VR技術在測控技術實驗教學中的開發應用

許文碩 王建軍 喬建委 王峰 盧云鵬

摘要：虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術，使用戶沉浸到三維動態視景和實體行為的系統仿真環境中。為提高測控技術課程教學中的體驗感，運用虛擬現實技術軟件IdeaVR，結合《控制技術與系統》課程，設計了一套提高學生理論水平與實際設計及動手能力的三軸轉臺，實現了該三軸轉臺的三維設計顯示及整體運動軌跡的仿真與動畫設計，并對如何提高《控制技術與系統》實驗教學進行了分析與探討。

關鍵詞：虛擬現實（VR）；三軸轉臺；課程設計；運動仿真

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）07-0119-02

Abstract： Virtual Reality （VR） technology is a computer simulation technology that can create and experience virtual worlds， and users can immerse in the system simulation environment of 3D dynamic vision and physical behavior. In order to improve the teaching and studying experience in the measurement and control technology course，we combined the virtual reality technology software IdeaVR into the "Control Technology and System" course， and designed a set of three-axis turntable to improve students' theoretical level and practical design ability. We realizedthe architecture design of a three-axis turntable show as well as the animation design of its overall motion trajectory. Finally， we analyzed how to improve the experimental teaching of the Control Technology and System course.

Key words： virtual reality （VR）； three-axis turntable； course design； motion simulation

隨著時代的不斷發展，實時三維計算機圖形技術，廣角立體顯示技術，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入輸出技術等的不斷研究，作為這幾種技術的綜合，虛擬現實技術也開始走進課堂。虛擬現實技術的引進對傳統教學方式進行了補充，在一定程度上促進了傳統教學的改革，由此信息教育開始了虛擬現實時代。傳統的實驗授課中，一方面對于過程控制理論的教學，很多方面是一些相對落后的知識和重復性內容介紹，缺乏對最新控制技術和控制理論的補充。另一方面對具體的應用案例介紹得不夠充分，學生學習后，雖然對理論知識掌握較好，但如何實際應用十分茫然，導致理論學習和實踐操作有較嚴重的脫節。為了提高學生的認識水平和實踐能力，適應新時代的工作需要，我們對于《控制技術與系統》課程實驗進行了改進，采用IdeaVR軟件進行課堂教學，它不再試過去只能觀看模型的教學方式，而是采用了虛擬現實技術，通過給學生演示模型的分解、實體展示等方式，讓學生深入了解課程，達到理論與實踐相結合，目前很多學校對于虛擬現實授課方式進行了不同程度的探索及應用。

1 IdeaVR軟件

IdeaVR軟件是全球首款異地多人協同平臺，IdeaVR解決了當前VR實踐教學四大難題：1）通過多人協同功能，革新現有VR單人單視角教學模式局限；2）通過零編程的自助式內容制作模式，解決教育行業VR內容匱乏難題；3）通過硬件終端的自適應性，解決VR硬件多樣化問題；4）通過VR資源云平臺：素材庫、場景庫和VR視頻錄制，解決實驗教學內容封閉現狀。VR軟件打破空間的局限，借助內置強大的分布式多人協同系統，可快速構建多人協同工作環境，讓所有使用者置身于同一個真實的場景中，真正實現了多人協同下的“教、學、演、練”。

2 課程內容與特點

《控制技術與系統》是測控專業一門專業性和實踐性較強的專業主干課，通過課程教學，使學生運用自動控制原理，結合生產過程機理，利用自動化儀表及裝置去從事生產過程的分析、設計、運行與開發研究工作。《控制技術與系統》主要包括兩大部分的設計：計算與控制部分、執行器部分。

控制技術在教學過程中，有些控制概念和方法比較抽象，采用實物難以展示，需要采用虛擬仿真技術來展示原理；控制器的設計采用軟件編程，難以實物展示；內容多以驗證性實驗項目為主，且實驗中學生概念模糊又很難動手操作，需要老師在一旁進行專門指導，造成理論與實踐在具體操作中難以緊密結合。綜合這些原因，我們開始在《控制技術與系統》課程中引入虛擬現實技術。

虛擬現實授課方式是指教師事先對所講課件進行3D模型構建，在IdeaVR中導入相關模型進行準備，并在專門的VR實驗室進行課堂授課，通過教師在IdeaVR中演示部件拆卸、部件移動、部件復位、動畫播放等相關功能，幫助學生理解掌握相關知識。

