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新工科VR虚拟现实实训室建设方案

发布时间:2022-10-25

编辑人:灵图互动

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实训教学是培养学生设计能力、知识应用能力、实践动手能力以及创新创业精神等的有效途径。但,当前由于实验设备成本过高、场地受限、师资不足等因素,大多数院校的课程教学还停留在以理论授课为主的传统实训上,没有深入上手操作,导致学生对实际操作流程和工艺仅停留在理论层面,无法更深入的体验和掌握学科相关知识和技能,更无法检验学习成果。所以为了顺应新一轮科技浪潮和产业变革升级中对多样化、创新型卓越工程科技人才的需求,高校迫切需要加快工程教育的改革创新,推进信息技术和教育教学深度融合,充分利用虚拟现实等技术创新工程实践教学方式,为培养新工科人才搭建创新创业实践平台。可有效解决目前高校虚拟现实实训室建设中尚存在多学科交融性弱、与产业需求脱节和创新自由度不足等问题。

VR虚拟现实技术与多领域、多学科融合创新为思路,构建新工科VR虚拟现实实训室建设方案,形成多领域、多层次、多模块、开放型的创新实践训练模式,让学生通过虚拟实践,对创新活动由最初的观摩、体验、学习,发展到模仿、应用、制作,最后提升到完全自主探索和主动实践,创新精神与创新能力得到逐步培养,并对促进多学科交融和科研创新具有积极的作用。

VR虚拟现实仿真实验室包含“VR数字媒体协同创新教学平台”、“智能制造VR虚拟现实仿真实验平台”两大平台以及“VR+课程”、“VR+教育”、“VR+创造”三大模块。

VR虚拟现实仿真实验室

1. VR虚拟现实实训室两大平台

1.1 “VR数字媒体协同创新教学平台”

VR虚拟现实仿真实验室的“VR数字媒体协同创新教学平台”包括VR协同设计软件平台、VR数字媒体资源管理系统、VR多通道协同处理工作站、VR多平台实训系统和大空间定位VR显示终端等设备,实现多用户在同一VR环境下进行体验与操控,实现协同工作与创新。

1.2 “智能制造VR虚拟现实仿真实验平台”

VR虚拟现实仿真实验室的“智能制造VR虚拟现实仿真实验平台”包括实时互动开发套装、交互数据实时采集器、VR交互开发显示一体工作站和AR/VR交互展示终端等设备,可进行交互式的虚拟设计,快速实现创新设计理念。

“智能制造VR虚拟现实仿真实验平台”

2. VR虚拟现实实训室三大模块

2.1 VR+课程模块

VR+课程模块是VR虚拟现实技术与不同学科专业交叉融合,面向理、工、人文社科、经管等学科的实验/实训/实习,构建不同类型和不同层次的虚拟实践课程,VR+课程适应于多学科教学,使学生多接触综合性实践场景。同时,VR+课程体系采用开放性的模块化结构,便于根据需要对课程进行灵活的增/删/减和重组。

VR+课程模块主要包括专业基础、专业与技能和工程创新等3个类型的课程。

(1)专业基础型(验证型、测试型、纠错型等实验),旨在培养学生的创新思维和学习能力。

方法:通过VR虚拟现实实训室,让企业最新的技术和仪器设备应用于课堂,使原有的实验项目由一变多,使实验内容由旧变新,保持实验教学的先进性、可变性和多样性。

(2)专业与技能型(专业实操、实训、实习等),旨在培养学生的实践能力和工程能力。

方法:利用VR虚拟现实技术构建工厂、企业的实景仿真,还原复杂工作环境,建立实景仿真训练环境,使实践任务对应企业岗位要求,实践过程匹配企业运作流程,实践内容对接实际工程应用。学生通过角色扮演、场景体验理解专业知识,掌握专业技能。

VR虚拟现实实训室VR+课程模块

(3)工程创新型(设计型、综合型、提高型实验),旨在培养学生的科研能力与创新能力。

方法:将企业的工程实际问题分解、嵌套在不同的虚拟现实实训室中,将独立的实验以项目形式串接,开展多人协同创新实验。例如驱动控制VR实验中的控制系统与机器人创意设计实验,学生要将学过的传感器及信号、接口设计、PLC控制、单片机等多门知识、技能结合起来并灵活运用,才能完成机器人的创意设计。

2.2 VR+教育模块

VR+教育模块以教育作为VR应用对象,将VR虚拟现实技术与其他学科专业交叉融合,进行教育方面的创新应用与创新制作,包括VR在教育中的应用集成与VR在教育中的创新应用。

应用集成是指构建一个可支持教育的VR服务支撑平台,包含面向教育的建模框架库、仿真知识库、可视化模板库(简称三库)。

建模框架库用于提高建模过程效率;

仿真知识库使VR系统及其对象能够真实映射现实系统内容;

可视化模板库从展示表达的角度提高可视化效率,包括仿真运行过程动态展现和仿真结果可视化表达。

内容创新是鼓励、推动全校师生利用VR服务支撑平台的优质资源,开展VR在教育方面的创新应用与制作,将VR基本技术结合不同学科、专业制作和开发教学案例和课件,通过复合、多维的资源充实VR平台中的三库,拓展VR的应用。师生经过VR+课程的实践体验以及观摩学习VR平台上大量“别出心裁”的VR应用案例、教育课件,容易激发创新灵感、乐于模仿,将身边的学习资源或教学需求与VR技术进行融合创新。例如数学课,用虚拟场景+人机交互创设情景学习,让原本抽象的理论、深奥的数学公式变得可触可碰,创新传统教育的内容呈现方式。

VR虚拟现实实训室VR+教育模块

2.3 VR+创造模块

VR+创造模块是鼓励学生挖掘创新思维潜力、主动进行求新求异的探索,利用VR虚拟现实技术进行创新制造,将灵感、发明、创意转化为产品。该模块包括创新创意构思、虚拟仿真交互设计、虚实转化3D打印和虚拟运作4个阶段,其中虚拟仿真交互设计阶段包含“建模—VVA—仿真—优化—展示”等过程。按照CDIO工程教育训练模式,以虚实结合的方式构建“构思—设计—实施—运作”的创新实践环境,使学生经历由最初的创新创意灵感到虚拟仿真交互设计,再到创新作品(实物)呈现,最后到虚拟商业运作的过程,体验产品生命周期各个环节的创新创造。

VR虚拟现实实训室VR+创造模块

新工科VR虚拟现实实训室建设方案强调“产学研用”相结合,将以往机械式完成教学方式变为研究、探索、合作这种更加贴近工作实际的一种模式。让教学方式变的更加灵活,学生可在教师的指导下对自己感兴趣且可行的专业课程进行动态化的验证。通过将相关专业课程的基本理论和技能,逐步形成一个完整的知识链条,再通过实训教学转化为自身职业能力,培养了学生的独立分析能力,同时对相关背景知识作必要的补充,促进学生综合素质的提高。是基础研究和高新技术领域原始性创新、高层次人才培养的重要基地之一。

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