基于虛擬現實的工程實踐教育探究

蔡寶 朱文華 顧鴻良 劉賽

摘? 要：虛擬現實是變革教學方法改善教學效果的重要手段和途徑，尤其可應用在高等工程實踐教育中。將虛擬現實技術融入工程實踐教學中，使得傳統的工程實踐教學平臺擴展為虛實結合、理實一體化、實踐課程多層次的教學平臺。闡述了虛擬現實關鍵技術中的立體成像原理及性能特點，建立了基于虛擬現實技術的工程實踐課程體系，形成了層次化、模塊化的虛擬現實工程實踐課程，并在新冠疫情防控背景下嘗試采用互聯網+虛擬現實技術進行線上實踐教學，取得了初步的教學成果。實踐證明，虛擬現實技術能夠克服傳統工程實踐教育的諸多不足，拓展了工程實踐教育的教學理念。

關鍵詞：虛擬現實;工程實踐教育;立體成像原理;虛實結合

中圖分類號：G640? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）03-0084-05

Abstract： Virtual reality is an important means to change teaching methods and improve teaching effect， especially in higher engineering practice education. By integrating virtual reality technology into the engineering practice teaching， the traditional engineering practice teaching platform is expanded to a multi-level teaching platform of virtual reality combination， theory reality integration and practice curriculum. The principle and performance of stereo imaging in the key technologies of virtual reality are described， and the course system of engineering practice based on virtual reality technology is established， what is more， a hierarchical and modular virtual reality engineering practice course has been formed， under the background of new crown prevention and control， we tried to use Internet plus virtual reality technology to carry out online practice teaching， and achieved initial teaching results. Practice has proved that virtual reality technology can overcome many shortcomings of traditional engineering practice education and expand the teaching concept of engineering practice education.

Keywords： virtual reality; engineering practice education; principle of stereo imaging; combination of virtuality and reality

引言

教育信息化是新時代教育改革的發展趨勢和必然要求，國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）中指明：信息技術對教育發展具有革命性的影響，必須予以高度重視[1]。虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）作為近年來重點發展的熱點技術，其沉浸性、交互性、想象力、多感知性的特點充分滿足了教育現代化建設的需要，教育部自2013年開始認定虛擬仿真實驗教學示范中心建設成果，目前國內諸多高校積極推進高等學校虛擬仿真實驗室建設[2-3]。

張枝實[4]研究表明VR技術能協助學習者更好地應對未來教育所面臨的學習環境、學習方式等挑戰。顧鐵鳳[5]針對力學教學構建實踐、仿真、理論一體的新體系。郝翠霞[6]提出基于虛擬仿真技術的工業機器人實訓課程的教學方案。嚴褒[7]使用VR（VR）技術對工業產品進行外觀建模。趙雅[8]將虛擬現實技術和慕課應用于醫學專業人才培養中。

目前針對VR的實踐教學研究較多，但少有較為全面的成體系的虛擬仿真課程體系形成，本文以建設虛擬仿真實踐教學課程為例，以虛實結合、能實不虛、理實一體化為指導思想，以機械類工程訓練實踐課程為依托，以VR立體顯示理論為基礎，以VR為技術手段，對工程實踐課程進行一系列改革，開發課程體系全面的VR實踐課程。

一、基于VR的實踐教學特點

基于VR的教學模式主要可突破以下教學難點：

1. 自然條件下無法實現的，一般而言對于地理自然中的星球運行演示、火山噴發等無法身臨其境的現象，通過虛擬手段展現。

2. 現實存在，但無法詳細觀察的，例如生物學中細胞的成長和分裂等可通過虛擬手段展現。

3. 成為歷史，回不去的場景，例如物種的凈化，歷史事件的再現等。

4. 實驗內容不可逆，不能反復，諸如動物的解剖、核反應過程等，可通過虛擬手段展現。

5. 實驗操作過于危險，不夠安全。

諸如爆炸試驗、電子電路實驗等，具有危險性的實驗亦可通過虛擬手段展現。

基于VR的實踐教學有別于傳統的PPT式課堂教學和互聯網MOOC網絡課程教學，它是借助計算機圖像顯示技術，是一種啟發式、自主式學習方式，尤其可應用在具有實踐性質的工程操作教學課堂。VR技術與機械類工程實踐教育相結合體現出以下諸多特性：

