淺談VR技術在機電類專業中的應用

方濤++梅曉榮

摘 要：目前VR技術在諸多社會領域得到了廣泛應用，尤其在職業教育教學領域中，VR技術所提供的直觀性、沉浸性、互動式的教學體驗，對依附于傳統教學設施設備上的教學模式、教學手段和教學理念帶來了巨大的沖擊。本文對如何在機電類專業中利用VR技術進行教學改革，并對如何促進VR技術與機電類專業建設相結合進行了一些探討。

關鍵詞：VR技術；機電類專業；理論教學；實訓教學；實踐教學

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.145

目前VR技術作為一種新型的教學手段已經越來越多的應用于職業教育教學中，針對機電類專業教學中某些理論知識、結構原理難懂難學，而學生基礎薄弱、學習積極性不足的矛盾，VR技術所具有的良好交互性、直觀性、場景逼真性等優勢，很好地解決了教與學面臨的困境；同時VR技術也能一定程度上解決機電類專業實訓實踐內容對場地、材料、設施設備、人員等的限制性要求，這對專業建設面臨資金不足、基礎設施設備不夠完善的學校提供了解決方案。

1 VR技術概述

1.1 VR技術概念與特征

VR技術集成計算機圖形技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術，是計算機產生的一種人為虛擬的環境，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環境及事物的內在變化，并能與之發生“交互”作用。

VR技術具有以下主要特征：

（1）沉浸性 使用者完全融入虛擬環境，并且認為該環境是真實的，自己就是該環境的一個組成部分，使用者由觀察者的角色轉變為主動參與者，具有主導性。

（2）交互性 改變傳統人機交互利用鼠標和鍵盤的一維、二維交互模式，利用人在客觀世界中的實際動作，借助特殊虛擬現實設備進行交互，產生和真實世界一樣的感知。

（3）想象性 虛擬現實不僅僅是一個軟件一個平臺，其能突破時間和空間，進入宏觀或者微觀世界，讓使用者完成在現實中由于各種條件制約而難以完成的事情。

1.2 VR技術分類

根據用戶參與虛擬現實的不同形式以及沉浸的程度不同，虛擬現實技術可分為三類。

（1）桌面式 利用個人計算機或圖形工作站等設備，產生虛擬場景，通過位置跟蹤器、數據手套、力反饋器、三維鼠標或其它手控輸入設備，將計算機的屏幕作為觀察虛擬世界的一個窗口，在一些專業軟件的幫助下，參與者可以在仿真過程中設計各種環境。

（2）沉浸式 通常采用頭盔式顯示器、洞穴式立體顯示等設備，利用空間位置跟蹤定位設備、數據手套、其他手控輸入設備、聲音設備讓使用者沉入其中。

（3）共享式 是一種基于網絡連接的虛擬現實系統，它將多個用戶通過計算機網絡連接在一起，同時參加一個虛擬空間，達到協同工作的目的。

2 VR技術在機電類專業中的應用

2.1 理論教學中的應用---VR課堂

理論課堂教學是學生學習的主要途徑，VR技術應用于機電類課堂教學主要是依據不同教學內容而采取不同的實現形式。

（1）VRPPT應用 機電類專業課程中，如機械原理、液壓與氣動原理等涉及原理、概念等的內容，如果依據傳統的課件、視頻學生難以理解，借助VRPPT使老師從傳統的二維PPT教學轉化成3D 教學，依托桌面虛擬顯示平臺與3D 投影相結合，讓平面物體可視化，這樣學生和老師就能真實感受機械系統的內部結構與工作原理及實踐應用，能促進學生對理論知識的理解和掌握。

（2）VR視頻應用 機電類課程涉及到實物展示、加工維修、拆裝等內容通常利用圖片、視頻或者真實物體來進行教學，例如機械制圖課程中組合體讀圖、零件結構認知、裝配結構認知等，由于學生位置角度和參與度或者實物不方便拆卸等因素的限制使教學效果大打折扣。通過VR技術，構建一個與實物同樣的三維物體，如可采用3dsMAX建模，在VRML播放器中使用，或者利QUICKTIME VR等進行形象、生動、直觀的教學，學生學習的興趣會有極大提升。

一般而言，傳統課堂理論教學中利用VR技術進行輔助教學，要課程資源兼容普通電腦和VR 設備，教師可通過普通電腦進行編輯，然后導出編輯內容到VR 設備，即可實現VR 課堂從編輯到授課。

2.2 實訓教學中的應用----VR實訓室

VR技術在實訓教學中的應用是該技術和職業教育相結合的最主要表現形式。VR實訓室依托虛擬現實設施設備以及配套的機電類專業課程實訓VR 軟件，可以完成傳統實訓難以達成的一些項目并取得良好效果。

