●葛文彬 严 鑫

引言

在当前教育教学实践中，普遍存在教师教得辛苦、学生学得费劲的现象，提高教学成效已经成为教学的首要问题。虚拟现实等信息化新技术的快速发展为当前全球教学资源共享提供了便利条件，同时也为教学形式的革新提供了机遇与挑战。教育部发布的《教育信息化十年发展规划2011—2020 年》提出深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，适应经济社会快速发展对人才培养的新要求[1]。以计算机技术为核心的虚拟现实技术生成逼真的视觉，建构一体化的数字虚拟临场环境，形成的虚拟可视化交互教学平台具有直观、全方位、多角度、互动性及开放性的特点优势，解除了学习地点、设施环境和时间限制，开放学习人数、学习地点和学习时间的要求。从经济成本角度解决专业教育中验证性实验耗材成本高、设备损耗率高、学习成效低、空间及设施不足等教学成本问题，构建数字化虚拟仿真实验环境，将晦涩难懂的知识内容以可视化方式传达，以游戏化互动模式引导学习，提高学习成效，降低教学的时效成本。在经济学快变量方面可以短时有效提高学习成效，在经济学慢变量方面可以有效实现提高人才培养质量、社会服务价值效应。

一、原油集输虚拟交互可视化教学平台设计机理

现行的专业教育教学形式总体上处于文字辅助图片的讲解式教学，学生处于一种被动的接受信息状态，教学和学习时效成低下。研究表明：视听和文字演示获取知识的效率比被动听讲和文字阅读高，主动学习获取知识的效率比被动学习知识的效率高。

设计一套基于原油集输工艺流程设备原理，从实际生产环境出发，围绕专业岗位需求，以人的认知规律为主，结合教学目标、教学内容要求，将知识点展示、视音频播放和互动性操作融于一体的数字化临场感虚拟环境，并引入游戏化模式，建构一种能够将复杂难理解的学习内容进行形象化、可视化传达，并能带给学习者直观、趣味、刺激感受的教学平台系统，解决原油集输相关专业教育教学不直观、难以理解、见壳不明理、教学生产脱节导致难学、厌学、学而不明等问题，达到学生能够高效地掌握知识与技能，有效提高他们的学习积极性与主动性，进而提高教学成效和学习时效。

二、原油集输虚拟交互可视化教学平台设计与实现

原油集输虚拟交互可视化教学平台是基于我校石油化工全产业链的实物仿真工程实践教育基地为基础开发，利用UE4 虚幻引擎和数字建模技术将原油集输工业产业链数字虚拟构建出来，创设一种虚拟可视化的临场环境，营造一种直观的、可视化、沉浸环境类游戏式的教学平台。

1.系统开发设计逻辑架构。研究表明：教学成效与学习者的被吸引程度和即时行为验证息息相关，本课题从教学层、行为层、心理层三方面展开研究，根据原油集输工艺实际生产作业构建沉浸式临场数字化虚拟环境，依据流程工艺引导贯穿相关设备教学内容，设置感应区域和高亮提示图标，增设交互操作学习按键，展示教学内容（文字解析、动态原理展示、内部结构、设备互动拆解等）；同时引入任务绩效反馈考核机制，形成以学习为主的互动式“轻游戏”模式。本教学平台系统主要是针对本科、高职院校及石化企业相关入职人员的专业学习者，利用情景化虚拟环境吸引学习者沉浸其中，将复杂的、隐蔽的、难以理解的信息直观化呈现出来，降低学习障碍。同时，利用文字语音介绍帮助快速学习理论，动态原理展示帮助理解原油集输流程中发生的物理及化学反应情况，互动设备拆解模块帮助理解设备内部结构原理及作用机制。虚拟交互可视化教学平台是一种将游戏化模式引入教学的新形式，构建数字化虚拟仿真实验环境，互动性强的学习环境，能提供实时的学习成果反馈，提供反复实践学习的机会。

