罗陆锋 孙 爽 李国琴 杨 慧

天津职业技术师范大学机械工程学院 天津 300222

虚拟现实技术在技能实训教学考评中的应用研究

罗陆锋 孙 爽 李国琴 杨 慧

天津职业技术师范大学机械工程学院 天津 300222

由于传统的技能实训类课程教学受设备成本、维护保养等条件的制约，使得课程考核与评价环节投入大而效果不佳。本研究将虚拟现实技术与技能实训教学的考评相结合，将三维虚拟环境下的人机交互技术运用于技能实训课程的操作考评，提出了基于虚拟现实的实训类课程考评系统设计方法。从考核内容及评价方法、三维虚拟考评情境、考评规则库以及评价结论等四方面阐述了考评系统的设计。以模具拆卸实训为例，介绍了三维可视化模具结构拆装考评系统的开发流程，为技能实训教学考评提供一种新的模式。

虚拟现实；技能实训；教学考评

近年来，随着虚拟现实技术的不断发展，该技术已开始大量运用于教学当中[1-7]。在工程类的许多课程当中，三维虚拟仿真的教学案例尤为多见。这些案例能直观对课程教学内容进行全方位演示，从视觉传达、人机交互等方面弥补了传统教学视频的不足。但它们大多数是针对课程中的某个单一知识点而设计，而将虚拟现实技术运用全课程教学考评的案例较少。因此，结合技能实训教学的特点，本文提出一种基于虚拟现实技术的技能实训教学考评方法，旨在为技能实训教学提供一种新的考核和评价模式。

1 虚拟教学考评系统的优势

虚拟现实也称为虚拟实境或灵境，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统[8]。基于虚拟现实的技能实训教学考评方法是指借助三维虚拟仿真技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代实操考评的虚实结合操作环境，测试人员像在真实环境中一样操作设备，取得效果等价于甚至优于在真实环境中所取得效果。该类考评系统包括虚拟设备、虚拟操作工具、交互设备等。考评过程是对实际操作技能的虚拟再现。虚拟操作过程与结果可以被处理、存储，操作过程可以不断重复进行。系统注重虚拟操作过程性、情境性、交互性和考核结果客观性。系统具备的优势包括[9]：一是打破了传统考评方法对场地和时间的限制；二是减少考评器械的损耗，无须担心损坏实

验器械；三是在一些高危性的技能考评中运用虚拟现实技术可以避免因操作失误而带来的人身事故。

2 虚拟技能实训教学考评系统设计

在设计基于虚拟现实技术的技能实训教学考评系统时，先由命题专家根据相关实训课程或技能工种确定考核内容，并提出考核评价方法，设定考评等级。然后根据各考评知识点构建合适的考评情境，该部分包括构建具有逼真感的三维可视化模型，设计良好的人机交互界面环境和构建操作过程信息的实时显示与存储方法。根据考核内容和评价方法设置考核知识点，分配各知识点的权重，并设计操作过程中的得分、扣分规则，设置考试时限。通过虚拟现实开发平台结合高级编程语言将三维虚拟考评环境与考试规则进行融合开发，构建考评规则库及三维虚拟模型交互之间的映射关系。最后根据虚拟操作的规范性、正确性、所用时间及误操作次数等交互信息综合得出考评等级。系统设计流程如图1所示。

图1 系统设计流程

2.1 考核内容及评价方法

考核内容是指针对某一门实训课程或某个职业岗位特定的技能而设置的知识与技能观测点。这些观测点由出题专家根据考核和评价目标设定，内容需体现全面性、典型性、层次性。在工程实训类课程中，通常考核学生使用某种特定设备的能力和使用与该设备相关的其他基础知识。拟定考核内容是进行考评系统开发的第一步，在选定考评内容的观测点后再进行后续软件开发。