（一）保證安全性

機械類工程實踐主要包括車床、銑床、加工中心等機械加工技術訓練，傳統的實踐課程具有一定的危險性，機床在運轉工作時具有潛在的操作危險性，時常會有誤操作危害學生安全的事故發生[9]，而虛擬仿真的實踐訓練能夠很好地避免實踐教學課程中學生的麻木操作而造成的危害，且學習效果往往能夠好于傳統實踐課程。近年來高等學校虛擬仿真實驗室建設的初衷就是基于此基礎之上，在保證學生的安全性前提下豐富和發展課程內容。

（二）大工程概念教學普及性

中國制造2025是中國政府實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領，要求在2025年進入制造強國行列[10]，其中智能制造技術作為主要支撐技術，必須在教育教學中進行廣泛普及，智能制造中激光加工、金屬特種加工，機器人焊接等工藝，在此類智能制造的實踐教學環節，高校大都受到場地、設備、師資等多方面因素限制，不能很好地開展智能制造方面的課程內容學習[11]，而虛擬仿真技術可將智能制造諸多生產線虛擬化，將真實制造過程借助圖像處理技術呈現，并可對其進行交互式學習，而不是普通的畫面呈現，這樣花費相對較少的人力物力便可開展大工程實踐課程教學，這是近年來虛擬仿真實驗室建設方向及重點，虛實結合、能實不虛是原則。

（三）工程實踐教學內容多層次性

大多數高校將機械類工程實踐課程列為必修課程，是大多數學生必選的實踐課，融合了VR技術的工程實踐課程可適用于不同年級不同專業學生的不同需求，可在授課內容的難易程度上做到很好區分，實現了分層次的教學目的。VR實踐課程不受場地、資源限制，所以教學內容具有很大的彈性，可根據具體專業需求區分教學內容難易，實踐內容可更好地與理論學習內容相匹配。

（四）技術更具推廣性

VR實踐課程可與互聯網技術結合，特別是在線課程學習，使其具有很強的社會推廣價值[12]，任何人都能通過互聯網學習上課內容，有別于傳統的MOOC互聯網課程，學習者只需要登陸相應的網站下載虛擬仿真執行文件便可進行在線課程學習，且與傳統的互聯網課程不同，虛擬仿真的教學系統具有互動性，可全方位地考核學習效果。

二、立體顯示成像原理及特點

VR作為實踐教育信息化的主要實現手段，首先必須了解其技術本身的原理和特點。

（一）VR立體成像原理

立體成像原理如圖1所示，固定點F通過固定雙目映射為對象X和對象Y，圖像刺激雙眼對應的視網膜點，并產生了融合，對象X落于Panum融合區，對象Y處在Panum融合區外，還帶有一個交叉視差。因圖像來自視野中不同物體的Z圖像，從而導致雙眼競爭，形成立體顯示效果[13]。

典型的VR技術不僅存在超高的立體顯示效果，還具備可追蹤的交互式立體顯示，其附加傳感器對于跟蹤用戶的頭部和手/手臂位置的物理顯示起到了交互的作用，同時又能感測用戶頭部的位置允許新的沉浸深度信息在顯示器上創建和呈現，這些信息還包括超出雙眼視差的信息，這個新的深度信息被稱之為運動視差，它可以被添加到雙目視差中，并且已經存在于顯示器中。運動視差在雙目視覺中的優勢視差是增加觀看舒適度和提高沉浸感的質量和意識。

綜上所述，交互式立體顯示比非交互式立體顯示具有顯著優勢，因為交互顯示允許創建運動視差，以及創建一個直接產生本體感覺線索的操作界面。同時在運動視差和本體感覺之間，這是唯一可能的，交互式立體顯示，可以增強顯示的深度感和和增加觀看舒適度，這個同時應該允許我們的直覺推理系統從信息中做出合理的理解。

