站在职业教育教学应用视角，依据职业院校教学实践，该文将VR/AR技术分为“单纯利用计算机屏幕画面实现虚拟仿真技术”“加入可穿戴传感器计算机屏幕画面虚拟仿真技术”“加入专用传感器计算机屏幕画面虚拟仿真技术”“加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术”“实时加入真实视频画面虚拟现实技术”等五类，而每一类在技术性、应用性、分类性特征方面又有所不同。按照职业教育教学需求，深入研究VR/AR技术务实应用，对推动职业教育教学改革将会起到事半功倍作用。
关键词：职业教育；虚拟现实；增强现实；虚拟仿真
中图分类号：G434文献标识码：A
一引言
VR为“VirtualReality”的英文缩写，即“虚拟现实”的意思，多数人认为它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感设备，为用户提供一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感的交互系统。VR的支撑技术，普遍认为是计算机技术、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。
AR为“AugmentedReality”的英文缩写，即“增强现实”的意思，多数人认为，它是通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，使真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间交互系统。也有人提出了MR概念，即“MixReality”的英文缩写，即“混合现实”的意思，一般认为，是指包括增强现实和增强虚拟，合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境，在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动交互系统。还有人提出了HR概念，即“HologramReality”的英文缩写，即“全息现实”的意思，一般认为，是指利用光学技术，实现完整的、可以从360度球形空间观察的虚拟影像，通常是依托可以多方向观察的多面体设备和多个不同角度的投影来实现，图像可以多人多角度观看，因此，也有人把它叫做“面向全体的AR/全息技术”。
总之，随着科学技术的发展，许许多多有关计算机“虚拟仿真”“虚拟现实”“增强现实”的创新名词扑面而来，由于专业、技术、应用视角不同，对“虚拟仿真”“虚拟现实”“增强现实”等概念在应用上的理解与解释就有所不同，这对研究具体应用这些技术的实践者们，特别是职业院校广大一线教师，提出了挑战。为了深入研究VR/AR技术在职业教育教学中的应用，必须站在职业教育视角，以融合职业教育教学应用需求，尊重职业教育教学基本特征与规律，并结合大量成功应用案例，重新分类描述、分析、思考VR/AR技术在职业教育教学中的应用方向，当然最好实现“对号入座”，这对VR/AR技术在职业教育教学中的应用推广、破解职业教育教学实践性教学中的瓶颈难题，具有十分重要的意义。
二单纯利用计算机屏幕画面虚拟仿真技术
单纯利用计算机屏幕画面虚拟仿真技术，简称“屏幕仿真技术”，是目前职业教育教学中应用最广泛的一种虚拟仿真技术，由此技术所创作的虚拟仿真课件、软件数量众多，这些课件、软件在职业教育教学实践中发挥了重要作用。这里需要强调，仿真教学课件与仿真教学软件有着根本性区别，鉴于目前职业教育教学中应用仿真课件比例较大，因此本文着重针对虚拟仿真课件进行分析讨论。
(一)技术性特征
