虛擬技術在機械專業實踐教學中的應用探討

孫金超

摘 要：改革傳統的實踐實訓手段，優化實踐實訓環境及方法，是提高應用型人才培養質量的迫切要求。虛擬現實技術作為一種輔助教學手段，它改變了單一外部刺激的教學模式，有利于知識的獲取。虛擬現實技術通過虛實融合營造智慧教學環境，使學習者獲得真實的情境體驗，能有效地促進學生認知結構的形成和發展，使人們的認識觀念、教育觀念發生根本性的變化，虛擬技術成為高校培養應用型人才的重要手段。本文闡述了虛擬技術的特點，討論了虛擬技術在理論教學和實驗教學過程中的應用優勢，對虛擬技術在近機械類專業教學、實踐中的應用展開探討，旨在為促進近機械類專業教學有序開展研究適用提供思路。

關鍵詞：虛擬現實技術 體驗教學 虛擬情境 實踐教學

中圖分類號：TH11-4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（c）-0207-03

Abstract：It is an urgent requirement to reform the traditional practical training methods and optimize the practical training environment and methods to improve the quality of applied talents training. As an assistant teaching method， virtual reality technology has changed the teaching mode of single external stimulus and is conducive to the acquisition of knowledge. Virtual reality technology creates a wise teaching environment through the virtual reality fusion， enables learners to acquire real situational experience， effectively promotes the formation and development of cognitive structure， and makes fundamental changes in people's cognitive and educational concepts. Virtual technology has become an important means of training applied talents in Colleges and universities. In this paper， the characteristics of virtual technology and the advantages of virtual technology in the process of theoretical teaching and experimental teaching was discussed. This paper discusses the application of virtual technology in the teaching and practice of the n mechanical specialty， aiming at providing ideas for promoting the orderly research and application of mechanical specialty teaching.

Key Words：Virtual Reality Technology； Experience teaching； Virtual situation； Practice Teaching

隨國際經濟規律的變化及國內產業升級進程，對適應現今國內產業結構的技術人才的培養要求逐漸提高，由于傳統教育模式與教學功能的局限和教學手段的落后及教學方法的單一導致我國人才的培養特別是技能應用型人才的培養還不能滿足經濟社會的快速發展。傳統的教學手段不能夠使學生充分地、積極有效地參與到課堂學習中來，學生經常游離于課堂教學過程之外，在很大程度上無法真正發揮出教師的主導性和學生的主體性，尤其是學生不能將課堂學習、知識儲備的轉化、個人能力的提升、解決問題能力的升華等環節貫通起來，因此并沒有達到教育教學預想要達到教師傳授的知識轉化為學生的能力、學生不能根據情境的特殊性和復雜性綜合地運用所學的知識和能力解決實際問題的效果，導致“應用能力差，實踐能力薄弱”等當前高等教育和人才培養中普遍存在的問題。高度重視實踐環節，提高學生實踐能力已是高等教育和教學實踐中急需解決的一個核心課題。

虛擬現實是一種先進的計算接口技術，是由計算機和電子技術創建的新世界，是一個看似真實的模擬環境。它將現實世界中存在或者不存在的事物和環境，通過各種技術虛擬出來，再根據視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等因素的協同作用，通過多種傳感設備，使用戶可根據自身的感覺，以人的自然技能對虛擬世界中的對象進行考察和操作，以自然的方式與這個環境進行交互，通過實現用戶和該環境直接進行交互并參與其中的事件，使參與者“沉浸”于模擬環境，感覺到就如真實的世界一樣，從而產生置身于相應真實環境的虛幻感、沉浸感和真實感[1-2]。基于多媒體計算機技術、仿真技術和人工智能技術基礎之上的虛擬現實技術能夠有效地解決提高學生應用能力和實踐能力這一問題。

1 虛擬現實技術的特點及主要類型

虛擬現實技術是以現代的計算機技術為基礎，利用高科技手段形成逼真的味覺、嗅覺、觸覺、聽覺和視覺一體化的虛擬環境的技術。虛擬現實技術具有交互性、沉浸性、多感知性等基本特點，虛擬現實系統包括桌面虛擬現實系統、沉浸式虛擬現實系統、分布式虛擬現實系統、增強式虛擬現實系統增強式虛擬現實系統等多種類型，該技術可以彌補傳統教育缺乏親身體驗的缺陷。用戶利用特殊的輸入/輸出設備便可以進入虛擬空間，給學習者提供視覺、聽覺、味覺等綜合體驗，可以突破時間和空間限制，創建真實感的學習環境，使用者在虛擬環境中可以真實地感知和操作虛擬世界中的各種對象，實現實時交互，從而獲得身臨其境的感受和體會。由于親身體驗遠比空洞抽象的說教更具說服力，尤其在虛擬教學、虛擬實驗等方面的應用更具廣泛性，幫助學生更好、更生動地理解所學的專業知識[3-5]。

2 虛擬現實技術在教學過程中的應用

虛擬現實技術通過虛實融合營造智慧教學環境，使學習者獲得真實的情境體驗。虛擬現實技術可以提供生動、交互的學習材料，提高學習者沉浸感和想象力，使學習的深度、廣度有所增加，引導課程學習進入新境界[6]。

