术的应用方式及方法,用以一定程度上解决上述在实际教学中可能出现的问题。构建的虚拟教育环境主要包括:
(1)虚拟教师:智能Agent可作为虚拟教师出现在学习环境中,可以完成学习“导航”和“解答”问题的任务,指导和帮助学生获取所需要的学习资源,防止出现“信息过载”和“资源迷向”,并根据网络教学资源回答学生提出的问题。虚拟教师的出现有利于增加教学的趣味性和人性化色彩,从而改善教学效果。
(2)虚拟实验:采用VR技术提供实验的虚拟环境,学生在虚拟实验室内可以完成全部实验步骤,从而获取技能与知识,良好的虚拟实验系统可以向实验者提供观察实验过程的视频窗口、图文并茂的实验设备知识、丰富多彩的实验相关资料、操作灵活的实验交互过程,无需教师在场,学生就可以通过自己的努力完成实验,并充分利用实验系统的导航、自测与自评的助学功能,达到实验要求。
(3)为学生提供良好的网络环境和电子图书馆,用以自主、便捷地获取信息,开拓视野,了解技术动态。
(4)学生可以利用网络上已建立的虚拟社区进行技术讨论、学习。
(5)教师可以为学生提供多媒体工作站,使学生通过多媒体学习课程并记录笔记。
(6)通过基于智能辅导系统(ITS)构筑的虚拟环境,向学生提供一种有效的学习手段,非常适合于高职教育中以学生为中心的学习模式。
2.应用模型特点及虚拟现实系统的选用
该技术应用模型具有三个特点:第一,通过创设模拟情景,实现形象化教学,解决实际教学难以提供真实工作环境的问题;第二,将必要陈述性知识进行有效传递;第三,培养学生的创新、自学能力,实现人才可持续发展。
针对各院校职业教育的特点,选用适合的虚拟现实系统应用于教学将有效提高教学质量。目前,比较常见的应用于教育领域的系统多为桌面虚拟现实系统,针对不同的专业领域相关的虚拟现实系统也逐渐走出实验室。国外已经研制出头盔显示器、航空驾驶、外科手术、机器人远程控制等系统,国内的相关产品有分布式虚拟实际网络设计、虚拟地理环境、教育虚拟平台的应用系统等。
3.虚拟现实技术在职业教育应用中的问题
目前,虚拟现实技术被应用在军事、航空、娱乐、机器人、教育等各个领域,起到了积极的作用,但是,虚拟现实技术由于对客观世界物质属性描述的局限,以及技术的障碍,使得其应用中也存在一些问题。比如,学生的自主性太大,容易偏离教学目标;单一的虚拟现实系统对情感目标和动作技能目标的教学效果不够理想;学生自控能力受个人年龄及学习风格的影响等。虚拟现实技术有利有弊,它只是教学活动的辅助手段,不可能也无法代替教育领域内的人的全部活动,在教学中教师要恰当、灵活地使用虚拟现实系统,积极引导学生,不能忽视对学生进行道德情感及身心健康等方面的教育,注意培养学生与人共事的团结协作精神。
参考文献:
[1]郭娟.虚拟现实技术对高等职业教育实践教学的促进作用[J].河北科技示范大学学报,2008(22).
[2]姜大源.职业教育学研究新论[M].北京:教育科学出版社,2007.
[3]胡小强.虚拟现实技术基础及应用[M].北京:高等教育出版社,2009.
[4]洪炳镕.虚拟现实及其应用[M].北京:国防科技大学出版社,2005.
[5]李红梅.虚拟现实技术在高职院校教学中的应用[J].科技创新导报,2009(20):247.
[6]王新刚.关于虚拟实践教学环境构建的探讨[J].教育与职业,2007(2):160-162.
