淺談VR技術(shù)在機(jī)電類專業(yè)中的應(yīng)用

方濤++梅曉榮

摘 要：目前VR技術(shù)在諸多社會(huì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其在職業(yè)教育教學(xué)領(lǐng)域中，VR技術(shù)所提供的直觀性、沉浸性、互動(dòng)式的教學(xué)體驗(yàn)，對(duì)依附于傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)施設(shè)備上的教學(xué)模式、教學(xué)手段和教學(xué)理念帶來了巨大的沖擊。本文對(duì)如何在機(jī)電類專業(yè)中利用VR技術(shù)進(jìn)行教學(xué)改革，并對(duì)如何促進(jìn)VR技術(shù)與機(jī)電類專業(yè)建設(shè)相結(jié)合進(jìn)行了一些探討。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；機(jī)電類專業(yè)；理論教學(xué)；實(shí)訓(xùn)教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.145

目前VR技術(shù)作為一種新型的教學(xué)手段已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于職業(yè)教育教學(xué)中，針對(duì)機(jī)電類專業(yè)教學(xué)中某些理論知識(shí)、結(jié)構(gòu)原理難懂難學(xué)，而學(xué)生基礎(chǔ)薄弱、學(xué)習(xí)積極性不足的矛盾，VR技術(shù)所具有的良好交互性、直觀性、場景逼真性等優(yōu)勢(shì)，很好地解決了教與學(xué)面臨的困境；同時(shí)VR技術(shù)也能一定程度上解決機(jī)電類專業(yè)實(shí)訓(xùn)實(shí)踐內(nèi)容對(duì)場地、材料、設(shè)施設(shè)備、人員等的限制性要求，這對(duì)專業(yè)建設(shè)面臨資金不足、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備不夠完善的學(xué)校提供了解決方案。

1 VR技術(shù)概述

1.1 VR技術(shù)概念與特征

VR技術(shù)集成計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)，是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的一種人為虛擬的環(huán)境，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測(cè)周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用。

VR技術(shù)具有以下主要特征：

（1）沉浸性 使用者完全融入虛擬環(huán)境，并且認(rèn)為該環(huán)境是真實(shí)的，自己就是該環(huán)境的一個(gè)組成部分，使用者由觀察者的角色轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)參與者，具有主導(dǎo)性。

（2）交互性 改變傳統(tǒng)人機(jī)交互利用鼠標(biāo)和鍵盤的一維、二維交互模式，利用人在客觀世界中的實(shí)際動(dòng)作，借助特殊虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行交互，產(chǎn)生和真實(shí)世界一樣的感知。

（3）想象性 虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅是一個(gè)軟件一個(gè)平臺(tái)，其能突破時(shí)間和空間，進(jìn)入宏觀或者微觀世界，讓使用者完成在現(xiàn)實(shí)中由于各種條件制約而難以完成的事情。

1.2 VR技術(shù)分類

根據(jù)用戶參與虛擬現(xiàn)實(shí)的不同形式以及沉浸的程度不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可分為三類。

（1）桌面式 利用個(gè)人計(jì)算機(jī)或圖形工作站等設(shè)備，產(chǎn)生虛擬場景，通過位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、力反饋器、三維鼠標(biāo)或其它手控輸入設(shè)備，將計(jì)算機(jī)的屏幕作為觀察虛擬世界的一個(gè)窗口，在一些專業(yè)軟件的幫助下，參與者可以在仿真過程中設(shè)計(jì)各種環(huán)境。

（2）沉浸式 通常采用頭盔式顯示器、洞穴式立體顯示等設(shè)備，利用空間位置跟蹤定位設(shè)備、數(shù)據(jù)手套、其他手控輸入設(shè)備、聲音設(shè)備讓使用者沉入其中。

（3）共享式 是一種基于網(wǎng)絡(luò)連接的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它將多個(gè)用戶通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時(shí)參加一個(gè)虛擬空間，達(dá)到協(xié)同工作的目的。

2 VR技術(shù)在機(jī)電類專業(yè)中的應(yīng)用

2.1 理論教學(xué)中的應(yīng)用---VR課堂

理論課堂教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要途徑，VR技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電類課堂教學(xué)主要是依據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容而采取不同的實(shí)現(xiàn)形式。

（1）VRPPT應(yīng)用 機(jī)電類專業(yè)課程中，如機(jī)械原理、液壓與氣動(dòng)原理等涉及原理、概念等的內(nèi)容，如果依據(jù)傳統(tǒng)的課件、視頻學(xué)生難以理解，借助VRPPT使老師從傳統(tǒng)的二維PPT教學(xué)轉(zhuǎn)化成3D 教學(xué)，依托桌面虛擬顯示平臺(tái)與3D 投影相結(jié)合，讓平面物體可視化，這樣學(xué)生和老師就能真實(shí)感受機(jī)械系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理及實(shí)踐應(yīng)用，能促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。