2.创设情境虚拟交互可视化教学形式。本课题以我校原油集输工业生产实物仿真基地为原型，利用三维数字软件构建数字化虚拟生产情景，依据设备图纸构建设备模型，精细到设备内容结构零件；利用MAYA 动画制作软件和Realflow 流体特效软件模拟原油集输工艺生产相关设备（如电脱水器、水套加热炉、沉降罐、精馏塔等）结构及工作原理；利用UE4 虚拟引擎技术设计实现设备（如截止阀、离心泵等）互动性拆解学习形式；最终，通过UE4 虚拟引擎进行系统整合，将知识内容以游戏化形式贯穿，创设一个沉浸式、临场感的、直观可视化互动学习平台。本平台通过视觉、听觉、行为互动等多重感官的结合，直观反映原油集输工艺流程及设备每个环节不同的作用效果，有效的帮助学习者在场景中全方位的了解、学习设备构造与工艺原理，突破了不可视设备内部结构和难以理解的文字、图纸说明的瓶颈，进而提高学习成效。

三、原油集输虚拟交互可视化教学平台系统模块

传统实物仿真教学形式是将原油集输作业流程相关设备实体化，实体的模型设备仅仅只能解决表象的设备外形问题，无法具体展示原油集输相关设备的内部结构、原理以及作业过程中的原理反应工艺情况。原油集输虚拟交互可视化交互教学平台主要包括：沉浸式临场环境数字化模拟，设备结构与工艺原理可视化、交互性设备拆解展示、文字语音知识解析。

1.沉浸式临场环境数字化模拟。原油集输虚拟交互可视化教学平台系统真实还原原油集输生产作业环境，营造沉浸式临场体验，学生可以通过鼠标、键盘进行交互操作，漫游原油集输生产作业环境，直观了解原油集输生产作业全部设备，全方位了解设备相关知识信息。同时，系统设计充分考虑到教学内容要求，增设知识内容提示图标联接形成教学知识体系，设置感应区域显示学习内容（见图1）。研究表明：人在沉浸状态下记忆最为深刻，感知最为直接，信息流和体验流更容易上升为用户的心理流层面，在此情境下，学员对知识的获得感更深，学习效率更高。

图1 原油集输虚拟交互可视化教学平台临场环境

2.设备结构与工艺原理可视化。原油集输虚拟交互可视化教学平台设计时全面分析当下该课程教学困境。如教学中多以文字和二维线稿图纸讲授，不能有效形成立体视觉感知模型，难以理解；参观学习只能看到设备实体化外壳，理论学习与实际脱节，难以建立联系；学员需要长时间岗位工作过程，才直观看到设备内部结构，依然无法视觉化感知工艺反应原理；严重阻碍原油集输工艺创新优化、设备故障维修与维护，影响工作绩效，降低人才效益。平台系统集成设备结构可视化模块和工艺原理可视化模块。

设备结构可视化：平台中设置“内部结构”和“透明显示”按钮，通过点击按钮操作可以直观的、全方位查看原油集输教学要求的相关设备内部结构和零部件构造（见图2）。

图2 精馏塔内部结构展示

工艺原理可视化：平台集合了设备工艺原理动画演示模块，通过点击【原理展示】按钮操作可以直观展示设备内部结构、阐释工艺原理与物化反应情况。同时，在故障处理模块加入事故案例动画（见图3），可以让学生更直观、更切实的感受到错误操作的后果，提升学生安全意识和事故处理的能力。

图3 破乳剂加药箱内部结构、作用原理及物化反应

3.交互性设备拆解展示。操作实践是最为有效的学习方式，本平台重点设置设备交互性拆解模块，学员通过交互性互动控制设备拆装过程理解设备结构及原理，增强记忆与理解，弥补课程教学最大短板，解决知识理论与实践脱节的问题，提高教学成效。在虚拟教学平台中增设截止阀和离心泵设备交互性拆解操作训练，依据设备检维修标准化流程，利用系统设置约束设备拆解过程，避免随意性操作，违背操作规定，促进形成烙印式标准化操作记忆，学生通过键盘、鼠标控制变换视角和零部件拆解组装过程，更好地帮助学生快速理解设备构造与原理及检维修操作规程（见图4）。互动性操作可以帮助学生形成行为记忆，增强感知性记忆，提高教学成效。

图4 离心泵设备互动性

4.文字语音知识解析。平台系统集合知识内容的文字介绍和语音讲解，以此构建与课程教学内容进行同步联接，在感官学习过程中文字知识内容系统贯穿、约束、辅助，以保证学习的系统性，避免混乱，帮助学员建构学习内容知识体系，实现感官视觉主导、语音听觉刺激、文字知识贯穿主脉的多维感知一体化教学形式，建立知识理论与实践应用的密切联系，达到提高教学成效的目的。