“屏幕仿真技术”可以划归到AR技术范畴，它不需要其它外接设备的支持，仅仅在一台普通PC(或平板电脑、手机)上，利用鼠标、键盘就可以实施操作了。支持这种操作的核心技术，是实现在屏幕上实施虚拟仿真操作的专用工具软件。随着计算机软件技术的发展，“屏幕仿真技术”所应用的核心工具软件越来越专业化、普及化。一般认为“屏幕仿真技术”技术性特征有以下5个方面：(1)工具软件研发技术成熟，已经逐步形成专业化、系列化、标准化，如虚拟实景(境)技术等；(2)制作工具软件的种类、系列繁多，基本形成了依据行业、职业、专业、岗位的不同需求定向研究开发制作软件的局面；(3)由于定向开发制作工具软件的方便性，使该类课件的制作成本逐渐减低，制作周期逐渐缩短；(4)在应用需求的拉动下，单纯利用计算机屏幕画面实现的虚拟仿真的教学课件，基本实现了网络版、单机版共存，PC机、平板电脑、手机共用，支持人工更新、自动更新共有的应用水平；(5)虚拟虚景(境)技术得到广泛应用。在虚拟环境下虚拟虚景(境)，使所有设计参数与现实参数关联，虚景相互之间的数据关系与现实比例一致，因此，广泛用于产品(项目)设计领域，是“屏幕仿真技术”的另一个拓展技术性特征。
(二)应用性特征
通过对大量“屏幕仿真技术”作品分析可以确定，此类作品在职业院校教育教学中，主要有以下4个应用性特征：(1)对环境、场景、目标物等，进行漫游式虚拟仿真实训；(2)对设施、设备、仪器、仪表、工具等过程性操作，进行交互式虚拟仿真实训；(3)将虚拟操作结果转接至实物实体操作，实现虚实融合式实习实训；(4)实施虚拟虚景(境)设计实训。
(三)类别性特征
根据职业教育教学特征，我们可以将“屏幕仿真技术”类别性特征归纳成以下5种：
1.单纯漫游式屏幕仿真教学课件
这种课件是利用计算机屏幕来呈现立体、逼真的漫游环境、场景、或目标物画面，操作者通过对鼠标、键盘的规范操作，实现对计算机屏幕画面的操作与控制，并以第一人称视觉进入画面实施漫游。单纯漫游式屏幕仿真教学课件的主要教学功能是：学习者通过对环境、场景、或目标物的漫游，了解、熟悉、记忆画中环境、观测对象、目标物特征，并通过画中环境、场景、观测对象或目标物上的媒体提示，获得具有与实地、亲临、接触相同的现场学习效果。这种课件的典型案例如虚拟导游实训、虚拟现场参观实训、虚拟目标物观测观察实训等。
2.漫游互动式屏幕仿真教学课件
这种课件与“单纯漫游式屏幕仿真教学课件”的重要区别是，学习者在操作漫游画面时，可以根据教学需要，激活漫游场景中的某一处画面，并与被激活的画面实施互动交流。典型案例如在操作虚拟图书馆参观实训课件时，当操作者想打开一本书观看时，只要用鼠标选择点击这本书，并将其激活，就可以一页一页翻开这本书观看了。在职业教育教学中，特别是在实践性教学中，这种课件照比“单纯漫游式屏幕仿真教学课件”，更具有教学性。
3.植入某种属性漫游互动式屏幕仿真教学课件
根据教学需要，在“漫游互动式屏幕仿真教学课件”某一个教学点中加入数学、物理、化学、自然、专业以及某种思维、逻辑属性的一种屏幕仿真课件。这种仿真课件的最大特征是将被仿真物体(或被仿真事件)的真实属性平移到仿真物体(事件)中，使操作者具有与实际操作相同的操作感觉与操作效果。典型案例如利用屏幕仿真课件在机械加工车间厂房漫游时，当操作者激活车间厂房中的吊车，并欲操纵吊车吊住物件移动，此时，如果在物件上加入重力、运动惯性力学算法，当运用鼠标、键盘操纵屏幕仿真画面，吊起该物件并进行移动时，该物件在屏幕画面中的运动力学特征就与真实物件移动时的运动力学特征完全一致。这种“植入某种属性漫游互动式屏幕仿真教学课件”在职业教育教学中具有重要的应用价值，从某种意义上说，加入真实操作端，它将会完全取代真实的实训操作训练。因此，这种课件比“漫游互动式屏幕仿真教学课件”更具有教学性和应用价值。
