基于VRDO4.0平臺的虛擬現實技術在實踐實訓教學中的應用

譚學飛 朱立達 韓萍

[摘 要]隨著我國經濟的高速發展，高校培養創新型人才和提高人才培養質量是服務經濟社會發展和全面建設社會主義現代化國家的迫切需要。為提高機械類專業學生實踐能力并改革傳統的實踐實訓教學內容，對實踐實訓方法的優化運用是提高實踐教學質量的重要手段。該文闡述了虛擬現實技術在實踐實訓教學中的優勢，以數控加工技術實訓課程為例，介紹了VRDO4.0平臺的功能和教學案例的開發以及應用流程，為實踐教學提供參考。

[關鍵詞]虛擬現實;VRDO4.0;實踐實訓

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）44-0-03[收稿日期] 2020-04-21

近年來筆者所在院校為了進一步提升本科生的培養質量，培養拔尖創新人才，組織專家對機械學科本科生人才培養的社會需求、高水平大學人才培養目標的定位、實踐教學的發展趨勢等進行了充分研討。確定了“理論教學與實驗教學并重”“校內學習與校外實踐并重”“理論學習與實踐教學并重”的教學理念，從而不斷提升學生的實踐能力與創新能力，滿足社會對拔尖創新人才的需求。

實踐實訓是指在學校控制條件下，根據人才培養規律和目標培養學生職業技術應用能力的教學過程，旨在檢驗學生的知識效能，提升學生的能力效能，發展學生的創造效能，這就要求實踐實訓必須為學生提供良好的知識獲取的途徑和條件[1]。目前東北大學機械工程實踐實訓教學中心擁有機械基礎課程教學基地、國家校外工程實踐教育中心與國家級虛擬仿真實驗教學中心，面向機械學院所有本科生開展相關實踐實訓教學研究工作。

隨著先進科學技術的飛速發展和不斷完善，現代高校教育發展也要緊跟時代的腳步，創新教育理念和教學方式方法。而傳統意義上的實踐實訓教學內容單一、教學資源緊張以及實踐實訓操作中潛在危險性等弊端，已不能滿足培養高素質創新型人才的要求。在實踐實訓教學中引入虛擬現實技術，把信息技術作為提高教學質量的重要手段，為學生提供全新的人機交互體驗，不但能夠滿足學生對于實踐實訓學習的基本需求，充分調動學生的積極性，更能提高他們的綜合實踐能力、科研能力和創新能力[2]。

一、虛擬現實技術概述

（一）虛擬現實技術基本概念

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術是指采用以計算機技術為核心的現代高新技術（動態環境建模技術、立體顯示和多傳感器技術、多媒體技術、人工智能技術、并行處理技術和系統開發工具應用技術），生成逼真的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺一體化的虛擬環境，操作者使用必要的裝備，以自然的方式與虛擬環境中的物體進行交互，并相互影響，從而獲得等同真實環境的感受和體驗[3]。

虛擬現實技術主要圍繞虛擬環境表示的準確性、虛擬環境感知信息合成的真實性、人與虛擬環境交互的自然性、實時顯示、圖形生成、智能技術等問題的解決，使得用戶能夠身臨其境地感知虛擬環境，從而達到探索、認識客觀事物的目的。

（二）虛擬現實技術的特征

1944年美國科學家G.Burdea和P.Coiffet在《虛擬現實技術》一書中提出，虛擬現實具有以下三個重要特征，分別是沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和構想性（Imagination），由于三個單詞的首字母都為“I”，因此被稱為虛擬現實的3I特性。

1.沉浸感（Immersion）。沉浸感是指用戶感受到被虛擬世界所包圍，好像完全置身于虛擬世界之中一樣。虛擬現實技術最主要的技術特征是讓用戶覺得自己是計算機系統所創建的虛擬世界中的一部分，使用戶由觀察者變成參與者，沉浸其中并參與虛擬世界的活動。

2.交互性（Interaction）。交互性是指用戶對模擬環境內物體的可操作性程度和從環境得到反饋的自然程度。交互性的產生，主要借助于虛擬現實系統中的特殊硬件設備（如數據手套、力反饋裝置等），使用戶能通過自然的方式，產生同在真實世界中一樣的感覺。VR系統強調人與虛擬世界之間進行自然的交互，交互性的另一個方面主要表現在交互的實時性。

3.構想性（Imagination）。構想性是指虛擬的環境是人想象出來的，同時這種想象體現設計者相應的思想，因而可以用來實現一定的目標，進行理念和形式的創新，以虛擬的形式真實反映設計者的思想，傳達用戶的需求。

