基于VR技術的活塞發動機認知教學空間搭建

摘要：活塞發動機是一種精細且重要的儀器，其制造、安裝和維護都需要高水平的技術和專業知識；同時，活塞發動機的制造和維護也需要昂貴的設備。針對當下現狀，文章基于虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術設計并實現了活塞發動機認知的教學空間，利用VR技術模擬活塞發動機的結構和運轉過程，并提供用戶界面和交互功能，在虛擬環境中對活塞發動機進行認知教學，從而解決對真實航空活塞發動機的操作以及學習認知方面存在的“三高四不”即高成本、高風險、高難度、不可逆轉、不易達到、不易實現、不可觸及的顯性問題。

關鍵詞：工業發動機；VR技術；虛擬教學

中圖分類號：TM391.9中圖分類號文獻標志碼：文獻標志碼A

0引言

近年來，虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術在教育、娛樂、醫療等方面的應用都取得了令人矚目的成果。《教育信息化十年發展規劃（2021—2030年）》中也明確指出，深入推進大數據、VR、人工智能等新技術在教育教學中的深入應用，積極開展虛擬仿真實踐教學和實驗教學，創新多樣的教學方式方法［1］。在工程領域中，VR技術也被廣泛應用于產品設計、制造、測試和維護等方面。而對于活塞發動機這種機械設備，使用VR技術進行模擬、測試和培訓等方面的應用也逐漸受到廣泛關注。然而，目前對于基于VR技術的活塞發動機設備的認知教學演習較少，因此文章旨在探討基于VR技術的活塞發動機設備對用戶認知的影響。

在虛擬實驗中，VR技術可以提供具有真實感的虛擬實驗環境，研究者可以在其中進行實驗操作，體驗實驗過程和結果，而無需花費大量時間和成本進行實物實驗［2］。VR技術可以將計算機科學中的抽象概念和數據可視化為三維模型，讓學者更加直觀地理解和掌握所學內容。在交互式學習方面，VR技術可以提供具有交互性和沉浸式的學習環境，學者可以在其中進行互動式學習，例如：在虛擬場景中與人物或物品互動、模擬現實情境中的決策等。VR技術還可以提供獨特的學習體驗，例如：在VR環境中進行游戲式學習，通過沉浸式的方式增強學者的參與度和學習興趣［3］。

1活塞發動機教學面臨的問題

1.1傳統教學模式下教學的問題分析

目前，工業發動機教學展示圖大多為靜態的二維和三維圖紙，圖紙只能在有限的角度呈現，沒有辦法讓學者產生身臨其境的感覺，圖紙的制作方法相對陳舊，效果圖的制作欠缺真實感。傳統教學方法缺乏交互性，學生無法通過實際操作來深入理解活塞發動機的內部結構和運作原理。他們只能被動接收信息，而缺少主動參與的機會。

1.2主觀因素分析

活塞發動機的操作和學習存在高成本、高風險、高難度等挑戰，需要一種更安全、便捷、實踐機會豐富的學習環境。

高成本：實際操作和學習活塞發動機需要昂貴的設備和工具，例如：真實的發動機和維修工具。這增加了教學成本，并限制了學生的實踐機會。

高風險：在現實環境中，操作活塞發動機存在一定的風險，特別是對于初學者而言。錯誤的操作可能導致事故和損壞，增加了學習過程的風險和壓力。

高難度：活塞發動機的操作和維護需要高水平的技術和專業知識，對學生而言是一項挑戰，缺乏實踐機會和個性化指導使學生的學習過程更加困難。

因此，VR技術具有如下優勢。（1）提高學習效果，VR技術可以為學生提供高度沉浸式的學習環境，讓學生更深入地理解和體驗所學知識［4］。（2）增強趣味性。VR技術可以為學生提供具有趣味性和挑戰性的學習體驗，從而激發學生的學習興趣和動力［5］。（3）增加互動性。VR技術可以提供更多的互動機會和場景，使學者更加積極地參與到學習過程中，增強學習互動性和社交性［6］。（4）實現虛擬實驗。VR技術可以幫助學生在虛擬環境中進行實驗和模擬，減少實驗設備和材料的成本和限制，同時，降低了實驗過程中的風險和危險。

