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摘要：本文阐述了作者所在学校的健康制造虚拟仿真实训中心利用虚拟现实技术、云计算技术、网络技术等多元化信息技术，构建了虚实结合的实训教学环境，通过自主开发和技术引进相结合建设了丰富的虚拟仿真实训教学资源，深入探索了“以培养食品药品类职业技能人才为目标，支持实训教学、创新实践教学和探索教育规律为主线”的VR技术应用模式，为食品药品类学校实训教学和企业职业技能培训提供了良好支持，促进了学习者职业能力和职业素养的发展。
关键词：虚拟仿真实训；健康制造；实践改革；虚拟现实技术
中图分类号：G712 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2019）05-0110-03
随着“中国制造2025战略”“健康中国2030规划纲要”的实施和国家供给侧结构性改革的推进，健康制造类专业实训迫切需要变革，以培养符合健康制造产业需要的专业技能型及跨学科创新型人才。为解决传统条件下因受到设备、实训空间、实践周期、建设与维护经费、人员等因素限制，学生难以在真实的工作情境下学习和实践的问题，我们利用虚拟现实技术创新应用推进健康类专业的实践教学改革，以培养学生的职业技能和创新意识。
实训教学中存在的问题
健康制造类专业实训要求学生能够掌握专业相关的理论知识和技能，并能在未来工作实践中灵活运用和创新。目前，大部分职业院校按照“教室集中讲授理论 校内实训基地集中操作 校外集中实习”的顺序依次开展教学，这种教学方式存在着几方面的困难：一是由于教学周期跨度长，容易导致理论知识和实践技能之间的衔接出现困难；二是由于部分设备结构复杂、生产过程密封操作、生产运行成本高、生产周期长、部分操作存在安全风险等原因，导致学生即使在生产现场也可能“看不见”“摸不到”，更“动不了”，难以进入深度学习状态；三是无法“做中测”一直是技能考核的一大难题。作为教育领域的技术风向标，美国NMC《地平线报告》曾多次将虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）列入解决深度学习矛盾的关键技术。虚拟仿真实训教学是对传统物理环境中实训教学的必要补充，对于改进实训教学模式、体系、方法手段等具有积极促进作用。
中心构建
1.总体设计思路
建立包含学校管理者、研发人员、学科教师、企业专家、学生等不同领域的跨界团队，将“以学生为中心、虚实融合、协同创新”作为建设理念，在经验学习、混合学习、游戏学习、交互学习、创客教育等理论指导下，围绕GMP生产质量管理规范，通过自主开发和技术引进相结合，利用VR技术，针对真实工厂环境、建筑、设备、机器、原料、产品、生产线等基础设施进行3D仿真模拟，构建具有仿真模拟、交互的虚拟工厂和车间，供学生开展基于真实工作过程的仿真模拟学习，同时建设桌面式VR实训机房和沉浸式VR实训室，并通过云计算技术、网络技术等多元信息化技术将虚拟实训环境和真实的实训环境连接在一起，构建虚实融合的实训环境，为学校实训教学、企业职业培训提供服务，从而改进教学，提升学生职业能力和职业素养。
2.主要建设内容
在调研了健康制造类企业人才需求、岗位需求、职业资格需求基础上，我们根据学校相关专业的人才培养目标，依托虚拟仿真实训中心和虚拟仿真研发工作室，建设虚拟仿真实训教学环境和资源，推动实践教学改革创新，具体建设内容如右图所示。
（1）构建虚拟仿真实训教学环境
为了优化实训教学硬件环境，建成了13个桌面式VR实训机房、2个沉浸式VR实训教学体验区，为开展虚拟仿真实训教学提供教学场地和设备，并统一管理；为了整合各类虚拟仿真实训教学资源并实现分布式管理，建设了云计算平台和VR教学资源管理平台。此外，为了培养和发展团队VR实训资源的自主开发能力，构建了虚拟仿真研發工作室，为学校VR实训教学资源的自主开发、技术引进、指导学生开展基于STEAM的VR开发项目、为企业提供VR技术服务等提供了支持。