4.具有考试考核功能的屏幕仿真教学课件
在上述3种屏幕仿真课件中，根据教学需要，加入考试考核功能，即成为“具有考试考核功能的屏幕仿真教学课件”。这种课件一般设计有检测学习者学习效果功能，是比较成熟、比较完整的屏幕仿真课件。典型案例如利用记录操作者的漫游路线(轨迹)，判断操作者是否记住行走路线；利用操作者互动操作的正确性、规范性，判断操作者的学习效果；利用操作者在有属性课件中操作的准确性，判断操作者是否熟练掌握该项技能等。当然最简单的设计是在屏幕仿真课件中加入专门设计的考试考核窗口。我们通常将“具有考试考核功能的屏幕仿真教学课件”叫做助学性(或自学性)课件。
5.可以链接多种教学媒体的屏幕仿真教学课件
在上述4种屏幕仿真课件中，运用某种技术，在虚拟仿真系统中加入对其它教学媒体的链接功能，即成为“可以链接多种教学媒体的屏幕仿真教学课件”。有时候我们把这种课件叫做“富媒体屏幕仿真课件”，这种课件的教学功能比较强大，可视性也很好，而且可以承载更多的教学内容。这种“富媒体屏幕仿真课件”在职业教育教学中具有十分广泛的应用前景，特别是在实践性教学中的应用价值很高。典型案例如在数字博物馆漫游课件的某一个具体画面中，链接一段视频，当漫游操作者用鼠标点击视频窗口时，该视频窗口开始播放所链接的视频文件，形成画中画效果。“可以链接多种教学媒体的屏幕仿真教学课件”是职业教育教学中十分实用的一种虚拟仿真教学课件，它不但可以实现与其它屏幕仿真课件相同的教学功效，同时可以拓展成“屏幕仿真课堂”“屏幕仿真教学”“屏幕仿真实习”“屏幕仿真实验”“屏幕仿真实训”“屏幕仿真工作包”“屏幕仿真项目包”等教学软件。
6.可以实现多人联合或顺序操作的屏幕仿真教学课件
在上述5种屏幕仿真课件中，运用某种技术，在虚拟仿真系统中，加入多终端操作设计，即几个操作者分别以不同角色共同实时操作一个屏幕仿真课件，我们把这种课件叫做“可以实现多人联合或顺序操作的屏幕仿真教学课件”。这种课件特别适合职业教育实训教学、实习教学、项目教学或生产性教学中的联合作业、流水线作业、程序化作业及协作式操作训练等教学内容。典型案例如在物流实训屏幕仿真课件中，设计了接送货物员、汽车运输司机、装卸工、库房管理员、物流调度几个角色，操作者分别以不同身份、角色进入屏幕仿真课件，并按照所设计的规范、流程实施操作。这种课件不仅再现了工作职场真实的群体作业过程，而且训练了学生们联合协作、团结互助的团队精神。
三加入可穿戴传感器计算机屏幕虚拟仿真技术
在单纯利用计算机屏幕画面实现虚拟仿真技术基础上，加入可穿戴传感器，形成“加入可穿戴传感器计算机屏幕画面虚拟仿真技术”，简称“加入可穿戴传感器屏幕仿真技术”。一些学者认为，可穿戴传感器不应该独立出来，应该与操纵杆、方向盘、开关、脚踏板等传感器合为一体进行讨论，这种思维对直接研究VR/AR技术来讲是可行的，但对进行职业教育教学应用性研究来讲就可能引起混淆，因此必须分开讨论。“加入可穿戴传感器屏幕仿真技术”又有人把它叫做“可进入虚拟画面操作式虚拟仿真技术”，这项技术可以划归到VR技术范畴，所加入的可穿戴传感器如数据手套、脚垫、定位头套等，可以按照操作者的需求，设计进入画面，并对画面中的虚拟仿真物体实施操作。
“加入可穿戴传感器屏幕仿真技术”与“屏幕仿真技术”的区别在于，前者加入了可穿戴传感器而后者没有。随着虚拟仿真技术在各类工程领域中的不断应用，推动了可穿戴传感技术的快速发展，无论在扑捉运动的精准性、对运动的识别性、穿戴运动的舒适性等方面都有了大幅提升，可以说，从硬件技术方面对“加入可穿戴传感器屏幕仿真技术”的发展提供了有力支持。分析“加入可穿戴传感器屏幕仿真技术”的技术性特征，一般认为有以下3个：1.随着数据手套等可穿戴传感器精度的不断提升，越来越多关联操纵、操作、驾驶、调控等岗位作业活动的虚拟仿真课件，会首选此种技术；2.在需求的拉动下，数据手套等可穿戴传感器的生产成本会越来越低，成为职业院校虚拟仿真实训教学中常用的装备之一；3.随着可穿戴传感技术的发展，操作者完全可以对屏幕仿真画面中的设施、设备、装备、仪器、仪表等实行全面操控。
