虛擬現實技術在高職機械專業實驗教學中的應用

萬民標

摘要：隨著虛擬現實技術的發展，特別是作為“虛擬現實元年”的2016年以來，虛擬現實與增強現實技術憑借其沉浸性、交互性、多感知性持續火熱，并逐漸滲透到很多行業領域。而作為培養應用型技術人才的高職院校，實驗教學一直是人才培養中的關鍵環節，該文首先探討了虛擬現實技術的基本特征，高職院校機械專業實驗教學的主要特點，以及虛擬現實技術在其中應用的可行性及明顯優勢，同時也指出了存在的現實問題，最后針對這些問題給出了一些有效建議，并展望了高職院校虛擬實驗教學的方向。

關鍵詞：虛擬現實技術;高職院校;實驗教學

中圖分類號：G642.4.5? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0183-02

虛擬現實技術是仿真技術與計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術等的集合。是指借助計算機技術模擬一個實時動態的三維立體逼真環境，利用傳感技術在該環境中擁有人所具有的視覺、聽覺、觸覺、力覺、運動等感知能力，創造出一種嶄新的人機交互狀態。目前被廣泛應用于游戲、旅游、醫學、室內設計、房產開發等領域。

虛擬現實技術同樣也被廣泛應用于教育領域，國內很多高校都積極研究虛擬現實技術及其應用。早在2012年由華中科技大學、北京航空航天大學、上海交通大學、北京郵電大學、電大在線遠程教育技術有限公司聯合開展的“十一五”國家科技支撐計劃“虛擬實驗教學環境關鍵技術研究與應用示范”項目成功獲得教育部驗收，其中機械類選擇了《機械原理》《機械設計》《機械制造基礎》《金屬工藝學》《機械工程測試技術基礎》《機械工程控制基礎》《機電傳動技術》等7門課程進行了教學實驗改革和虛擬實驗平臺的搭建。為解決了虛擬實驗環節中的一些共性的、基礎性的技術難題，為真正意義上建立和推廣虛擬實驗系統做出了很大貢獻。

國家教育部自2017年開始打造開放共享的虛擬仿真實驗教學平臺，計劃建設1000個國家級虛擬仿真實驗教學項目，并且要求項目被認定后在一定時間內面向高校和社會免費開放并提供教學服務。給虛擬實驗教學上的應用指明了方向，促進了虛擬現實技術服務于實踐教學，讓網上做實驗和虛擬做真實驗，成為現實。隨著這些虛擬仿真實驗教學項目的不斷實現和推廣，必將對我國高等教育質量的提高產生較大的影響，進一步解決實驗教學、實踐教學、實訓教學的一些難題，彌補我國大學生動手能力不足的問題。

1 虛擬現實技術的主要特性

1.1 沉浸感

虛擬現實是通過計算機技術創造一種人為的虛擬環境，當用戶進入這一虛擬環境中特別是與虛擬環境有互動交流時，會不自覺的感覺自己就是虛擬世界中的當事者，會產生一種空間臨場感，比如VR游戲體驗中，玩家會將自己當作游戲中的角色，完全的沉浸進去，會有種將虛擬體驗當真的感覺。

1.2 交互性

交互性是用戶在該虛擬環境下不是一味地被動感受，即用戶除了被動地接受來自虛擬環境的信息外，還能通過自己的動作使虛擬環境做出改變。比如用虛擬現實技術模擬的減速器虛擬拆裝實驗中，用戶可以通過鼠標或者其他VR設備進行減速器各個零部件的拆卸和安裝。虛擬環境的減速器會在用戶給定的操作指令下進行零部件位置的移動和變化。這種使用戶由被動到主動的信息互動性就是交互性。

1.3 構想性

虛擬現實技術不僅僅可以模擬真實存在的環境，還可以根據想象構造出客觀不存在的甚至是不可能發生的環境，即可以啟發人的創造性思維，使用戶深化概念和萌發新的聯想。

2 高職機械類實驗實訓課程的教學現狀

高職院校一直以高端技術技能型人才為培養目標，通過系列化的實驗實訓課程教學，培養起學生過硬的實踐技能以及相應的崗位適應能力。高等職業院校機械類專業教學尤其應注重培養學生熟練的操作技能，使學生在學校學習階段就能夠接觸甚至學會工作中需要具備的各種能力，因此對于高職機械類實驗實訓課程進行分析很有必要。

2.1 實驗實訓課程與理論課程相比，仍屬于從屬地位，重視程度不夠，體系也不夠完善

對于很多學生甚至教師來說，課堂理論知識教育才是正規的教育教學模式，是知識的主要獲取渠道，而實驗實訓課題只是理論知識的補充和實踐，是配套工程，首先就在心理上重視不夠。在學校方面，對于理論教學往往都有明確的考核指標和獎勵辦法，而對于實驗實訓課程，則缺少相應的規定文件。不利于老師們進行實驗實訓課程的探索。另外實驗實訓教學體系并不完善，體現在對于高職院校教學評價中，實驗實訓課程的考察僅僅占30%左右。

2.2 實驗實訓課程所需要的軟、硬件設施不夠完善

對于機械類專業實驗實訓課程來說，正常的開展實踐教學活動往往需要完善的軟、硬件設備。但是由于高職院校的大量擴招和教育投入經費的減少，使正常教學需要的實驗實訓教學設施非常緊張。雖然知道自己需要所需的實驗設備對于學生的培養具有重要作用，但是高昂的軟硬件成本使很多高校心有余而力不足，只能用理論課替代或者用視頻展示。