（2）建设虚拟仿真实训教学资源
采用自主开发和技术引进相结合的方式开展虚拟仿真实训教学资源的建设。在自主开发方面，将真实条件下难以供学生深度观察和参与操作的健康制造类工作任务分解为岗位任务。利用3DMax技术对工厂建筑、车间布局、机器、设备、生产线等进行仿真建模，利用Unity 3D和Quest 3D等技术将这些3D模型转换为具有高度交互性的学习情境，具备虚拟漫游、360度全景查看、虚拟仿真岗位操作、虚拟技能考核等学习功能，促进了学生直观深度地观察、体验、反复操作和完成过程性评价，从而无缝衔接真实情境下的工作任务。
（3）推动实践教学改革创新
我们采用基于设计的研究，完成需求分析、方案设计、VR环境建设、资源开发、应用推广等过程，探索VR技术应用模式：一是基于混合学习理念，混合多元化信息技术、多种教学方式和学习方式，在实训教学中将“虚拟工厂”等虚拟仿真教学资源作为教师教学演示工具和学习者认知工具，支持教学演示、探究学习和过程性评价，实现了“讲授 真实实训”的传统教学模式向“在线自主学习 虚拟实训 面授教学 真实实训”的混合教学模式的转变；二是以3D建模技术和VR交互技术作为教学内容，开设VR技术相关课程，并通过开展虚拟仿真实践项目培养学生的开发能力、自主学习能力和创新能力；三是将VR技术作为切入点，开展教育应用，探索VR环境下的教与学规律。
实践创新案例
随着现代工业的迅速发展，作为传统行业的中药饮片、中成药产业也由过去小规模手工生产快速向工业化过渡。目前，中药制药类专业主要通过物理工厂（或车间）的方式开展实训教学，存在一定的局限性。例如，提取分离岗位实训要求掌握超临界萃取、多功能提取、膜分离等岗位的标准操作规程，需要学生理解和掌握相关设备的内部结构、工作原理及工艺流程，传统实训条件下学生只能通过照片、视频和持续2.5天的15～20人一组的现场实训完成教学内容，无法直接观察设备的内部结构和体验完整的工艺流程。特别是超临界萃取装置设备结构和工艺流程复杂，具有一定危险性，且真实设备摆放布局反映不出实际的工艺流程，学生难以直观理解。因此，我们利用3DMax建模技术和Quest 3D交互技术将超临界萃取设备按照实际的工艺流程重新建模布局，学生通过虚拟操作即可快速理解设备原理和工艺流程，每位学生都可以深度体验和参与岗位实训，且能够反复训练，不用担心因操作带来的风险和成本，解决了过去超临界萃取实训教学中存在的难以观察设备内部结构和反应，难以深入理解工艺流程以及难以反复训练操作等问题。
结语
历经八年多的持续建设与实践，我们取得了一定的成绩，支持了多个专业和多门课程的实践教学改革。未来，我们还将在有效利用虚拟仿真实验促进教育教学改革的道路上继续探索。
参考文献：
[1]赵一鸣，郝建江，王海燕，等.虚拟现实技术教育应用研究演进的可视化分析[J].电化教育研究，2016，37（12）：26-33.
[2]项朝阳，段丹萍.提取浓缩虚拟车间的设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2014（5）：195-201.
[3]项朝阳，段丹萍，贺昉，等.沉浸理论在桌面式虚拟工厂设计中的应用研究[J].中国职业技术教育，2016（14）：92-96.
[4]项朝阳，段丹萍，贺昉，等.VR技术在食品药品类高职实践教学中的创新应用[J].中国教育信息化，2018（18）：32-34.
[5]段丹萍，项朝阳.基于VR实训系统的学习行为意向影响因素研究[J].中国教育信息化，2017（19）：29-33.
[6]刘骥翔，张婷，魏杰，等.化工产品全生命周期虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验室研究与探索，2018，37（04）：158-161.
[7]魏民.在职业教育应用视角下的VR/AR技术[J].中国电化教育，2017（3）：10-15.