2.1 虛擬技術在教學中應用的優勢

虛擬現實技術在教學過程中應用具有以下4個明顯的優勢：第一，虛擬現實技術能夠彌補遠程教學條件的不足。以往在遠程教學中往往因為實驗設備、實驗場地、教育經費等多方面原因，使得一些必要的教學實驗無法開展。然而利用虛擬現實系統，學生借助虛擬實驗室可以獲得與真實實驗相同的學習體會，從而豐富感性認識，加深對教學內容的理解。第二，虛擬現實系統可以避免真實實驗或操作所帶來的危險。在教學過程中對有危險的實驗，往往是采用專業教師為學生做演示實驗，學生并不能直接參與實驗過程。而利用虛擬現實系統進行虛擬實驗時，學生不但可以親自動手開展試驗，還可以多次重復進行實驗，獲得感性認識。第三，虛擬現實技術可以徹底打破空間、時間的限制。利用虛擬現實技術可以實現大到宇宙天體，小至原子粒子或者縮短或延長事物的發展周期。學生可以根據需要對事物進行了解，獲得感觀認知。第四，虛擬現實系統可以虛擬人物形象。例如虛擬歷史人物、偉人、名人、教師、學生、醫生等各種人物形象，創設一個人性化的學習環境，使遠程教育的學生能夠在自然、親切的氣氛中進行學習。

2.2 虛擬技術在實踐教學中的應用

虛擬現實技術可實現集教學、體驗、實踐等于一體的立體化教學，改革傳統教學模式，創新教學方法，達到培養創新型、實用型人才的目的。虛擬現實技術在實踐教學中的應用總結如下[7-9]。

（1）輔助教學。

在機械類專業課中大多涉及到機械結構和設備或機械結構的工作原理，教師在教學過程中很難全面地講解和展現出設備的全貌和組成。對于機械結構的工作原理也只能是教師講解和學生的抽象想象來完成。然而，學生借助虛擬現實系統不但可以觀察到機械結構的組成，還可以直接觀察機械結構復雜的工作過程，幫助學生消化和理解抽象的概念，使理論直觀化、形象化，提高教學過程中知識傳遞的質量和效率。

（2）虛擬設計。

在機械類專業課程培養目標的設定中大多要求學生能應用相關專業知識，進行簡單機械結構設計，培養學生的動手能力、分析和解決問題的能力。虛擬現實技術可以對學生設計過程中所提出的各種設想進行模擬，通過虛擬系統可以直觀地觀察到每一種設想所產生的效果，從理性和感性等多個角度對知識難點進行探索認知，將其消化理解，從而有助于創新和深化概念，最終實現提高學生實踐能力的目的。

（3）虛擬裝配。

在機械制造的這個領域中，往往要將幾十、上百甚至成千上萬的零件裝配到一起組成機械產品，然而機械產品的配合設計、可裝配性的錯誤，往往在最后的裝配階段才能發現。由于機械產品設計的精度不同、形狀不同，所模擬的產品的裝配過程也不同。采用虛擬現實技術虛擬裝配一臺機械產品時，學生可以通過交互的方式，進行機械產品的模擬裝配。在虛擬裝配訓練系統中，學生可以反復對各種類型結構進行分解和組裝的操作，這使得學生對典型機械結構的組成和分類有更清楚地認知，了解和學習各種典型機械結構的結構特點，從而加深學生對該部分知識的認識和掌握。

（4）虛擬實驗。

機械類專業學生需要經過大量實訓來強化理論知識。但是由于學校教學用實驗設備數量有限，實驗時間和空間受限，而且對于危險性較大的實驗學生動手操作的機會較少。虛擬現實技術的沉浸性和交互性，使每一位學生都能夠在虛擬的實驗環境中獲得參與實驗的機會，這非常有利于學生的技能訓練，學生可以反復練習，直至掌握操作技能為止，提高對學習內容的感性認識，加深對實驗教學內容的理解，培養學習興趣。

（5）虛擬實驗室。

機械類專業基礎課中大多安排大量實踐教學，用來培養學生實踐能力，例如力學實驗、沖壓實驗、流體力學實驗等等。傳統的實驗教學上課時間、地點比較固定，設備的數量有限，學生的數量較多不能全部參與到實驗中。如果在實驗中存較大安全隱患時，學生甚至無法直接參與到實驗過程中。通過虛擬現實技術可以創設虛擬教學情境，為學習者親身實踐提供了可能性。在虛擬實驗室中學生在相對安全的條件下，可以獲得與實踐教學中相同的體驗效果。

3 結語

通過虛擬教學，虛擬實驗室能夠使學習者獲得真實的情境體驗。虛擬實驗具有生動、實驗效果直觀、安全性好等優點，有利于學生理解和掌握復雜機械結構的原理、制造與裝配工藝、使用與操作，有利于激發學生的學習積極性及創新思維，有利于學生的創新實踐活動。虛擬現實技術為教學提供了新工具，為教育領域創新提供了技術支撐，將為教育的改革與發展帶來生機與活力。

參考文獻

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