（2）VR視頻應(yīng)用 機(jī)電類課程涉及到實(shí)物展示、加工維修、拆裝等內(nèi)容通常利用圖片、視頻或者真實(shí)物體來進(jìn)行教學(xué)，例如機(jī)械制圖課程中組合體讀圖、零件結(jié)構(gòu)認(rèn)知、裝配結(jié)構(gòu)認(rèn)知等，由于學(xué)生位置角度和參與度或者實(shí)物不方便拆卸等因素的限制使教學(xué)效果大打折扣。通過VR技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)與實(shí)物同樣的三維物體，如可采用3dsMAX建模，在VRML播放器中使用，或者利QUICKTIME VR等進(jìn)行形象、生動(dòng)、直觀的教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣會(huì)有極大提升。

一般而言，傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)中利用VR技術(shù)進(jìn)行輔助教學(xué)，要課程資源兼容普通電腦和VR 設(shè)備，教師可通過普通電腦進(jìn)行編輯，然后導(dǎo)出編輯內(nèi)容到VR 設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)VR 課堂從編輯到授課。

2.2 實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用----VR實(shí)訓(xùn)室

VR技術(shù)在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用是該技術(shù)和職業(yè)教育相結(jié)合的最主要表現(xiàn)形式。VR實(shí)訓(xùn)室依托虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)施設(shè)備以及配套的機(jī)電類專業(yè)課程實(shí)訓(xùn)VR 軟件，可以完成傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)難以達(dá)成的一些項(xiàng)目并取得良好效果。

（1）彌補(bǔ)資金不足，實(shí)訓(xùn)設(shè)備陳舊落后。機(jī)電類專業(yè)的特殊性，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)設(shè)施設(shè)備價(jià)格高昂，占地面積巨大，學(xué)校資金不足，不能及時(shí)更新?lián)Q代導(dǎo)致學(xué)非所用，學(xué)校甚至租用、借用設(shè)施設(shè)備進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果。利用VR技術(shù)創(chuàng)造生產(chǎn)現(xiàn)場模擬的實(shí)踐環(huán)境，實(shí)訓(xùn)教學(xué)不再受場地、設(shè)備限制，滿足教學(xué)的實(shí)際需求。

（2）突破時(shí)空限制，實(shí)訓(xùn)更形象直觀。機(jī)電類實(shí)訓(xùn)過程中，采用VR技術(shù)可以打破時(shí)間和空間的限制，模擬還原某個(gè)情境或者場景。例如，電工課程中的，觸電急救課程，在現(xiàn)實(shí)條件下無法完成，學(xué)生通過操作VR 設(shè)備，可以進(jìn)行現(xiàn)場虛擬實(shí)訓(xùn)，作為真正實(shí)訓(xùn)前的“預(yù)實(shí)訓(xùn)”。

（3）學(xué)生自主選擇，實(shí)訓(xùn)可重復(fù)。利用VR技術(shù)，學(xué)生自助選擇實(shí)訓(xùn)模塊及次數(shù)，增強(qiáng)實(shí)訓(xùn)效果，不產(chǎn)生耗材成本問題。例如大型機(jī)械的拆裝，利用VR技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型以裝配圖和爆炸圖的形式出現(xiàn)， 同時(shí)又能滿足機(jī)械維修訓(xùn)練， 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的反復(fù)拆裝模擬。

（4）避免風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)訓(xùn)更安全 。VR技術(shù)可以避免實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中的危險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)，提升實(shí)訓(xùn)效率，同時(shí)節(jié)約實(shí)訓(xùn)成本。例如，電工電子實(shí)訓(xùn)中，電流熱效應(yīng)帶來的爆燃，學(xué)生誤操作導(dǎo)致設(shè)備損壞、觸電風(fēng)險(xiǎn)等。在焊工實(shí)訓(xùn)中，不需要真實(shí)焊機(jī)的情況下，VR設(shè)施設(shè)備將焊接演練過程中焊槍的位置、速度和角度等進(jìn)行采集處理，并實(shí)時(shí)生成虛擬焊縫。

2.3 實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用----實(shí)訓(xùn)基地

VR實(shí)訓(xùn)基地的打造，可以解決機(jī)電類專業(yè)面臨的校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)基地?cái)?shù)量不足、質(zhì)量不高，校企合作很難實(shí)質(zhì)性融入，學(xué)校投入難、學(xué)生實(shí)踐管理難等問題。機(jī)電類VR實(shí)訓(xùn)基地是一個(gè)集多個(gè)專業(yè)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)、VR 資源開發(fā)、VR 人才培訓(xùn)、參觀體驗(yàn)展示四大功能于一體的基地。