考核评价方法主要有量化评价和质性评价。质性评价是对量化评价的反思与总结提炼，受当前人工智能水平的限制，在软件设计中难以实现质性评价。因此，在对技能课程的考评中，通常以量化评价为主。所以在考核学生对某种设备的基本操作技能时一般选择量化考核。通过对各考核观测点设置三维虚拟可交互的操作题目，并对各题目赋予权重。将各观测点的操作进行记录并存入数据库中，最后根据考评规则结合数据库中的操作记录进行综合量化评价，最终得出考评结论。

西周中后期，政局动荡不安，社会矛盾激化，统治者的治国理念也发生了变化。周穆王命令大臣吕侯作《吕刑》，规定了墨（刺字）、劓（割鼻）、剕（断足）、宫（去势）、大辟（处死）五种刑罚以及三千款处罚条文。如果犯罪事实不清、证据不足，允许嫌犯缴纳罚金赎免。吕侯还提出了“世轻世重”的理论，即刑罚轻重要根据社会情况的变化加以调整。“刑新国用轻典，刑平国用中典，刑乱国用重典”。[3]在政权建立之初、国家安定下来和社会秩序混乱等三个不同时期要采用轻重不同的刑罚，统治者可以灵活地、有意识地加以调整。“世轻世重”是对“明德慎罚”思想的重要补充。

2.2 构建考评情境

根据考核内容构建与之对应的逼真三维虚拟考试情境是开发考评系统的重要环节。考评情景主要由真实感三维虚拟环境、人机交互与虚拟行为等部分组成。

2.2.1 构建三维可视化环境

根据目前的三维建模软件种类较多，基于参数化驱动建模的软件主要有：SolidWorks，UG，CATIA，Pro/e，该类软件可构建尺寸精确的三维模型，但在纹理贴图和渲染等方面不如3Dmax软件，因此，需要根据对象选择合适的三维建模软件。例如，在机械领域的三维模型一般采用SolidWorks等软件构建，而对于一些场景类的三维模型一般采用3Dmax软件。建模是一个非常复杂的过程，涉及许多结构十分复杂的模型，因此，在建模需要综合衡量模型的精确度、显示速度、操纵效率、广泛性等。用建模软件所建立的三维模型一般需要经过模型优化、渲染与美化，达到逼真效果后再通过数据转化将其导入虚拟现实平台中进行人机交互设计[10]。目前的虚拟现实平台主要有：VRML，Java3D，Cult3D，Quest3D，Virtools，EonStudio等[11]。

2.2.2 人机交互与虚拟行为

人机交互是指人与计算机之间相互理解和交流的对话过程，在基于虚拟现实的技能考评系统中，人机交互主要体现在测试者与虚拟设备之间交互。通常一个完整的交互过程包含如下流程：首先测试者通过输入设备(数据手套、鼠标、键盘等外部设备)对虚拟设备施加一种特定的操作，虚拟设备在接到操作命令以后执行相对应的虚拟行为，输出设备将虚拟行为的可视化信息、音效等传送给测试者，同时操作信息被存入数据库，为操作评价数据支持。考评系统中虚拟行为是指真实设备完成特定功能的一些系列行为过程的虚拟仿真。在虚拟环境中的行为实质为一系列三维实时动画，其运动路径和运动方式由真实设备的实际运动移植而来，是对真实设备运动行为的一种三维虚拟再现。

2.3 编制考评规则

技能教学考评是对测试者操作过程行为的正确性和规范性以及对基本知识的掌握程度等进行全方位评估。因此，在进行评价之前，需要对各考核观测点的操作进行规则化描述。先提炼出各观测点的属性特征[12]，再将这些特征用数学规则方法进行描述，并建立与三维可视化虚拟交互操作之间关联映射。