2應對教育挑戰：引入創新的基于VR的學習平臺

解決活塞發動機的操作和學習問題的關鍵在于提供一種新的教學方法，利用VR技術構建一個安全、便捷、實踐機會豐富的學習環境。文章以通用航空活塞發動機為例，通過建模軟件3D Max搭建發動機模型，利用VR編輯引擎IdeaVR進行腳本編輯實現人機交互，從而達到發動機模擬爆炸拆解組裝等功能，內置考題系統，形成了體系化的活塞發動機虛擬教學空間。

2.13D Max建模

3D Max是三維制作領域中最流行和廣泛使用的軟件之一，3D Max可以用于創建和編輯三維模型，支持多種建模工具和技術，例如：多邊形建模、曲面建模、NURBS建模等。3D Max還支持貼圖、材質、照明、動畫等多種功能，可以使用戶創建出逼真的三維場景和角色 。

通過3D Max三維建模軟件對活塞發動機模型進行建模，裝配活塞式發動機主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機構、螺旋槳減速器、機匣等組成。文章對所建模型進行簡化、減面等操作，保證后續交互仿真（拆解、認知）的需要；采用“自下而上、自左而右”的裝配思路進行裝配。活塞發動機模型如圖1所示。在虛擬裝配過程中，模型參數以產品的裝配尺寸與規格為基準。

2.2虛擬場景的構造與搭建

2.2.1場景內的燈光搭建

在VR虛擬場景的構建過程中，為使其更加接近于現實，文章需要添加IdeaVR光源庫的光源（定向光、全向光、聚向光、點光源）。虛擬光源庫如圖2所示。文章將場景模型部分材質球添加烘焙光照貼圖，調整光源的分布數量與位置角度，避免同一材質在不同位置的光照反射，多次改試燈光強度數值使得沉浸感受逼近于現實。

2.2.2活塞發動機模型的導入與優化

文章將3D max模型以FBX格式導出，在虛擬創世VR制作引擎中選擇資源導入命令。將模型逐一導入繼而搭建場景，如圖3所示。在導入過程中，面數、坐標軸信息、模型的幾何度都得到了完整地保留。為了達到更真實的效果，文章還需要為導入的模型選擇合適的材質，材質貼圖可以在IdeaVR自帶的材質庫中進行選擇。

3活塞發動機的編輯交互

3.1發動機做工的交互制作

在構建VR活塞發動機教學平臺的過程中，研究者應首要考慮活塞發動機模型的制作和動畫效果。活塞發動機模型的制作需要經過多個環節，包括骨骼創建、蒙皮、權重繪制、控制器綁定以及關鍵幀動畫等。這些步驟設置的目的在于創建一個逼真且流暢的動畫，以實現后續的互動交互功能。以活塞模型為例，首先需要將活塞模型導入IdeaVR引擎中，并為其創建1個AnimationPlayer節點。然后，將AnimationPlayer節點作為動畫數據的容器，其能夠存放多組動畫數據并實現各種簡單或復雜的動畫效果。最后，在為活塞模型建立動畫播放器的過程中，需要在動畫軌道上為節點的特定屬性設置關鍵幀，以定義節點屬性在某一時間點的值。這樣，文章通過設置關鍵幀，即可實現活塞模型在虛擬環境中的運動表現，進而實現發動機動畫形式的做工交互效果。

3.2發動機認知模塊的交互

在虛擬場景中，UI界面扮演著不可或缺的角色，其不僅能夠讓用戶在航空活塞發動機做功的過程中獲得沉浸式體驗，還能夠通過UI界面呈現活塞發動機的相關零件介紹、配置參數、型號等重要信息。文章通過將三維模型交互與UI界面的文字資料相結合，實現了圖文并茂的展示方式，為用戶提供了更深入、全面、沉浸式的認知維度。