虛擬現實技術采用計算機與外部設施相結合，構建一個模擬環境。VR是以新型人機對話為基礎的交互性技術，其最大優勢在于構建作品與參與者的對話，通過交互操作提高學生的認識水平和實踐能力。該技術可打破制約傳統實驗教學中對空間及人數的限制，實現VR設備的互聯互通，并實現多人對其進行操作，提高了教學質量，使理論與實踐緊密結合。

3 IdeaVR操作

從《控制技術與系統》課程教學中選出一節為例，對一種三軸轉臺結構進行設計與運動仿真。設計三軸轉臺時，首先采用CATIA對其進行三維模型構建，然后利用IdeaVR軟件對其實現三維展示、視口類型、材質選擇、運動模擬等教學。此教學將三軸轉臺的零件結構、工作原理及裝配過程以虛擬仿真的方式展示給學生，使學生通過實際操作學習，更深入了解所學課程理論知識及提高了自身實踐操作能力。

3.1三維展示

在主菜單欄“文件”菜單項中，選擇“打開工程”功能，進入打開工程對話框，選擇導入。編輯器中有兩種主要的視口類型：透視視口和正交視口。透視視口是場景的三維窗口。正交視口是順著每個坐標軸（X、Y、Z）看到的二維窗口，包括主視圖、俯視圖和側視圖。

在視口中，對導入的工程圖進行相關導航操作，具體導航操作動作為調整視角角度、拉伸視角遠近、視角平移、視角向前移動、視角向左移動、視角向后移動、視角向右移動、視角向下移動、視角向上移動，其對應的操作為鼠標左鍵+拖拽、鼠標右鍵+拖拽、鼠標中鍵+拖拽、鍵盤W、鍵盤A、鍵盤S、鍵盤D、鍵盤Q、鍵盤E。

3.2材質選擇

工程打開后，IdeaVR提供材質修改，在主菜單欄中的“編輯”標簽頁中，選擇“材質”功能，進入材質面板。在左側的材質列表中選擇一種材質，勾選面板上“拾取面”，再點擊左上方的“賦材質”功能，將鼠標移動至修改項點擊即可修改材質，如圖1所示。

3.3運動模擬

在主菜單欄中的“動畫”標簽頁中，選擇“動畫編輯器”功能，進入動畫編輯面板。設定總時長，選中四個操作對象，對其進行移動方向設定，規定其旋轉角度和位置移動，具體設定如圖2所示。其運動狀態為平面鏡在X軸、Y軸旋轉7度，四個桿端球頭軸承上下移動相對應的數值，從而帶動反射鏡旋轉。根據設定，進行相關模擬運行。

4 存在的問題

1）在VR實驗室進行授課時，教師在前期需要一直面對大屏幕進行講解演示，因佩戴專門的3D眼鏡，故無法實時確保學生的上課集中性，學生有可能出現開小差現象。關于這個為題，教師可以后期設立助理崗位進行課堂授課輔助。

2）在后期學生自主探索學習過程中可能會出現貪玩的心思，進行無關學習的事情，沒有按照課程進行學習與練習，從而在相關知識的掌握上出現問題。關于這個問題，教師需提前做好學習方面的疏導，讓學生主動學習，自覺學習，發揮學生的自我獨立。

3）實驗室授課時學生人數不宜太多，因操作手柄數量的限制，故實際操作時，無法滿足多人進行操作。關于這個問題，因硬件限制，可協調好學生的人數，協調好時間，提高授課效率。

4）授課前的課件準備需要教師提前進行三維模型的構建，這些課件需要教師不斷更新優化，與時代相結合，緊跟科技發展的腳步。

5 結語

本文通過IdeaVR軟件將虛擬現實技術與控制技術與系統課程結合，在教學中使學生不再局限于實體操作中拆卸、放大、移動等問題，通過虛擬環境中工程圖展示，使得學生能夠實際模擬操作，達到對其有更詳細的認知。合理運用虛擬現實技術進行課堂教學，一方面可以一定程度上改進了傳統教學方式的不足，另一方面為了積極探索課堂教學的新方式，使得課堂教學與時俱進，學生學習方式多樣化。

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【通聯編輯：唐一東】