“加入可穿戴传感器屏幕仿真技术”与“屏幕仿真技术”最大应有性区别是，前者甩开了利用计算机鼠标、键盘操作、控制屏幕仿真画面操作模式，取而代之的是利用操作者真实的肢体动作操作、控制屏幕画面，增强了操作、控制屏幕画面的真实感。
对比“屏幕仿真技术”“加入可穿戴传感器屏幕仿真技术”类别性特征重点是，在操作者身体上穿戴上接有传感器的物品，利用操作者的模拟操作动作，实现对虚拟仿真画面中的设备、装备、仪器、仪表等实施全面操控或深度交互。典型案例如利用数据手套抓取、安装、拆卸、调整、操纵屏幕仿真画面中的物体，利用传感脚垫进入屏幕仿真环境、场景之中，利用传感帽定位多人进入屏幕仿真画面等。也有人将“加入可穿戴传感器屏幕仿真技术”称之为“沉浸式虚拟仿真技术”。按照职业教育实践性教学一般规律，运用数据手套实现操作屏幕画面技术具有较大的应用空间。例如利用数据手套，并在屏幕仿真画面中的目标物体上加入某种属性，据此所创作的屏幕仿真实训教学课件，在职业教育实践性教学中会发挥重要作用。
四加入专用传感器屏幕仿真技术
“加入专用传感器屏幕仿真技术”，我们通常又把它叫做“有实物介入式屏幕仿真技术”，这项技术可以划归到VR技术范畴。“加入专用传感器屏幕仿真技术”与“加入可穿戴传感器屏幕仿真技术”的重要区别是：一个加入了“可穿戴传感器”，一个加入了“专用传感器”。
“加入专用传感器屏幕仿真技术”与“加入可穿戴传感器屏幕仿真技术”的技术性特征基本相同，不作详述。
“加入专用传感器屏幕仿真技术”应用性特征，可以归纳以下3各方面：(1)引入实际操作对象，操作者通过对实际操作对象的操纵，实现对屏幕画面内仿真物体的操作；(2)实际操作对象可以是真实实物，也可以是模拟实物，当采用模拟实物时，其动作、力度、姿态、速度等要尽可能靠近真实实物操作；(3)在引入实际操作时，同时引入模拟操作环境，以增加操作的真实感。
为简化分析，以“专用传感器”为题目进行类别性特征分析。
1.单一部件实物支持下的“加入专用传感器屏幕仿真系统”
所谓“单一部件实物”是指方向盘、操纵杆、按钮等等。由“单一部件实物”组成的“加入专用传感器屏幕仿真技术”系统比较简单，且往往可以适用于运动性质相同的单一部件屏幕仿真课件，起到以一当十的效果，因此，普遍受到应用者欢迎。
2.组合部件实物支持下的“加入专用传感器屏幕仿真系统”
所谓“组合部件实物”是指由2个或2个以上“单一部件实物”，根据真实操作系统的设计要求规范布局形成的一组部件实物，当这组部件实物与真实操作实物数量一致，且一一对应时，这组组合部件实物可称为“全部件实物”。由“组合部件实物”支持的“加入专用传感器屏幕仿真系统”系统相对复杂一些，但因感觉逼真、效果凸显，常常被用于关键能力、核心能力实际操作训练前的虚拟仿真导训中。例如，将汽车的方向盘、脚油门、脚刹车、换挡器部件实物作为专用传感器，形成“加入专用传感器屏幕仿真系统”即属于“全部件实物”系统。应该注意，“单一部件实物”“组合部件实物”“全部件实物”均是提取了某种核心操作部件实物，即便是“全部件实物”，仍然没有将其全部有关操作实物提取出来。当需要全部提取时，必须进行仿真操作必要性、系统设计复杂性论证后方可实施。
3.系统部件实物支持下的“加入专用传感器屏幕仿真系统”
“系统部件实物”与“组合部件实物”“全部件实物”的最大区别是，前者强调的是加入部件的系统性，后二者强调的是加入部件的作用性、功能性，这在职业教育实训教学中是经常发生的现象。