二、虛擬現實技術在實踐實訓教學中的應用及存在的問題

（一）虛擬現實技術的應用背景及優點

傳統機械理論教學課程中，由于學生們沒有實際經驗，對老師課堂上所講訴的許多原理都會感覺枯燥和難以理解， 即使通過一些視頻和動畫展示，大部分學生也只是知其然而不知其所以然。特別是對于一些實踐性較強的課程，如機械制造技術基礎、數控加工技術，需要學生綜合運用所學的知識點完成對設備結構的認知和基本功能的操作，因此在實踐實訓教學過程中需要引入大量工程實踐案例。

虛擬現實技術作為虛擬仿真實驗教學的重要手段，近幾年得到了高速發展，其應用于實踐實訓教學活動中主要有以下幾方面優勢[4]：

1.具備真實實驗難以完成的教學功能。涉及高?；驑O端的環境、不可及或不可逆的操作、高成本、高消耗、大型綜合訓練等;大型機械裝備的拆裝演示實驗教學，如航空發動機、高檔數控加工中心、盾構機、采掘設備等。便于培養學生自主創新的能力，鼓勵學生參與開發具有自主知識產權的教學資源。

2.實踐實訓實驗項目的來源。一方面，科研成果轉化成常規實踐實訓課程內容需要漫長的過程，但借助于虛擬現實技術可以讓先進的技術和內容盡快投入到教學活動中。另一方面是重大機械工程項目的轉化，重大機械工程項目的親歷實踐一般不具備可操作性，但虛擬現實技術可以實現多次重復實踐實訓練習。

3.學生的創新設計與制造。高校機械類專業本科生創新創業大賽、學科競賽、課程設計中的創新訓練項目，借助虛擬現實技術可拓寬學生視野，較高質量地完成項目要求?；谀壳叭S軟件的二次開發可以產品中的各零件參數化建模，再通過VR技術進行虛擬裝配，搭建好產品的虛擬模型，使學生能對自己所設計的結構有真實的感性認識，提高學生的主動性和工程意識。

（二）虛擬現實技術在教學過程中存在的問題

虛擬現實技術應用于實踐實訓教學改變了傳統教學方式，大大提高了學生學習興趣和自主學習能力，有效地促進了教育信息化和教育現代化，但虛擬現實技術發展目前尚處于初級應用階段，在教育教學資源開發、實踐教學與理論教學相結合、學生深度參與性和可持續發展性等方面還存在很多問題。

1.教育教學資源匱乏。目前虛擬現實技術產業飛速發展，軟硬件設施更新換代頻繁，但技術開發人員力量不足，教育資源設計和技術開發門檻過高。技術開發企業掌握VR應用技術但教育教學專業知識缺乏，而實踐實訓教師掌握專業知識但缺乏將其轉換為VR技術教學案例的能力，這就導致目前現有教學資源的質量高低在很大程度上取決于技術開發人員對教學內容的理解和把握上，嚴重缺少結合本專業特點的實踐實訓教育教學資源。

2.虛擬現實技術教學案例多數以演示為主。由于缺少客觀、完備的數據模型，教學案例與實際生產脫節，如汽車發動機虛擬現實拆裝實驗中往往只保留曲軸、活塞、氣缸蓋等典型零部件，無法完整展示其結構和工作原理，只能起到模擬、示教、示意和認知的作用。

3.教師在科研過程中將科研資源轉化為基于VR技術的實踐實訓教學項目，但由于教學凝練不足，導致這類內容不像教學項目。包括教學目標、實驗原理、實驗步驟、實驗報告等內容不明確、思路不清晰，與專業實驗教學課程相比還有很大差距。另外考核要求不明確、無指導性幫助文件，如實驗指導書、操作手冊等，這些都嚴重影響實踐實訓的教學效果。

三、VRDO4.0平臺下的虛擬現實技術教學案例應用

（一）VRDO4.0平臺概況

VR-DO（創度）是一款面向高端工業領域全生命周期的虛擬現實設計軟件，高效整合了主流工業數據，并且實現快速搭建工業場景，可使機械、自動化等專業教師用于虛擬現實實踐教學。

與傳統虛擬現實平臺Unity3D和Unreal Engine相比，VR-DO具有以下優勢特點。首先面向的用戶不同，上述兩款引擎的主流用戶群體還是游戲開發者，而VRDO則是專注高端工業制造業，專門針對工科專業的實踐教學需求開發適合的功能。第二是易用性，前兩者的使用者需要具備一定的編程基礎，并且在功能參數種類、參數設置等方面比較繁瑣，學習開發成本高。而VRDO則易學易用，界面簡潔明了，學習成本大大降低。最后是專業功能和數據承載量方面，傳統平臺在使用工業行業的功能需求時，如剖切、測量等，需要進行二次開發工作。而VRDO專注工業行業，內置多個工業需求功能，數據承載量更大，如模型的完整結構樹重現、測量、剖切、裝配等。