作者简介：段丹萍，女，讲师/工程师，研究方向为数字化学习环境/资源的建设与应用、计算机软件技术与应用。项朝阳，男，副教授/高级工程师，主要从事虚拟现实软件开发与应用。
基金项目：全国教育信息技术研究2017年度专项课题“具身认知视域下VR实训教学模式研究”（项目编号：176130054）和2016年度广东食品药品职业学院科研项目（人文社科类）“大专学生虚拟仿真学习沉浸体验与行为研究”（项目编号：301009A1627）。
关键词：虚拟仿真实训；健康制造；实践改革；虚拟现实技术
中图分类号：G712 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2019）05-0110-03
随着“中国制造2025战略”“健康中国2030规划纲要”的实施和国家供给侧结构性改革的推进，健康制造类专业实训迫切需要变革，以培养符合健康制造产业需要的专业技能型及跨学科创新型人才。为解决传统条件下因受到设备、实训空间、实践周期、建设与维护经费、人员等因素限制，学生难以在真实的工作情境下学习和实践的问题，我们利用虚拟现实技术创新应用推进健康类专业的实践教学改革，以培养学生的职业技能和创新意识。
实训教学中存在的问题
健康制造类专业实训要求学生能够掌握专业相关的理论知识和技能，并能在未来工作实践中灵活运用和创新。目前，大部分职业院校按照“教室集中讲授理论 校内实训基地集中操作 校外集中实习”的顺序依次开展教学，这种教学方式存在着几方面的困难：一是由于教学周期跨度长，容易导致理论知识和实践技能之间的衔接出现困难；二是由于部分设备结构复杂、生产过程密封操作、生产运行成本高、生产周期长、部分操作存在安全风险等原因，导致学生即使在生产现场也可能“看不见”“摸不到”，更“动不了”，难以进入深度学习状态；三是无法“做中测”一直是技能考核的一大难题。作为教育领域的技术风向标，美国NMC《地平线报告》曾多次将虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）列入解决深度学习矛盾的关键技术。虚拟仿真实训教学是对传统物理环境中实训教学的必要补充，对于改进实训教学模式、体系、方法手段等具有积极促进作用。
中心构建
1.总体设计思路
建立包含学校管理者、研发人员、学科教师、企业专家、学生等不同领域的跨界团队，将“以学生为中心、虚实融合、协同创新”作为建设理念，在经验学习、混合学习、游戏学习、交互学习、创客教育等理论指导下，围绕GMP生产质量管理规范，通过自主开发和技术引进相结合，利用VR技术，针对真实工厂环境、建筑、设备、机器、原料、产品、生产线等基础设施进行3D仿真模拟，构建具有仿真模拟、交互的虚拟工厂和车间，供学生开展基于真实工作过程的仿真模拟学习，同时建设桌面式VR实训机房和沉浸式VR实训室，并通过云计算技术、网络技术等多元信息化技术将虚拟实训环境和真实的实训环境连接在一起，构建虚实融合的实训环境，为学校实训教学、企业职业培训提供服务，从而改进教学，提升学生职业能力和职业素养。
2.主要建设内容
在调研了健康制造类企业人才需求、岗位需求、职业资格需求基础上，我们根据学校相关专业的人才培养目标，依托虚拟仿真实训中心和虚拟仿真研发工作室，建设虚拟仿真实训教学环境和资源，推动实践教学改革创新，具体建设内容如右图所示。
（1）构建虚拟仿真实训教学环境
为了优化实训教学硬件环境，建成了13个桌面式VR实训机房、2个沉浸式VR实训教学体验区，为开展虚拟仿真实训教学提供教学场地和设备，并统一管理；为了整合各类虚拟仿真实训教学资源并实现分布式管理，建设了云计算平台和VR教学资源管理平台。此外，为了培养和发展团队VR实训资源的自主开发能力，构建了虚拟仿真研發工作室，为学校VR实训教学资源的自主开发、技术引进、指导学生开展基于STEAM的VR开发项目、为企业提供VR技术服务等提供了支持。
（2）建设虚拟仿真实训教学资源