4.无模拟现实环境支持的“加入专用传感器屏幕仿真系统”
所谓无模拟现实环境支持，既是不强调或不可能强调现实环境对“加入专用传感器屏幕仿真系统”的教学效果影响。
5.有模拟现实环境支持的“加入专用传感器屏幕仿真系统”
所谓有模拟现实环境支持，既是强调现实环境对“加入专用传感器屏幕仿真系统”的教学效果影响。
五加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术
“加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术”与“加入专用传感器屏幕仿真技术”比较，其技术性特征有以下3个：
1.“专用传感器”区别
“加入专用传感器屏幕仿真技术”中所提到的“专用传感器”其实物载体最小为“部件”，而“加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术”中所提到的“专用传感器”的实物载体一般最大是“部件”，多数“专用传感器”的实物载体是小型工具、游戏玩具。
2.“阻断操作者视力”区别
“加入专用传感器屏幕仿真技术”是通过计算机屏幕、投影屏幕开放式获得虚拟仿真画面，而“加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术”却是通过“阻断操作者视力”，使操作者的视觉完全置于虚拟场景之中。
3.操作者与虚拟仿真场景融入性区别
“加入专用传感器屏幕仿真技术”，操作者与虚拟仿真场景实现的是“控制性融入模式”，此时，屏幕仿真场景中的人物、动物及其他内容物的设计，倾向于被操作、被激活状态；而“加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术”，更注重场景中的人物、动物及其他内容物与操作者展开自然互动状态，操作者以第一人称身份，利用手中“工具”进入虚拟场景，并与虚拟场景中的人物、动物、景物等产生强烈互动。这一点为职业教育设计虚拟职场体验式教学模式提供了技术支持。
“加入专用传感器并阻断操作者视力虚拟现实技术”除了与“加入专用传感器屏幕仿真技术”具有相同应用性特征外，对比分析，还具有以下3个独立应用性特征：
1.形成情节化虚拟仿真实训教学课件
我们知道，职业教育教学的重点内容是实践性教学，而实践性教学最好的教学方法是老师带领学生真正走进工作职场、工作岗位，在“全环境”下进行学习，或者说在真实的职场中、岗位上获得学习，但在现实中，因为种种原因，这种“全环境”学习环境是难以提供给学生的，“情节化虚拟仿真实训教学课件”可以一举破解这一难题。
2.配合数据手套，形成万能实训工作台
许多岗位能力训练是在工作台面上进行的，配合数据手套，“加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术”完全可以创建出“万能实训台”，学生戴上可视眼镜、数据手套，在PC机的支持下，实施多种多样的虚拟实训。
3.实施真实操作前的验证性虚拟操作
几乎所有虚拟仿真课件，都可以设计成“实施真实操作前的验证性虚拟操作”功能，但验证精度、准确性，虚拟的逼真性却各不相同。“加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术”可以设计成与现实状况完全一致的验证精度与操作的准确性，并大幅度提高虚拟场景的逼真性，这项技术为职业教育实操实训前的虚拟仿真导训，提供了技术支持。
“加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术”与“加入专用传感器屏幕仿真技术”，在类别性特征方面主要有3点区别：
1.单人进入式情节化虚拟仿真课件