四、虚拟交互可视化教学形式成效性分析

当今信息化时代，知识获取效率等同于经济效益。在专业教育方面有效的教学形式能够直接影响学员学习效率，进而决定教育经济成本投入与时间产出比。影响学员学习效率的因素分为主观因素和客观条件。主观因素是指学员自身思想意识、认知高度和自我约束力，属不可控因素；客观条件包括教学环境、教学方法、教学手段、实践检验等，完全可以通过有效教学形式来改变。将原油集输虚拟交互可视化教学平台引入专业教育课程教学中，针对客观条件进行教学成效测试，增强了学生的学习兴趣，显著提高教学成效。

1.视觉直观更易于提高学员认知能力。人类是一种高度依赖视觉的动物，研究表明人类获取的信息中83%是通过视觉获取的。原油集输虚拟交互可视化教学平台通过三维数字动画技术将晦涩的文字信息、二维线框图纸转化为直观立体虚拟实物和动态画面，以视觉直观的形式呈现在学员面前，跨过学员知识学习过程中认识思维到形象思维的过程，避免人脑意识自行构建形象思维过程的信息误差，增强了知识传播的准确性，最大程度地提高了信息接收的效率和正确率。如平台中【原理展示】模块，通过动态画面呈现原油在相应设备中流动和物化反应情况，使学员能够直观地学习到原油集输工艺生产全过程的设备结构、原理反应及设备流程顺序等，更加易于理解，加深记忆，提高专业学习成效。

2.感官刺激更易于诱发学习主动性。原油集输虚拟交互可视化教学平台设计模拟真实生产作业情景，使学员沉浸其中感受到各种刺激（如场景、闪动提示、高亮轮廓显示等），激发学员的好奇心和兴趣，进而产生强烈的探究心理，促使其自主探究，诱发学员学习的主动性。采用三维可视动画技术展现了设备、化工单元过程的内部结构与状态，形象直观，使学生的学习积极性大大提高[2]。如学员漫游至截止阀感应区，会跳出提示按钮（截止阀、文字解析和设备拆解），学生出于好奇心理会主动点击相应按钮，进而进入截止阀相关模块，了解设备原理及拆解安装过程，熟悉设备相关知识，视觉直观记忆远比文字形式深刻，学习成效更为显著。

3.触发学员情绪的长效唤醒度。人的大脑运行本能是通过最少的运算获取最多的知识，一旦遇到复杂、难以理解的知识，就会产生惰性，转而感到疲惫、焦虑，长期处于学不懂的状态时甚至会产生厌倦、沮丧等负面情绪。传统授课中大脑起初处在积极低唤醒度状态，随着课程时间的加长和课程难度的加深逐渐走向消极低唤醒度状态[3]，所以一味地讲解和灌输知识并不能解决学习效率低的问题。而学员处于虚拟交互教学模式环境中，情绪通常是兴奋的，大脑处于积极高唤醒度状态，注意力集中，对于知识内容记忆深刻；同时，知识内容以视觉直观的方式呈现，易于理解，加之视觉、听觉感官刺激，调节情绪维持时长，大脑将长期处于唤醒度高的状态[4]，对于教学内容学习的效率处于较高效率阶段。

大量相关研究数据和本教学平台实验测试表明：虚拟交互可视化教学形式能够高效率提高学生学习成绩，提升学生能力水平，使学生更快速的适应岗位需求，并且具有以较少的经费和条件实现许多工程无法进行的实训操作与技能训练的优势，能够实现不同专业岗位场景的再现[5]，其将成为未来专业教育教学创新与改革的趋向。

四、结语

人类已经进入21 世纪，随着社会的进步和知识更新速度的加快，我国教育现行的课程教学形式必须进行变革，提高专业教育教学成效成为当下知识经济时代教育教学的核心目标，至此探寻高效的教学形式成为达成核心目标的有效途径，进而彰显教学形式的经济价值效应。

本文借原油集输工艺流程设备虚拟交互可视化教学平台，阐释了一种游戏化、直观化、临场感的教学形式，并论证其在专业教育教学中的优势，突出的教学成效和学习效率，佐证其在专业教育人才能力培养、服务社会价值时效等宏观层面具有较高的经济效益。这种利用虚拟现实技术，借用游戏形式承载教学内容，融合网络渠道，突破时间和地域的限制，可以随时随地进行的多元化、游戏化、娱乐性的类似网游的教学形式俨然将成为未来教育教学形式的走向。