（1）彌補資金不足，實訓設備陳舊落后。機電類專業的特殊性，導致實訓設施設備價格高昂，占地面積巨大，學校資金不足，不能及時更新換代導致學非所用，學校甚至租用、借用設施設備進行實訓教學，嚴重影響了教學效果。利用VR技術創造生產現場模擬的實踐環境，實訓教學不再受場地、設備限制，滿足教學的實際需求。

（2）突破時空限制，實訓更形象直觀。機電類實訓過程中，采用VR技術可以打破時間和空間的限制，模擬還原某個情境或者場景。例如，電工課程中的，觸電急救課程，在現實條件下無法完成，學生通過操作VR 設備，可以進行現場虛擬實訓，作為真正實訓前的“預實訓”。

（3）學生自主選擇，實訓可重復。利用VR技術，學生自助選擇實訓模塊及次數，增強實訓效果，不產生耗材成本問題。例如大型機械的拆裝，利用VR技術不僅實現產品模型以裝配圖和爆炸圖的形式出現， 同時又能滿足機械維修訓練， 實現產品的反復拆裝模擬。

（4）避免風險，實訓更安全 。VR技術可以避免實訓環節中的危險風險，提升實訓效率，同時節約實訓成本。例如，電工電子實訓中，電流熱效應帶來的爆燃，學生誤操作導致設備損壞、觸電風險等。在焊工實訓中，不需要真實焊機的情況下，VR設施設備將焊接演練過程中焊槍的位置、速度和角度等進行采集處理，并實時生成虛擬焊縫。

2.3 實踐教學中的應用----實訓基地

VR實訓基地的打造，可以解決機電類專業面臨的校內外實訓基地數量不足、質量不高，校企合作很難實質性融入，學校投入難、學生實踐管理難等問題。機電類VR實訓基地是一個集多個專業的教學實訓、VR 資源開發、VR 人才培訓、參觀體驗展示四大功能于一體的基地。

基地大致布局為：圍繞綜合功能分區、硬件建設及VR 教學實訓軟件與配套教學資源的安裝與部署等建設需求，含六大區域，即專題展示區、全景教學區、桌面實訓區、沉浸體驗區、體感交互區及虛擬仿真區。

基地基礎功能是：

（1）多專業綜合實踐平臺 基地根據不同課程配備相適應的桌面式、頭盔式、體感式等各類虛擬交互設備，以各專業人才培養方案為依據定制開發VR 軟件、資源等內容，可全面滿足機電類專業的實踐需求。

（2）VR 人才培訓平臺 結合機電類專業教師資源、課程資源，可承接周邊院校學生及社會人士的VR 技術技能培訓，不斷滿足社會對VR 領域人才的需求。

（3）VR 資源開發平臺 基地和校企合作單位、VR技術開發企業等合作開發VR 教學資源，老師參與共同研發VR 軟件和配套資源及承接相關VR 資源開發需求；學生可獲得實習實踐崗位。

（4）VR展示體驗平臺 基地對本地中小學生、企事業單位開放，學校對VR 技術應用、實踐的成果展示，作為學校創新職業教育發展品牌的傳播窗口。

3 VR技術對機電類專業建設的要求

（1）教育教學理念轉變 教師要對VR新技術的應用有積極的態度，要不斷更新和完善人才培養方案，能把新技術融入到人才培養的知識目標、技能目標、素質目標中。特別是要善于將機電類專業知識、資源等通過VR技術進行轉化，不斷發現和研究實踐中遇到的問題，把教師在傳統設施設備上依附的演示者角色向VR技術中要求的指導者角色轉換，培養學生的探究意識、創新意識。

（2）教育教學內容重構 根據VR技術的特點重新架構教學內容，一般而言，機電類專業涉及到的理論、原理等復雜深奧的知識或者機械加工技能訓練、機械裝置拆裝技能訓練等課程可以采用桌面式設施設備進行教學，對于因時間、空間限制無法講清的內容，可采用沉浸式設施設備進行講授等，通過教師參與設計教學資源，選擇恰當的虛擬現實設施設備，重構教學內容、創新人才培養方案。

（3）教育教學管理創新 VR技術應用使得傳統 “師生互動、生生互動”課堂結構增加了兩個變量“教師與設備互動、學生與設備互動”，這對教師的教學管理提出了更高的要求，如何使學生適應并善于利用VR技術進行有別于傳統教學模式的學習實踐亟待探索。

總之，VR技術應用于職業教育當中是信息技術和職業教育相融合的未來趨勢，其直觀、互動、沉浸和可重復性等特性易于教師教學、易于學生學習，是機電類專業教學改革、創新發展的必由之路。

參考文獻：

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