由于排除了视觉干扰，“加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术”完全可以实现“单人进入式情节化虚拟仿真课件”功能。顾名思义，这种课件首先是“情节化”，其次是“单人进入”。“单人进入式情节化虚拟仿真课件”，破解了职业教育虚拟实习教学难题，是服务职业教育实践性教学最有发展潜力的一种虚拟现实技术。
2.多人进入式情节化虚拟仿真课件
在“单人进入式情节化虚拟仿真课件”基础上，设计成多人进入通道，既可以实现“多人进入式情节化虚拟仿真课件”。按照岗位操作需求，将每一个通道设计成不同操作者角色，大家在虚拟场景下，各自按照岗位操作规范，实施联合操作、顺序操作、逻辑化操作。
3.情节化技能测试考核体验包
我们知道，技能测试、技能考核、技能操作体验是职业教育实践性教学不可或缺的三个关键环节，由于“加入专用传感器并阻断操作者视力的虚拟现实技术”可以创设身临其境的虚拟效果，同时又可轻松加入虚拟操作“情节”，所以，完全可以设计成“情节化技能测试考核体验包”。
六实时加入真实视频画面虚拟现实技术
通常我们又把它叫做“增强现实技术”或“现实画面与仿真画面混合式仿真技术”，即AR技术。
“实时加入真实视频画面虚拟现实技术”的技术性特征，有以下4个方面：
1.不阻断操作者视力
这项技术不需要操作者戴头套、戴眼镜，在自然环境下观看现实画面与虚拟画面的融合画面。
2.实施画面融合
以“屏幕仿真技术”为基础支撑，加入现实视频画面，通过某种软件技术，实现虚拟画面与现实视频画面融合。
3.操作者利用自身视频图像控制虚拟画面
操作者通过操作现实空间中某种具有标记物体，并利用实时视频画面对虚拟画面内的“物体”实施操作，达到增强现实的效果。
4.实现随机操作
操作者可以随机改变操作路径、方法、手段，已形成即时随机示教操作效果。
“实时加入真实视频画面虚拟现实技术”的主要应用性特征有以下5个方面：
1.用于教师利用虚拟仿真画面、实时操作视频进行实时、随机、示范性操作，并以合成视频形式实施教学展示；
2.用于实践性教学中适合于学生桌面操作的虚拟操作训练；
3.用于在虚拟目标物支持下的立体化、形象化、虚拟化阅读学习；
4.用于将学习内容在视频拍摄技术支持下，进行可视化、形象化、互动式链接；
5.自助式操作，形成虚拟仿真与现实操作高度融合、完美叠加的教学视频画面。
“实时加入真实视频画面虚拟现实技术”的类别性特征有以下5个：(1)助教用“实时加入真实视频画面虚拟现实技术”，该项技术所支持的目标物是，教师的教学示范、教学展示视频；(2)助学用“实时加入真实视频画面虚拟现实技术”，该项技术所支持的目标物是学生自主操作、自主学习、自主训练；(3)无属性“实时加入真实视频画面虚拟现实技术”，这里提到的属性与前述属性概念一致。所谓无属性，是指虚拟仿真画面中的目标物未设计任何属性；(4)有属性“实时加入真实视频画面虚拟现实技术”，所谓有属性，是指虚拟仿真画面中的目标物设计了必要的属性；(5)可检测操作路径的“实时加入真实视频画面虚拟现实技术”，记录真实视频画面与虚拟仿真画面所合成画面操作轨迹，分析、判断操作者操作的熟练度与正确性。
通过分析我们确定，VR/AR技术在职业教育教学中的应用需求是刚性的，所发挥的作用是革命性的，随着职业院校信息化水平的不断提升，广大教师信息化教学意识、信息化教学能力的不断提升，在职业教育实施现代化建设、教育教学改革的历史进程中，VR/AR技术，乃至MR、HR技术，必将发挥不可替代的重要作用。
参考文献：
[1]教职成函[2015]1号文件,教育部关于发布《职业院校数字校园建设规范》的通知[Z].
[2]教技厅函[2013]59号文件,教育部办公厅关于开展2013年度优质数字教育资源征集活动的通知[Z].