采用自主开发和技术引进相结合的方式开展虚拟仿真实训教学资源的建设。在自主开发方面，将真实条件下难以供学生深度观察和参与操作的健康制造类工作任务分解为岗位任务。利用3DMax技术对工厂建筑、车间布局、机器、设备、生产线等进行仿真建模，利用Unity 3D和Quest 3D等技术将这些3D模型转换为具有高度交互性的学习情境，具备虚拟漫游、360度全景查看、虚拟仿真岗位操作、虚拟技能考核等学习功能，促进了学生直观深度地观察、体验、反复操作和完成过程性评价，从而无缝衔接真实情境下的工作任务。
（3）推动实践教学改革创新
我们采用基于设计的研究，完成需求分析、方案设计、VR环境建设、资源开发、应用推广等过程，探索VR技术应用模式：一是基于混合学习理念，混合多元化信息技术、多种教学方式和学习方式，在实训教学中将“虚拟工厂”等虚拟仿真教学资源作为教师教学演示工具和学习者认知工具，支持教学演示、探究学习和过程性评价，实现了“讲授 真实实训”的传统教学模式向“在线自主学习 虚拟实训 面授教学 真实实训”的混合教学模式的转变；二是以3D建模技术和VR交互技术作为教学内容，开设VR技术相关课程，并通过开展虚拟仿真实践项目培养学生的开发能力、自主学习能力和创新能力；三是将VR技术作为切入点，开展教育应用，探索VR环境下的教与学规律。
实践创新案例
随着现代工业的迅速发展，作为传统行业的中药饮片、中成药产业也由过去小规模手工生产快速向工业化过渡。目前，中药制药类专业主要通过物理工厂（或车间）的方式开展实训教学，存在一定的局限性。例如，提取分离岗位实训要求掌握超临界萃取、多功能提取、膜分离等岗位的标准操作规程，需要学生理解和掌握相关设备的内部结构、工作原理及工艺流程，传统实训条件下学生只能通过照片、视频和持续2.5天的15～20人一组的现场实训完成教学内容，无法直接观察设备的内部结构和体验完整的工艺流程。特别是超临界萃取装置设备结构和工艺流程复杂，具有一定危险性，且真实设备摆放布局反映不出实际的工艺流程，学生难以直观理解。因此，我们利用3DMax建模技术和Quest 3D交互技术将超临界萃取设备按照实际的工艺流程重新建模布局，学生通过虚拟操作即可快速理解设备原理和工艺流程，每位学生都可以深度体验和参与岗位实训，且能够反复训练，不用担心因操作带来的风险和成本，解决了过去超临界萃取实训教学中存在的难以观察设备内部结构和反应，难以深入理解工艺流程以及难以反复训练操作等问题。
结语
历经八年多的持续建设与实践，我们取得了一定的成绩，支持了多个专业和多门课程的实践教学改革。未来，我们还将在有效利用虚拟仿真实验促进教育教学改革的道路上继续探索。
参考文献：
[1]赵一鸣，郝建江，王海燕，等.虚拟现实技术教育应用研究演进的可视化分析[J].电化教育研究，2016，37（12）：26-33.
[2]项朝阳，段丹萍.提取浓缩虚拟车间的设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2014（5）：195-201.
[3]项朝阳，段丹萍，贺昉，等.沉浸理论在桌面式虚拟工厂设计中的应用研究[J].中国职业技术教育，2016（14）：92-96.
[4]项朝阳，段丹萍，贺昉，等.VR技术在食品药品类高职实践教学中的创新应用[J].中国教育信息化，2018（18）：32-34.
[5]段丹萍，项朝阳.基于VR实训系统的学习行为意向影响因素研究[J].中国教育信息化，2017（19）：29-33.
[6]刘骥翔，张婷，魏杰，等.化工产品全生命周期虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验室研究与探索，2018，37（04）：158-161.
[7]魏民.在职业教育应用视角下的VR/AR技术[J].中国电化教育，2017（3）：10-15.
作者简介：段丹萍，女，讲师/工程师，研究方向为数字化学习环境/资源的建设与应用、计算机软件技术与应用。项朝阳，男，副教授/高级工程师，主要从事虚拟现实软件开发与应用。
基金项目：全国教育信息技术研究2017年度专项课题“具身认知视域下VR实训教学模式研究”（项目编号：176130054）和2016年度广东食品药品职业学院科研项目（人文社科类）“大专学生虚拟仿真学习沉浸体验与行为研究”（项目编号：301009A1627）。