3 虛擬現實技術在高職機械類實驗教學中的應用探討

3.1 新的教學模式可以激發學習熱情，打破時空限制

機械類專業課程如“機械原理”“機械設計”“機械制造技術”等都是具有較強的理論性和實踐性，僅僅依靠理論課程的講解難以激發學生的興趣，與傳統的機械理論教學相比，虛擬現實技術的加入可以增強機械類課程實驗教學的生動性，給學習者帶來放松、感興趣等積極情緒，進而激發學習熱情。比如齒輪失效的實驗中，失效形式有齒面點蝕、齒面磨損、齒面折斷、齒面膠合、塑性變形等5種形式，僅依靠文字講述，對于學習者來說會比較枯燥，如果理解不夠徹底，概念容易混淆，而用虛擬現實技術構建這五種失效場景，模擬齒輪從正常狀態由于某種原因逐漸形成這五種失效形式。會給學生一個更加直觀的學習感受，激發學習興趣，加深理解記憶。用虛擬現實技術搭建機械類實驗平臺，模擬真實的教學和訓練環境，使教學不僅僅局限于室內課堂的教學中，而是能夠隨時隨地且能重復的進行參與。而且在實驗平臺搭建所需要的素材能夠免費、實時的共享，避免資源的浪費，提高教學效率。

3.2 可以降低實驗成本，提高實驗教學質量，甚至達到現實實驗無法完成的教學目的

由于機械類專業的實驗設備成本往往都較高，做一次實驗代價太大或者所需的時間太長等。而利用虛擬現實技術來進行實驗教學項目的設計和實施，可以較好地解決這些問題。用戶首先根據需要進行虛擬場景的搭建和模型的建立，然后根據實驗原理設置場景中各個要素之間的邏輯關系和運動關系。最后通過設備與虛擬場景進行交互，利用虛擬現實技術的沉浸感和交互性完成實驗。比如利用虛擬現實技術完成某數控機床加工零件的實驗，主要分為實驗設備結構認知、實驗原理演示、實驗操作及程序的編寫和實驗實施等4個模塊。在實驗設備結構認知模塊中，可以利用虛擬現實技術實現實驗中各個部件的拆卸和裝配，對每個部件的功能進行單獨的介紹說明，以及工作中運動傳遞的演示。而在現實實驗中很難實現數控機床的拆裝和內部結構分析;在實驗原理演示模塊中，通過輸入系統輸入指令，控制機床主軸及進給等執行機構運動，完成工件的加工，結合三維動畫演示比純理論講解的實驗原理更容易為學生理解和接受。在實驗操作及程序的編寫模塊中，可以進行程序的編寫或者導入，而且可以增加程序自檢測功能防止誤操作。在實驗實施模塊中可以觀看工件的具體加工過程，還可以設置時間進度，相比于現實中的加工，可以更加細致和快速地看到實驗過程。

3.3 有利于降低實驗風險、以及應用于特殊的實驗場景

有些機械類實驗實訓課程存在安全風險或者實驗本身在特殊的環境中。比如電梯的安裝和維修，可以利用計算機輔助設計技術建立電梯的三維模型，對于電梯容易出現故障的零件進行標注和故障解決的措施的介紹，利用虛擬現實技術搭建施工作業的場景，并注明場景中的風險點和注意事項，再結合動畫技術和外部接入設備，實現操作者與虛擬場景中的電梯各個部件進行交互式安裝和維修。而有些實驗則處于特殊的工作環境當中，比如需要在太空作業如哈勃望遠鏡的檢修任務[4]，需要在高污染環境作業如核輻射區域的任務等。通過虛擬現實系統的開發，在該虛擬環境中進行全方位的培訓以達到熟練掌握完成任務的能力。能有效預防作業風險，減少培訓費用和周期，并且能提高任務完成的成功率。

3.4虛擬現實技術在機械類實驗教學中不足以及對策研究

目前，雖然機械行業具有應用虛擬現實技術多種有利條件，并且上文也介紹了虛擬現實技術的引入能克服傳統教學模式的某些不足，但是由于利用虛擬現實技術構造出來的都是一個個虛擬的世界，與現實環境還是存在一定的差距。如數控機床加工零件，最終產品的形成還要受裝夾、溫度、潤滑、切屑處理等很多實際的因素影響，而這些因素都是在虛擬環境中容易被忽略或者難以進行有效模擬的。另一方面虛擬現實技術應用于教學需要大量專業類課堂素材，而由于經濟效益的關系，大多數軟件公司將重點放在游戲等領域，真正做教育的大型VR技術公司還不多，從而限制了老師們在課堂上使用與教學內容相匹配的素材。再就是虛擬現實技術應用于教學畢竟是一宗新的模式，還沒有明確行業規范，各個軟件公司各種設備間也沒有統一的標準。導致大都是各自為戰，質量參差不齊，影響行業的進一步發展。

針對虛擬現實技術在機械類實驗教學中的不足，以下提出了幾條對策：一是需要結合機械類課程深入的開發虛擬現實技術，使虛擬環境下的實驗盡量與真實實驗數據相吻合，擁有高度的逼真感一方面提高學生的學習積極性，另一方面也增加了實驗的科學性和準確性。二是機械類教學實驗需要具體教學的老師和軟件公司共同合作開發適合教學內容的素材，發揮學校教學優勢和企業技術開發的優勢，加強校企合作，共同高質量地完成教學素材的開發。三是虛擬現實技術要能很好的應用于機械類實驗教學離不開國家相關部門的項目和資金支持，同樣也離不開政策支持，統一的標準、積極的配套政策的出臺一定能促進整個行業的發展。

4 結語

隨著虛擬現實技術不斷發展，與機械類教學實驗的開發更加深度融合，不斷滿足課程改革和高技能人才培養的需求，對實驗類教學模式的探索具有很好的應用價值。

參考文獻：

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【通聯編輯：朱寶貴】