（二）機械工程實踐實訓教學案例開發應用

機械工程實踐實訓教學的目的是將專業的理論知識具體應用到實際生產活動當中，培養相關專業學生的實踐經驗和創新意識。為了達到預期目標，在培養計劃中開設了諸如機械設計課程設計、數控加工技術實訓、金工實習、生產實踐實訓等課程。

以數控加工技術實訓課程為例，該課程要求學生熟練掌握典型加工中心設備的結構、工作原理、加工范圍、加工精度、加工工藝流程和設備操作流程，通過典型零件的設計、加工制造、精度檢測等全生命周期產品生產過程，提高學生的實踐技能。

盡管學校在教學實驗中心建設過程中投入大量人力、財力采購相關儀器設備，并與校外生產企業合作開展聯合培養等教學計劃，但由于校內實訓設備昂貴臺套數少、操作過程中存在風險、校外企業接待熱情不高、學生大多走馬觀花等各種主客觀原因，實踐實訓效果依然不盡如人意?；诖?，結合虛擬現實技術的特點，將VR技術應用于機械工程實踐實訓教學過程中，豐富了教學方式方法，提高教學質量。

本案例以典型五軸聯動數控加工中心為核心內容，借助VRDO4.0平臺技術，搭建虛擬現實實訓場景，完成數控加工技術實訓課程教學。

1.利用Solid Works、UG、Pro/E等三維建模軟件創建加工中心模型并完成裝配過程。在此過程中，讓學生掌握加工中心結構組成及裝配關系，建立裝配體樹狀結構組織。最后將文件保存為.asm格式，便于導入虛擬現實平臺。

2.使用VRDO4.0平臺生成教學案例，首先創建新的文件并選擇預設場景（以工廠場景為例），將.asm導入平臺，這一過程中平臺自動轉換裝配體模型并保存原模型的樹狀結構便于后期編輯。根據場景和模型的實際情況，利用移動、縮放、旋轉等命令調整模型大小比例、擺放位置及角度，使其接近真實工廠生產狀態，并將整個場景內容設置為允許漫游狀態。

3.由于導入的模型依然保留三維建模過程中的屬性，利用平臺材質編輯器結合真實設備外觀特點逐一對其進行材質特性編輯，還可以利用貼圖、增加漫反射等功能增強模型真實效果。

4.利用VRDO4.0平臺動畫編輯器完成加工中心五軸聯動工作過程，包括滑枕部沿橫梁部的X軸方向平移、主軸箱部沿滑枕部的Z軸方向垂直運動、橫梁部沿左右立柱部的Y軸方向運動、工作臺360度旋轉的C軸運動以及繞X軸方向擺動的A軸運動。同時選取典型發動機葉片零件，根據實際工件加工過程編輯加工動畫。

5.分別選取平行于X軸、Y軸、Z軸的截面完成剖切命令，便于學生觀察主要零部件的內部結構及各零部件之間的裝配關系。利用平臺虛擬裝配功能，依據實際生產裝配工藝流程設定裝配條件，完成虛擬裝配模塊教學內容。

6.完成上述內容后，保存文件并打包場景，將場景保存為.world格式文件。利用VRDOPlayer平臺將全部教學內容呈現到虛擬現實環境當中，在VR環境中學生可利用相關命令工具完成如設備結構和工作原理認知、數據測量、虛擬仿真裝配、典型零部件虛擬仿真加工等學習內容。

此過程為虛擬現實實踐實訓教學設計，學生在教師講解后獨立完成課程內容，在掌握VRDO4.0平臺操作方法后自行設計加工零件，利用專業理論知識和虛擬現實技術完成加工過程。除虛擬實踐實訓教學外，學生還要到實驗教學中心使用真實加工設備，通過“虛實對比”鞏固專業理論知識、提高實踐能力和創新意識。

四、結束語

現代教育秉承實踐實訓教學與理論教學相輔相成，虛擬現實作為信息化教學的代表性產品，運用在機械工程實踐實訓教學中具有傳統教學方式無法比擬的明顯優勢，對于提高教育教學質量、培養具備國際視野的“新工科”專業學生意義重大。VRDO4.0平臺以其自身功能特點，面向實踐性較強的機械類專業實訓課程，極大程度地激發了學生的學習熱情，提高了綜合運用專業理論知識和實踐技能的能力。

參考文獻

[1]張建武，孔紅菊.虛擬現實技術在實踐實訓教學中的應用[J].電化教育研究，2010（4）：109-112.

[2]程軼波.虛擬現實技術在實踐實訓教學中的應用[J].當代教研論叢，2018（6）：94-94.

[3]李建，王芳.虛擬現實技術基礎與應用[M].北京：機械工業出版社，2018.

[4]熊宏齊.國家虛擬仿真實驗教學項目的新時代教學特征[J].實驗技術與管理，2019，36（09）：1-4.