(编辑:金冉)
关键词:高职教育;教学改革;虚拟现实
中图分类号:G712文献标识码:B文章编号:1673-8454(2010)13-0085-03
一、引言
目前,我国高职教育改革积极借鉴德国职教经验,提倡“基于工作过程”的“一体化教学”,教育教学改革取得了一系列的成绩。然而,改革实践中,出现了这样一些问题:过于强调和依靠企业对学生技能的培养,忽视学校对学生职业素养及人才可持续发展的作用。笔者认为片面或过分依赖于“顶岗实习”,而忽略学校对学生的能力培养,很难达到高职教育培养高技能人才的目的,应在各个教学环节有效融入高职教育“基于工作过程”的教学理念。
本文主要分析了在校内教学过程中如何利用虚拟现实技术辅助进行“基于工作过程”的“教学做一体化”教学,从而提高教学质量,其思路可供高职教育工作者参考。
二、虚拟现实技术
虚拟现实技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。它利用计算机生成一种模拟环境,通过多种传感设备使用户投入到该环境中,实现用户与环境直接进行自然交互。由于虚拟现实技术具有良好的可控性、无破坏性、安全性,不受气象、空间和场地限制,可以多次重复,系统费用低,因此,一直受到人们的广泛关注。
根据用户参与虚拟现实的不同形式和沉浸程度的不同,以及国内外学者对虚拟现实领域的研究成果,我们把虚拟现实技术划分为四种类型:
(1)桌面虚拟现实(Desktop Virtual Reality,DVR)
该类型主要是在PC机上进行图形图像仿真,依靠计算机的屏幕提供给用户一个虚拟的平台,运用虚拟现实的输入设备实现与虚拟世界场景之间的交互。该类技术主要包括基于静态图像的虚拟现实QuickTime VR、虚拟现实标识语言、桌面三维虚拟现实、MUD等,其应用的缺点是不能提供真实的现实体验,使用者不能完全沉浸在虚拟世界中。在教育领域应用较为普遍的是虚拟现实教育平台的开发与使用。
(2)沉浸式虚拟现实(Immersive VR)
不同于桌面虚拟现象,沉浸式虚拟现实提供给使用者完全沉浸的体验,其特点是利用一些真实工具,例如,利用头盔显示器把用户的视觉、听觉封闭起来,产生虚拟视觉,同时,利用数据手套把用户的手感通道封闭起来,产生虚拟触动感。系统采用语音识别器让参与者对系统主机下达操作命令,与此同时,头、手、眼均有相应的头部跟踪器、手部跟踪器、眼睛视向跟踪器的追踪,使系统达到尽可能的实时性。虚拟现实电影院就是一个完全沉浸式的投影式虚拟现实系统。
(3)增强现实型虚拟现实(Augumented Reality VR)
该类技术是将真实环境与虚拟现实景象结合起来,减少生成复杂实验环境的开销,又便于对虚拟实验环境中的物件进行操作。其特点是不仅利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界,而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受,也就是增强那些现实中无法被感知或很难被感知的感受,具有实时人机交互功能。
(4)分布式虚拟现实(Distributed VR)
分布式虚拟现实是将多个地理上相互独立的用户实时地通过计算机网络连接在一起,共同分享一个虚拟空间,体验虚拟经历。这样的方式,实现了分布在不同地域的操作者对同一环境或系统的操作。
三、当前高职课程开发与实施环节中的问题
1.技能传授环节
高职教育教学的实施力求按照企业的真实工作环境和流程进行,学生在做中学,在学中做,然而,有些专业真实工作环境的搭建、真实工作过程的实施却由于各种原因而无法达成。常见问题有:[1]
(1)专业实训设备难以配备。设备体积较大而实训教学的场地有限,教师在讲授设备操作方法、注意事项时,只有在设备附近的少数学生能看清楚。
(2)专业实训设备结构比较复杂、单价较高,为实训教学增加设备势必大幅度增加购置经费,而且每次使用机器成本较大(包括原材料、电力、机器损耗和设备维修费用,而实验产品是不能投放市场产生经济效益的)。比如,民航飞机维修专业课程的真实工作过程就是对飞机出现的各种故障进行维修,而现实中我们很难去制造特有的故障供学生练习、维修,或者对于某些机型的特殊零件也会由于费用等问题而不能提供给大家学习。
(3)实验设备更新速度相对滞后于技术更新的速度。如果按照现在的技术更新速度同步进行实验设备的更新,投入将是非常巨大的,由此造成的浪费也是非常严重的。
(4)由于实验故障等原因导致的设备损耗较为严重。对实验过程指导不力或实验过程中的失误,易导致设备非正常损耗。
(5)没有实践经历的学生在真实实验或生产车间进行操作存在一定的危险性。因而在现实教学中,一般采用教师演示或组织学生看录像的方式,但学生很难获得感性认识,实验效果大打折扣。
(6)教师只能对机械外表进行讲授,而学生对机器的运作原理及内部运作无法了解,当机器运转时内部结构无法讲授(机器运转时不能拆开机壳)。
