虛擬實驗在機械控制工程基礎教學中的應用研究

張香云

摘 要：計算機技術的發展催生了各式各樣的新式的技術，這些新的技術手段為一些學科的發展提供了測試條件，成為促進學科發展的有效手段。虛擬實驗是計算機技術與虛擬現實技術快速發展的產物，虛擬現實技術通過三維的模擬現實系統對機械部件機械仿真，這樣的技術對于機械制造以及機械控制工程中的教學可以起到很大的作用。

關鍵詞：虛擬實驗；機械控制工程；基礎教學；應用研究

一、虛擬現實技術的概述以及在機械控制工程基礎教學中使用的優勢

虛擬現實技術是一種利用電腦建立三維模型從而對機械組件進行模擬，虛擬現實技術不僅可以對視覺世界就像模擬，而且可以給使用者提供聽覺、觸覺等感覺的模擬效果。虛擬現實技術中有三個極為重要的要素：沉浸性、交互性、構想性，這三個要素可以評判虛擬環境模擬真實場景的效果。其中沉浸性是建立的虛擬世界帶給使用者相當的真實性，使用者在虛擬的環境中有在真實世界的感覺，對人類來說有一定的迷惑性。交互性是指在虛擬環境中使用者對虛擬對象的可操作性，使用者可以通過傳感設備對虛擬環境中的物體進行操作，交互性體現了虛擬現實技術的人機交互的功能。

虛擬世界的構想性是指虛擬世界可以開拓使用者的思維和想象力，提高用戶的創造力。而虛擬實驗是一種在計算機網絡環境中模擬真實的實驗室的環境，在模擬的環境下通過人機交互實現對虛擬世界中的物體以及模型進行一定的操作，從而進行低成本、高效率、可重復、可補救的實驗，虛擬實驗系統依據不同的沉浸程度主要分為桌面式虛擬實驗系統、沉浸式虛擬實驗系統、分布式虛擬實驗系統和增強型虛擬實驗系統等。虛擬實驗在高校的機械相關專業中涉及精密的機械控制操作，這些相關的操作涉及多種復雜系統。只通過人類的大腦難以完成對實驗的完全理解，通過計算機的模擬現實技術對復雜的機械結構進行仿真可以優化機械結構。虛擬現實技術在教學培訓領域的使用為學生提供了一個相對自由的學習環境，學生可以根據自己的學習情況以及學習目標對資源進行良好有效的應用。虛擬實驗在實際的教學中的使用可以使學生更加具象化的理解所學的內容，虛擬實驗可以模擬一些真實場景可以使學生有身臨其境感覺的同時避免了真實環境可能造成的安全事故。

二、虛擬現實技術在機械控制工程中的使用

虛擬現實技術在機械控制工程中的應用是解決真實世界中無法進行一些危險性較大的實驗的問題，對于一些危險性較大的實驗難以獲批進行，而且對實驗者、操作人員的生命安全進行保障。虛擬現實是由計算機生成的三維模擬環境，虛擬現實目前在航空航天、工程技術、件數設計、醫學手術、藝術設計、軍事模擬等領域中都有非常重要的作用。機械加工模擬環境可以對各種設備、廠房、周圍環境等內容進行模擬，通過一些模擬仿真軟件可以完成一些車床、流水線模型的制作。虛擬實驗一般是利用一些建模軟件建立一些機械模型，在建立模型時可以對實際的模型進行一些簡化操作。對于模型的美化處理可以使模型更加易于識別，利用Photoshop制作場景的貼圖以及材質的紋理，最后利用這些貼圖對模型進行貼圖處理，可以增強模擬現實的沉浸性。機械加工虛擬實驗系統是一種對真實的機床加工過程的模擬，對機械運行過程進行模擬可以解決機械研發過程中的具體情況，不需要再現實世界中建立真實的設備就可以對設計好的設備進行運行，查看運行的順利程度。機械加工虛擬實驗系統模式的搭建可以將模擬的過程記錄下來、忽略現實世界不可控因素的影響、減少實驗的投資等，同時模擬真實的場景的過程可以用計算機教學記錄，留下完整的模擬記錄。模擬實驗可以建立視頻播放的模式、全局觀摩的模式對實驗的操作流程進行研究。機械加工虛擬實驗系統首先應該建立三維實體模型，對于機械的結構進行分裂，分部進行制作，然后組裝各部分零件模型。將整個模型導入到3D max中進行材質貼圖渲染，最后利用專業的軟件合成三維虛擬實體以及虛擬的模擬環境，對實驗中的相關對象進行實時渲染。模擬現實技術的開發通過建模、渲染導入、交互設計、功能檢測這四個階段開發出完整的模擬實驗體系。

機械加工虛擬實驗室的建立依仗強大的交互引擎和建模軟件，通過對行為機械編程使得交互動作順利實現。在建模完成以及貼圖渲染完成之后還需要對場景中物體的燈光、物體間的從屬關系、物體與人之間的交互設計、場景的視角等方面進行調整，而且為了使用戶有一個良好的代入感，就必須設計便于使用的系統界面。

三、虛擬現實技術在機械控制工程的基礎教學中的具體應用

虛擬現實技術主要是面向學生開發的一種實驗教學工具，虛擬實驗系統目前融合了衛星通信、數字化信息系統、計算機技術、新媒體技術等多種技術。虛擬實驗教學平臺在系統中融合了專業的理論指導和現實世界的各種原則，通過教學設計挑選合適的機械模型，建立合適的理論探究過程，幫助學生學習到體系化的、實例性的專業化知識。而且通過虛擬技術搭建的實驗教學平臺來說，其優點是在教學實踐中可以多次使用，教學中產生的失誤和學生操作中產生的問題在這個平臺上都可以重新復位，不會出現浪費資源的情況。而且虛擬實驗平臺由于其有趣的界面，以及新奇的教學方式會引起學生的學習興趣，有助于學生自覺的教學學習，使專業知識的學習成為一件快樂的事情。而且虛擬實驗在機械控制工程基礎教學中的使用可以重復多次，為學生熟練的掌握操作技巧提供了良好的條件，老師也可以及時的對學生的學習情況進行記錄、糾正。虛擬實驗平臺的交互性強，學生可以通過傳感器與計算機進行交流，加強學生的實際體驗感。虛擬教學平臺還可以根據學生的個人特點進行區別教育，提供合適的培養機制，而且先進的模擬設計可以拓展學生的思維，增強學生的創造力。

四、小結

綜上所述，虛擬實驗在機械控制工程中具有良好的應用前景，具有可重復、交互性、沉浸性等一系列優勢。當今機械設備成本較高，虛擬實驗為學生提供一個低成本的、豐富的、交互性良好的、高效的學習平臺，系統可以依據學生的個性化特點制定不同的教育方式提高學生的學習的效率。

參考文獻

[1]高俊.虛擬實驗在機械控制工程基礎教學中的應用[J].教育與教學研究，2013，27（3）：76-79.

[2]聶學俊，杜敏杰.機械工程控制基礎虛擬實驗平臺開發[J].中國現代教育裝備，2016，（15）：4-6.

（作者單位：長江大學工程技術學院）