在编制考评规则时，可借助数据库技术将定义的考评规则存储在数据库中，组建考评规则库。将各观

测点的操作方法、得分扣分规则及其他约束规则等用数学语言描述后用数据表形式存入规则库。编制这些规则时，应具备如下特征。

(1)考评规则应具有正确性和可用性。每条考评规则都应是对客观事实的一种数学化描述，同时应避免规则设置的冗余性。(2)考评规则应是由命题专家与软件工程师经过充分讨论，共同编制，确保规则在虚拟现实中的可实现性。(3)考评规则应具备知识关联性。规则是从考核内容中的各观测点提炼出来的，大多数情况下各观测点知识是具备关联性，因此，考评规则应具备知识的前后关联性。(4)考评规则应与三维环境下的虚拟操作进行一一映射，使得规则可作用于虚拟操作，从而实现对虚拟操作的评价。

2.4 考评结论

考评结论是由考评系统根据考评规则库对测试者的操作过程按照终结性评估计算方法得出的最终结果。该部分的核心是终结性评价计算方法，它直接决定评价结论。基于虚拟现实的技能教学考评计算方法依据实际课程或技能等级的评价标准，为考核内容的各观测点分配权重系数，为各观测点的误操作分配扣分系数，并结合操作所用时间等因素构建考评全过程数据计算模型。它是一个多因素决策计算模型，依据这个数学模型即可对操作过程进行终结性评价。

3 开发流程

本文以模具拆装实训考评为案例，阐述三维可视化模具结构的虚拟拆装与运动仿真系统。系统以美国EON Reality公司开发的一套模块化多用途的三维交互式仿真软件开发工具EON Studio作为虚拟现实开发平台，该平台能够让用户自定义行为及交互方式，也能够进行仿真测试及实时更改测试的参数。系统的开发流程分为以下六步。

第一步：由负责模具实训教学的教师给出拆装考评内容，并提炼出考评观测点。

第二步：对实物模具进行尺寸测量，使用Solidworks对模具各零件进行三维造型并装配。

第三步：使用3Ds max软件对三维模型进行优化、渲染及美化，再将经过渲染美化的三维模型文件通过数据转化导入到虚拟现实软件EON中。

第四步：在EON中对模具的虚拟拆装与虚拟行为进行程序开发，搭建与考评规则库之间的数据接口。

第五步：构建考试规则库，运用Visual C++编程环境建立考评规则数据库与EON三维虚拟行为之间的映射。另外，建立用户数据库，编写用户注册、登录程序。

第六步：编写终结性评价数学模型，最终将EON虚拟仿真、规则数据库、评价模型进行整合，完成软件系统的开发。开发流程如图2所示。

图2 模具拆装考评系统开发流程

4 结束语

随着虚拟现实的不断运用，基于虚拟现实的技能实训教学考评方式具有广阔的发展前景，是虚拟现实技术在教育领域中的又一个重要应用。通过虚拟现实实现对技能教学的考评，可使学员在虚拟环境中完成技能操作考试。该方式可以保证实训教学考试不受时间、空间的限制，减少对实训设备、实训工量器具的投入，使教学评价效果更理想，有效地提高了传统实训教学评价的质量。

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The Applied Research of Virtual Reality in the Evaluation System of Practical Teaching

Luo Lufeng, Sun Shuang, Li Guoqin, Yang Hui
College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin, 300222, China

Because the traditional practical training courses was restricted by some factors such as the equipment cost and maintenance etc, which makes the course assessment and evaluation in large expenditure and the effect is not good. Combined with virtual reality technology and teaching evaluation of skills training, a evaluation method of practical training curriculum based on virtual reality was put forward. Expounded the evaluation system design from four aspects, the evaluation content and evaluation methods, 3D virtual environment for examination, rule base of examination and evaluation conclusion. Finally, took "mould dismounting training" as an example, introduced the development process of evaluation system of mold structure dismantling. This paper provided a new pattern for examination and assessment of skill practice teaching.

virtual reality; practical training; teaching evaluation.

2016-06-02

罗陆锋，硕士，讲师。孙爽，本科，教授。李国琴，硕士，副教授。杨慧，硕士，教授。

天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划重点项目(编号：C03-0802)。