（二）立體顯示關鍵特點

立體顯示可以認為是一種認知增強顯示，其在工業、醫學、政府和教育中的應用特別重要，以下是其關鍵的特點總結：

1. 使用者在虛擬情景中可與復雜對象、概念和數據進行交互，注重培養學習者的認知和直覺能力。

2. 立體圖像在開放空間中與真實物體相似的真實感，可提供非常逼真的立體真實感，學習者的沉浸感增強。

3. 與三維對象和數據的精確、快速和靈活的交互，可通過交互筆操作，與虛擬立體環境中感應射線對應，增加了虛擬環境的真實感。

4. 對抽象的可視化和概念的快速理解，不僅可立體顯示，還可對抽象的概念進行可視化理解，增加了學習效率。

國外對融合VR技術的教育過程已形成了STEAM教育教學理念，即科學、技術、工程、藝術、數學五位一體的教學理念，這代表著一種現代的教育哲學。綜上所述，國內教育依據VR技術進行一系列的虛擬仿真教學改革勢在必行。本文便是在深入了解VR立體成像的原理和概念基礎上進行教育教學應用，進行實踐教學課程改革。

（三）基于VR的STEAM教育

STEAM教育就是集科學，技術，工程，藝術，數學多學科融合的綜合教育，是一種教育理念，有別于傳統的單學科、重書本知識的教育方式。STEAM是一種重實踐的超學科教育概念。任何事情的成功都不僅僅依靠某一種能力的實現，而是需要介于多種能力之間，所以單一技能的運用已經無法支撐未來人才的發展，未來需要的是多方面的綜合型人才，從而探索出STEAM教育理念。

VR技術對STEAM教育的影響：

1. 影響教學模式

改變傳統的教師主宰課堂、學生被動接受、缺乏創新思維的教學模式。VR技術能提供立體可視化的友好桌面、形象直觀的交互式學習環境，能提供圖文、聲像并茂的多種感官綜合刺激，激發學生的學習興趣。

2. 影響教學手段

啟發式教學：通過身臨其境的、自主控制的人機交互，由視覺、聽覺、觸覺獲取，提供生動、有趣的直觀形象思維素材、展現學生不能直接觀察到的事物等，形成知識點。學生從思維、情感和行為等多方面地參與教學活動。

探究式教學：以解決問題為中心的教學形式，在實訓教學中可以讓學生進入問題存在的環境，有針對性地建構虛擬情境，引導學生進行探究。能提供良好的人機交互，允許學生出錯，自行了解錯誤的跟由及后果，積極主動地探尋解決問題的方法。

3. 影響學習方式

VR可以創設一個人性化的虛擬學習環境和沉浸式教學模式，使教學的氣氛更加活躍、自然、親切。

VR技術是多種先進技術的應用和多學科知識的匯聚與融合，是STEAM教育的較佳載體，學生通過主動探索、動手實踐、創新設計、跨界融合來學習新知識和掌握新技能，拓展發散性思維，迸發出更加豐富的創新火花。

三、虛實結合的工程實踐課程體系

本文以虛擬仿真為技術依托的工程實踐課程體系已初步健全，既有針對單體設備的工程實踐虛擬仿真課程，同時也開設工業生產系統的仿真實踐教學，下面簡單闡述其中較為典型虛擬仿真課程內容。

如圖2所示的虛實結合的工程實踐課程體系，對于機械單體設備，開發了虛實結合的減速器、激光焊接、普通機床和數控機床實踐課程，對于工業生產系統開發了智能制造實踐、數字化生產實踐和工業節能仿真課程。

（一）《虛實結合的減速器工程訓練》課程

使用VR設備開發的虛擬減速器拆卸裝配系統[14]，配合實際減速器拆裝學習內容，體現了虛實結合、能實不虛的教學思想，課程作為本科學生進行VR實踐課程探索，通過不斷地完善和優化，授課兩年來取得了較好的學習效果。此外虛擬減速器拆卸裝配系統還開發了增強現實效果，增強現實在工程實踐課程的最大優勢便是，使得學生學習的內容能夠實時與別人分享，如圖3所示，虛擬減速器箱體零部件可實現“跑出”屏幕的效果，大大豐富了課程的知識體系和趣味性。

