基于Unity 3D的石油機械專業教學實踐

李哲 伍世英

摘? 要 Unity 3D是一個具有三維動態模擬功能的軟件，目前廣泛應用于實驗教學。針對目前國內外石油機械相關課程中傳統實驗教學方式的不足，基于Unity 3D建立虛擬實驗教學平臺系統，可實現教學中向學生展示各石油機械的工作原理及運動狀態，讓學生更好地掌握理論和實踐操作技能，同時解決這門課程中實驗教學耗資過度、安全性低等問題。

關鍵詞 Unity 3D;實驗教學系統;虛擬現實技術;石油機械

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）06-0032-03

Petroleum Machinery Professional Teaching Practice based on Unity 3D//LI Zhe， WU Shiying

Abstract Unity 3D is software with 3D dynamic simulation function，

which is widely used in experimental teaching. In view of the short-comings of traditional experimental teaching methods in petroleum machinery related courses at home and abroad， based on Unity 3D to

establish a virtual experimental teaching platform system， students can demonstrate the working principle and exercise state of each petroleum machinery to the students， so that students can better grasp

the theory and practical ability to operate. At the same time， it can solve the problems of excessive cost and low safety of experimental teaching in this course.

Key words Unity 3D; experimental teaching system; virtual reality technology; petroleum machinery

1 引言

在石油機械專業課程教學中，實驗教學更容易引起學生的學習熱情，各種機械結構及零部件所帶來的視覺沖擊激發學生興趣的效果遠勝枯燥無味的文字描述和簡單的平面二維示意圖，可以直接展示出各種裝備的工作原理，強化教學的重點內容，有效提高學生的學習效率，現已成為教學系統中重要的環節[1]。然而，我國各大石油院校的學生數量龐大，現場教學成本太高且容易產生安全事故，或給企業的正常工作帶來影響，所以無法全面展開。受限于教學場地及實驗經費，多數地區的實驗教學系統目前并不能滿足師生的需求。

虛擬現實技術是隨著計算機技術的發展而誕生的一門技術，它以簡單的設備提供直觀的演示和模擬，在教學實踐中結合理論教學，利用仿真軟件在多媒體上進行石油設備工作動態和工況的現實模擬，作為教學的補充，減少教師現場教學的工作量，既幫助學生更好地理解理論知識，又免去以往缺少實物教學的尷尬。隨著計算機技術以及多媒體技術的發展，采用Unity 3D軟件進行石油機械課程的實驗教學是國內外普遍采用的方法[2]。我國各大石油院校開展基于Unity 3D軟件的教學實踐取得較大收獲：

首先，學生能更好地參與課程內容教學，能夠把從前因為見不到實物的問題解決在課堂教學階段，長時間理論學習后尚不知研究對象的組成、工作狀態等問題得到較好解決;

其次，保證學生的學習過程完整，通過整個教學系統的建設，教師教學手段不再單一，學生可以更好地了解實際，特別是對于石油機械類的學生來說，Unity 3D軟件非常有價值。

從長遠發展的角度來說，需要針對Unity 3D軟件的特點進行實驗課程的設計和相應課件的制作，同時要結合本專業學生以后從事的工作性質對教學系統進行分析、評價和科學總結，有利于更好地開展教學工作[3]。

Unity 3D虛擬現實技術已經給用戶帶來身臨其境的交互環境，使操作用戶通過各種交互裝置將自己置身于虛擬環境中，在宏觀角度與微觀角度去探索在真實世界中不便甚至不能直接體驗的事物運轉及變化規律，如圖1所示。

2 教學現狀

以長江大學機械工程學院現有的石油機械專業教學現狀為分析對象，在沒有采用Unity 3D軟件所開發的專業教學平臺進行課堂及實驗教學實踐前，主要采取普通的課堂知識講解配合一般的實驗室教學。在石油機械專業教學中，實驗教學顯得尤為重要，一般實驗教學都是在特定的實驗室進行。

傳統的實驗教學手段單一，以講述為主，配合二維平面示意圖、簡單的模型、縮小的模型為教具，培養學生理解理論知識和對設備、零件的初步認識等。傳統的實驗教學方式有其自身的優點，但在石油機械這種專業性特別強的學科中，對于提高學生學習的主動性，培養學生獨立思考和解決實際問題的能力方面顯得稍有欠缺。以下問題是現有實驗教學中關注較多的。

1）多媒體教學前期準備量大。現在的本科實驗教學中有各種新型多媒體工具的引入，但這也從一個側面加重了教師備課和制作課件的工作。隨著互聯網信息技術的快速發展，各種新型石油機械設備也層出不窮，以往一個簡單石油設備中的零部件現在需要通過大量不同的圖片和視頻呈現。對于復雜的石油機械裝備實驗教學，采用多媒體為主導的教學是比較耗時間的，效率不高，但圖片和視頻可以作為教學的引導和切入，使講解和實踐更生動地聯系起來。