在場景中，UI界面的設計與觸發顯得尤為關鍵。首先，用戶通過點擊UI畫布，在菜單窗口中選擇快速創建平面控件，從而創建一個紋理圖作為UI畫布下的子節點。接著，用戶在場景面板中找到平面控件的子節點TextureRect，在其屬性面板中導入所需的圖片紋理。由于UI界面的節點具有位置和大小屬性，同時也具備錨點和邊距，通過定義節點的錨點，用戶可以確定節點的位置和大小，進一步在布局按鈕中選擇保持長寬比的設置，然后在屬性欄中對UI組件矩形進行調試，以確保畫布可以鋪滿整個屏幕。最后，以TextureRect為節點，研究者創建一個Button組件，通過連接信號到Button來實現用戶觸發按鈕的交互操作，為用戶帶來更人性化的交互體驗。這種高端大氣的表達方式不僅使得用戶能夠在虛擬場景中輕松瀏覽活塞發動機的相關信息，同時也增加了用戶與虛擬環境的互動性，提升了整體的用戶體驗［7］。

3.3考試系統的搭建

為了形成活塞發動機學習、認知、演習和考試的閉環，該系統創建加入了考試復盤系統。當節點首次進入場景樹時，用戶利用IdeaVR可視化腳本進行編輯交互，利用模塊化的藍圖搭建主任務，通過每幀循環調用設置按下鍵盤“K”時發出答題面板，此過程需要在IdeaVR里建立動畫播放器實現，其中，按鈕Fution是切換到考試場景的媒介，復制考試場景在軟件當中的路徑，調用場景，從而實現答題場景的跳轉。答題場景跳轉腳本編輯交互的呈現如圖4所示。

4結語

文章通過建模與VR技術，設計并實現了一種活塞發動機認知模塊，旨在提供一種交互式的學習環境，以幫助用戶更深入地理解活塞發動機的結構和工作原理。文章首先利用3D建模軟件搭建了活塞發動機的精細模型，確保模型的準確性和真實感。然后，通過VR技術，將活塞發動機模型導入虛擬環境中，實現了對活塞發動機部件的高精度還原。與此同時，文章引入了答題系統，通過學習—認知—考試的閉環方式增加用戶對VR認知教學的興趣，加深對發動機的理解。用戶可以在虛擬環境中進行模擬操作，拆解和組裝活塞發動機，從而實踐所學知識。最后，文章考慮了場景的合理搭建與環境化渲染，以提供更真實的虛擬體驗，從而提高培訓效率。

未來，文章計劃將研究范圍擴展至其他專業的高精度工業設備，進一步優化解決實際存在的“高風險、高難度、低效率”問題，以使操作與實驗變得更加“可逆轉”“可到達”“可觸及”，實現“虛實”結合，提高用戶在工業設備操作認知和實踐能力方面的水平。

參考文獻

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［2］江玉珍.虛擬現實技術在計算機組裝教學中的應用研究［J］.電腦知識與技術，2020（16）：209-210，215.

［3］魏胡.虛擬現實技術在計算機課程教學中的應用［J］.集成電路應用，2022（10）：128-129.

［4］朱繼華，于賀春，王進.基于IdeaVR技術的車床虛擬仿真實驗教學的實現［J］.輕工科技，2022（6）：34-36，39.

［5］周建釗，王宇.VR技術在機械虛擬訓練的應用研究［J］.中國設備工程，2022（12）：26-29.

［6］耿凱輝.基于虛擬樣機技術的特種發動機零部件的設計研究［D］.西安：西北工業大學，2006.

［7］謝偉龍，王慧，劉奇，等.VR技術在動物園科普平臺中的應用與實現［J］.無線互聯科技，2023（1）：86-89.

（編輯王永超編輯）

Construction of cognitive teaching space for piston engines based on VR technology

GUO" Yanan， WANG Hui*， XIE" Weilong

（Erdos College of Applied Technology， Erdos 017000， China）

Abstract：" Reciprocating engine is a precise and important instrument， and its manufacture， installation and maintenance require a high level of technical and professional knowledge， while the manufacture and maintenance of reciprocating engine also require expensive equipment. In view of the current situation， this article designs and implements a reciprocating engine teaching space based on Virtual Reality （VR） technology， using VR technology to simulate the structure and operation of reciprocating engine， and provide user interface and interactive functions to teach reciprocating engine in a virtual environment， to deal with the operational and cognitive aspects of real aviation reciprocating engine， which are high cost， high risk， high difficulty and irreversible， an explicit problem that is not easy to achieve.

Key words： industrial engine; VR technology; virtual teaching