傳統的減速器工程訓練只是對實體減速器進行拆裝訓練，實際授課過程中往往存在教師人員少、設備損壞過多，教學秩序混亂等問題，而融入VR的減速器拆裝課程可有效解決上述問題。

（二）《虛實結合的機床工程訓練》課程

傳統的機床工程訓練課程均以實際操作為主，學生在做生產實習時，由于機床數量有限，實習場地較小，通常是一堆人圍著教師或者一臺機床進行授課，而融入VR技術后，學生首先在VR設備上學習仿真機床基本知識，包括機床設備的組成，機床加工的基本步驟、機床加工實例演示等內容，而后在實際機床上再進行機床加工操作學習。同時為了方便教師操作給學生演示，如圖4所示，開發了VR設備與普通裸眼立體顯示跨屏顯示系統[15]，學生可觀看教師虛擬仿真操作內容，大屏幕顯示的是裸眼立體操作畫面，畫面與教師機設備操作內容實時同步，增強了虛擬學習效果。

（三）《數字化生產實踐》課程

普通機械生產車間加工設備眾多，為了使學生全面了解生產設備的布置情況，開發了虛擬車間布局系統，配合《數字化生產實踐》課程使用，根據機床設備的使用特性，機床與機床間存在安全的擺放距離，傳統教學中不能輕易挪動機床設備，而虛擬仿真教學不僅能立體呈現車間場景，還能查看機床設備的擺放情況，計算設備間的相互擺放距離。

自工業4.0概念提出以來，數字化生產實踐課程有著更為重要的作用，它改變了單體設備的簡單操作教學內容，能將所有設備進行系統的組合和排布，使學習者能夠具備大工程概念而非簡單的設備操作方法。

（四）《智能制造實踐》課程

智能制造實踐課程主要針對機械專業本科學生，重點介紹工業機器人的生產裝配作業過程，工業機器人（機械手）的操作方法，工業機器人的動作編寫程序等內容，ABB工業機器人在一個工位上對零部件進行裝配，智能制造虛擬仿真系統可對機器人動作進行仿真教學，由于現階段機器人設備造價昂貴，實際教學過程中不能保證每一個學生單獨操控機器人，所以同時開發的工業機器人虛擬仿真學習系統，主要配合實際機器人教學環節，學生首先在VR設備中進行機器人虛擬仿真學習，而后進行實踐演練操作，虛實結合的教學過程能夠使學生更全面了解學習內容。

此外虛擬仿真實驗室還開設有電動機、水泵、風機節能虛擬仿真課程，循環冷卻水系統節能仿真課程，自行車工業設計仿真課程，此外還設有虛擬校園漫游體驗系統，讓學生全面體驗校園文化。全面的虛擬仿真課程真正做到了系統的分層次分專業式模塊化教學，形成了以機械專業為主體，文理學科綜合的虛擬仿真教學體系。

四、結束語

通過對立體顯示成像原理的深入闡述，總結了虛擬技術應用于教學的可行性，并介紹了其在高等工程教育的諸多課程應用實例。實踐證明：工程實踐教育進行虛擬仿真教學研究具有很強的必要性，學?？筛鶕虒W大綱要求，將虛擬仿真教學內容分為通識基礎類課程和實踐必修類課程，通識基礎類課程可對非本專業學生進行實踐教學，而實踐必修類課程針對本專業學生展開，使仿真學習內容更具有層次性和系統性。尤其是在此次新冠疫情防控背景下，基于VR的線上工程實踐教育完全替代了線下操作練習，這體現了虛擬技術在時間和空間上的巨大優勢。

近五年來VR技術在教育教學上的作用愈發明顯，但技術終究只是教學的輔助工具，如何做到將VR技術與教學內容高度匹配是今后探究的其中一個研究重點和方向，能實不虛、虛實結合是重要原則，虛擬技術能將啟發式教學上升到新的高度。

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