2）校內實踐局限性大。目前大多數石油機械專業的傳統實驗教學系統，所需專業性強的實驗設備多、體積大，即使在特定的實驗室也常采用縮小模型。有些實驗設備的構造比較復雜、價格昂貴，只能購買少許或采用模型教具。教師和學生時常需要接觸具有一定危險性的設備，雖然經過多年的調整與改進，實驗設備在正確操作的前提下是比較安全的，但是在操作不當或設備損壞時，造成學生受傷的情況也時有發生。

3）學院硬件條件差。目前，全國各大石油院校均減少了學生外出實習的課時安排，甚至取消了以前的現場實習環節，改為機械制造加工企業參觀，學院硬件老舊且實踐條件幾乎為零。學生在學習相關專業課程過程中，無法正確認識復雜設備的工作原理。這是學院面臨的非常嚴峻的問題。對于石油機械專業的學生來說，實驗在某種程度上重要于理論的學習，這與石油機械類應用人才的屬性不無關系，如果先進的理論知識因為缺乏硬件的支撐而展現不出來，是很可惜的。

4）不能因材施教。隨著石油行業的爆發式增長，相關行業對石油機械人才的需求越來越大，直接造成相關高校石油機械專業學生數量激增，而相應的專業實驗教學設備卻沒有跟上，學生的層次也隨之體現得愈發明顯。現存的多數實驗教學都將學生同等對待，致使部分動手能力強的學生因缺少實驗條件而不能發揮其特長，實驗能力較差的學生又感到吃力而跟不上教學進度，實驗教學的目的很難達到。這是各大院校在發展過程中一個無法回避的問題，所以當學生數量增加而不能因材施教時，實驗教學就需要尋找新的突破口。

3 結合Unity 3D軟件的教學實踐

基于Unity 3D軟件的教學系統制作? 在Unity 3D實驗教學系統設計環節，對需要引入本軟件的石油機械專業知識進行教學任務及內容分析，做出預計和評估，以便教師能合理分配課時。

實驗教師備課時可在網上查找石油機械如管柱、鉆頭的運動動畫，反復觀看其運動軌跡，同時研讀石油機械相關資料，了解整個設備中各機構的傳動及運動路線。考慮到后期需要制作動畫效果以及在Unity 3D平臺中實現漫游效果，本教學系統選用Maya軟件對課程中涉及的石油機械設備進行3D建模。在建模完成后將模型導出，在KeyShot軟件中進行材質渲染;制作完動畫之后，將其分別導出AVI格式的視頻軟件。將制作好的模型導進Unity 3D軟件之中，編寫程序腳本，來實現教學平臺的開發。圖2所示為基于Unity 3D軟件開發的石油機械教學平臺中關于鉆修井作業現場仿真模擬。

基于Unity 3D軟件的教學實踐? 采用多媒體的實驗教學非常有必要在石油機械設備結構及工作原理、特性講解等關鍵點引入此虛擬仿真教學系統進行結構認知、功能區分及工作過程的動態演示和相關理論推導。而借助Unity 3D平臺制作的教學系統生動逼真的仿真效果和強大的漫游功能，可以從兩個方面對學生產生積極影響：一是能夠激發學生的興趣;二是使部分學生主動要求掌握該軟件的基本操作方法，進而自行完成相關設備零部件的3D模型、結構的運動仿真分析等，讓學生真正熟悉石油機械的組成及運行原理。

采用Unity 3D軟件進行石油機械實驗教學改革? 基于Unity 3D平臺開發實驗教學系統，改變目前抽象化的實驗教學模式，對教學中的機械設備進行隨堂演示，使學生在課堂上能直接看到該設備的任意位置、任何零部件，幫助學生理解所學內容。以課程內容為對象，采用分組教學模式，組織各小組學生通過三維軟件建立設備的各零部件的3D模型，然后在軟件上進行組裝，完成整個設備的運行仿真，制作動畫驗證并完成結果檢查和評估。對于學生的課堂實踐，按一般、困難、復雜等三個層次設計相關項目，滿足不同層次學生的需求。借助教學系統對每個項目的完成情況進行記錄、評分，保證學生出勤率的同時，提升學生學習的積極性，最終形成優良學風。

4 結語

本文提出現階段各大石油院校在實驗教學中存在的問題，并介紹一種基于Unity 3D平臺開發的實驗教學系統。從Unity 3D平臺開發的實驗教學系統實踐可以進一步證明，使用該教學系統可以提高學生學習的積極性和創造性，而且真實的漫游效果使學生身臨其境，對石油機械設備有更好的認知，為我國高校機械類實驗課程融入虛擬仿真技術的教學提供了新思路。■

參考文獻

[1]祝秀芬，陳橋芳，曾岱，等.虛擬現實技術下虛擬實驗室的研究與構建[J].科技創新導報，2017，14（24）：161-162.

[2]韓瑞凱.基于Unity 3D的凸輪機構虛擬實驗平臺的研究與應用[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2015.

[3]彭雪嬌，林海祿.基于互聯網+的分析儀器虛擬仿真實驗室的構建[J].東華理工大學學報：社會科學版，2016，35（4）：383-385.