基地大致布局為：圍繞綜合功能分區(qū)、硬件建設(shè)及VR 教學(xué)實(shí)訓(xùn)軟件與配套教學(xué)資源的安裝與部署等建設(shè)需求，含六大區(qū)域，即專題展示區(qū)、全景教學(xué)區(qū)、桌面實(shí)訓(xùn)區(qū)、沉浸體驗(yàn)區(qū)、體感交互區(qū)及虛擬仿真區(qū)。

基地基礎(chǔ)功能是：

（1）多專業(yè)綜合實(shí)踐平臺(tái) 基地根據(jù)不同課程配備相適應(yīng)的桌面式、頭盔式、體感式等各類虛擬交互設(shè)備，以各專業(yè)人才培養(yǎng)方案為依據(jù)定制開發(fā)VR 軟件、資源等內(nèi)容，可全面滿足機(jī)電類專業(yè)的實(shí)踐需求。

（2）VR 人才培訓(xùn)平臺(tái) 結(jié)合機(jī)電類專業(yè)教師資源、課程資源，可承接周邊院校學(xué)生及社會(huì)人士的VR 技術(shù)技能培訓(xùn)，不斷滿足社會(huì)對(duì)VR 領(lǐng)域人才的需求。

（3）VR 資源開發(fā)平臺(tái) 基地和校企合作單位、VR技術(shù)開發(fā)企業(yè)等合作開發(fā)VR 教學(xué)資源，老師參與共同研發(fā)VR 軟件和配套資源及承接相關(guān)VR 資源開發(fā)需求；學(xué)生可獲得實(shí)習(xí)實(shí)踐崗位。

（4）VR展示體驗(yàn)平臺(tái) 基地對(duì)本地中小學(xué)生、企事業(yè)單位開放，學(xué)校對(duì)VR 技術(shù)應(yīng)用、實(shí)踐的成果展示，作為學(xué)校創(chuàng)新職業(yè)教育發(fā)展品牌的傳播窗口。

3 VR技術(shù)對(duì)機(jī)電類專業(yè)建設(shè)的要求

（1）教育教學(xué)理念轉(zhuǎn)變 教師要對(duì)VR新技術(shù)的應(yīng)用有積極的態(tài)度，要不斷更新和完善人才培養(yǎng)方案，能把新技術(shù)融入到人才培養(yǎng)的知識(shí)目標(biāo)、技能目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)中。特別是要善于將機(jī)電類專業(yè)知識(shí)、資源等通過VR技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，不斷發(fā)現(xiàn)和研究實(shí)踐中遇到的問題，把教師在傳統(tǒng)設(shè)施設(shè)備上依附的演示者角色向VR技術(shù)中要求的指導(dǎo)者角色轉(zhuǎn)換，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)。

（2）教育教學(xué)內(nèi)容重構(gòu) 根據(jù)VR技術(shù)的特點(diǎn)重新架構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，一般而言，機(jī)電類專業(yè)涉及到的理論、原理等復(fù)雜深?yuàn)W的知識(shí)或者機(jī)械加工技能訓(xùn)練、機(jī)械裝置拆裝技能訓(xùn)練等課程可以采用桌面式設(shè)施設(shè)備進(jìn)行教學(xué)，對(duì)于因時(shí)間、空間限制無法講清的內(nèi)容，可采用沉浸式設(shè)施設(shè)備進(jìn)行講授等，通過教師參與設(shè)計(jì)教學(xué)資源，選擇恰當(dāng)?shù)奶摂M現(xiàn)實(shí)設(shè)施設(shè)備，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案。

（3）教育教學(xué)管理創(chuàng)新 VR技術(shù)應(yīng)用使得傳統(tǒng) “師生互動(dòng)、生生互動(dòng)”課堂結(jié)構(gòu)增加了兩個(gè)變量“教師與設(shè)備互動(dòng)、學(xué)生與設(shè)備互動(dòng)”，這對(duì)教師的教學(xué)管理提出了更高的要求，如何使學(xué)生適應(yīng)并善于利用VR技術(shù)進(jìn)行有別于傳統(tǒng)教學(xué)模式的學(xué)習(xí)實(shí)踐亟待探索。

總之，VR技術(shù)應(yīng)用于職業(yè)教育當(dāng)中是信息技術(shù)和職業(yè)教育相融合的未來趨勢(shì)，其直觀、互動(dòng)、沉浸和可重復(fù)性等特性易于教師教學(xué)、易于學(xué)生學(xué)習(xí)，是機(jī)電類專業(yè)教學(xué)改革、創(chuàng)新發(fā)展的必由之路。

參考文獻(xiàn)：

[1]李敏，韓豐.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜述[J].軟件導(dǎo)刊，2010（06）.

[2]李姝博.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教育中應(yīng)用的理論研究[J].遼寧高職學(xué)報(bào)，2013（07）.

[3]韓勇.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子科技， 2010（12）.