(7)在财经、管理等文科专业教学中存在单纯依靠语言讲授,实践不足的现象;旅游等专业学生的实践教学要专程到旅游景点进行,费用太高。因此,对于某些专业来讲,做到按真实工作过程进行教学会比较困难。
2.陈述性知识“够用”原则的处理环节
高职课程的开发,应以任务为驱动,在教学过程中,边“做”边进行知识的补充,强调知识的“够用”原则,避免理论知识与实践技能的平行。然而实际教学中,对于某些知识口头表述很难真实反映它的涵义,它的特点是不能通过语言、文字或符号进行逻辑说明,难以对其进行批判性反思。例如,飞机驾驶员飞行时需要掌握的身体协调方式等,学生对这种知识的理解比较隐蔽模糊,这种知识也被称作是“缄默知识”,主要通过实践或模拟仿真来获得。因此,以何种方式为学生呈现教学中的某些陈述性知识,使其更便于掌握与运用,就成为教学效果是否优良的一个非常关键的问题。
3.对学生职业素养培养的环节
高等职业教育的定位是:培养面向生产、建设、服务和管理第一线需要的高技能人才,强调以就业为导向,在获取职业技能和知识的同时,加强素质教育,强化职业道德,实现“职业人”加“社会人”的双重培养目标。对于素质教育的养成,体现在学生具有较强的人文素养、宽广的知识、学习能力、信息获取能力、解决问题的能力,以及职业生涯规划能力等方面。目前基于工作过程的教学过程中,加强了素质教育引导和职业道德培养,然而,对于课程中开放创新性学习任务的完成,学生如何快速有效获取知识,提高分析、解决问题能力和学习能力等,成为亟需解决的问题。
四、虚拟现实技术在“教学做一体化”高职教学中的应用模型及技术分析
1.技术应用模型
根据以上分析,我们提出如图所示的虚拟技术应用模型,该模型图提供了在当前高职教育改革背景下,虚拟现实技术的应用方式及方法,用以一定程度上解决上述在实际教学中可能出现的问题。构建的虚拟教育环境主要包括:
(1)虚拟教师:智能Agent可作为虚拟教师出现在学习环境中,可以完成学习“导航”和“解答”问题的任务,指导和帮助学生获取所需要的学习资源,防止出现“信息过载”和“资源迷向”,并根据网络教学资源回答学生提出的问题。虚拟教师的出现有利于增加教学的趣味性和人性化色彩,从而改善教学效果。
(2)虚拟实验:采用VR技术提供实验的虚拟环境,学生在虚拟实验室内可以完成全部实验步骤,从而获取技能与知识,良好的虚拟实验系统可以向实验者提供观察实验过程的视频窗口、图文并茂的实验设备知识、丰富多彩的实验相关资料、操作灵活的实验交互过程,无需教师在场,学生就可以通过自己的努力完成实验,并充分利用实验系统的导航、自测与自评的助学功能,达到实验要求。
(3)为学生提供良好的网络环境和电子图书馆,用以自主、便捷地获取信息,开拓视野,了解技术动态。
(4)学生可以利用网络上已建立的虚拟社区进行技术讨论、学习。
(5)教师可以为学生提供多媒体工作站,使学生通过多媒体学习课程并记录笔记。
(6)通过基于智能辅导系统(ITS)构筑的虚拟环境,向学生提供一种有效的学习手段,非常适合于高职教育中以学生为中心的学习模式。
2.应用模型特点及虚拟现实系统的选用
该技术应用模型具有三个特点:第一,通过创设模拟情景,实现形象化教学,解决实际教学难以提供真实工作环境的问题;第二,将必要陈述性知识进行有效传递;第三,培养学生的创新、自学能力,实现人才可持续发展。
针对各院校职业教育的特点,选用适合的虚拟现实系统应用于教学将有效提高教学质量。目前,比较常见的应用于教育领域的系统多为桌面虚拟现实系统,针对不同的专业领域相关的虚拟现实系统也逐渐走出实验室。国外已经研制出头盔显示器、航空驾驶、外科手术、机器人远程控制等系统,国内的相关产品有分布式虚拟实际网络设计、虚拟地理环境、教育虚拟平台的应用系统等。
3.虚拟现实技术在职业教育应用中的问题
目前,虚拟现实技术被应用在军事、航空、娱乐、机器人、教育等各个领域,起到了积极的作用,但是,虚拟现实技术由于对客观世界物质属性描述的局限,以及技术的障碍,使得其应用中也存在一些问题。比如,学生的自主性太大,容易偏离教学目标;单一的虚拟现实系统对情感目标和动作技能目标的教学效果不够理想;学生自控能力受个人年龄及学习风格的影响等。虚拟现实技术有利有弊,它只是教学活动的辅助手段,不可能也无法代替教育领域内的人的全部活动,在教学中教师要恰当、灵活地使用虚拟现实系统,积极引导学生,不能忽视对学生进行道德情感及身心健康等方面的教育,注意培养学生与人共事的团结协作精神。
参考文献:
[1]郭娟.虚拟现实技术对高等职业教育实践教学的促进作用[J].河北科技示范大学学报,2008(22).
[2]姜大源.职业教育学研究新论[M].北京:教育科学出版社,2007.
[3]胡小强.虚拟现实技术基础及应用[M].北京:高等教育出版社,2009.
[4]洪炳镕.虚拟现实及其应用[M].北京:国防科技大学出版社,2005.
[5]李红梅.虚拟现实技术在高职院校教学中的应用[J].科技创新导报,2009(20):247.
[6]王新刚.关于虚拟实践教学环境构建的探讨[J].教育与职业,2007(2):160-162.
(编辑:金冉)