虛擬技術(shù)在機(jī)械專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用探討

孫金超

摘 要：改革傳統(tǒng)的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)手段，優(yōu)化實(shí)踐實(shí)訓(xùn)環(huán)境及方法，是提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的迫切要求。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種輔助教學(xué)手段，它改變了單一外部刺激的教學(xué)模式，有利于知識(shí)的獲取。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)虛實(shí)融合營(yíng)造智慧教學(xué)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者獲得真實(shí)的情境體驗(yàn)，能有效地促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展，使人們的認(rèn)識(shí)觀念、教育觀念發(fā)生根本性的變化，虛擬技術(shù)成為高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要手段。本文闡述了虛擬技術(shù)的特點(diǎn)，討論了虛擬技術(shù)在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)虛擬技術(shù)在近機(jī)械類專業(yè)教學(xué)、實(shí)踐中的應(yīng)用展開(kāi)探討，旨在為促進(jìn)近機(jī)械類專業(yè)教學(xué)有序開(kāi)展研究適用提供思路。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 體驗(yàn)教學(xué) 虛擬情境 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：TH11-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（c）-0207-03

Abstract：It is an urgent requirement to reform the traditional practical training methods and optimize the practical training environment and methods to improve the quality of applied talents training. As an assistant teaching method， virtual reality technology has changed the teaching mode of single external stimulus and is conducive to the acquisition of knowledge. Virtual reality technology creates a wise teaching environment through the virtual reality fusion， enables learners to acquire real situational experience， effectively promotes the formation and development of cognitive structure， and makes fundamental changes in people's cognitive and educational concepts. Virtual technology has become an important means of training applied talents in Colleges and universities. In this paper， the characteristics of virtual technology and the advantages of virtual technology in the process of theoretical teaching and experimental teaching was discussed. This paper discusses the application of virtual technology in the teaching and practice of the n mechanical specialty， aiming at providing ideas for promoting the orderly research and application of mechanical specialty teaching.

Key Words：Virtual Reality Technology； Experience teaching； Virtual situation； Practice Teaching

隨國(guó)際經(jīng)濟(jì)規(guī)律的變化及國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)升級(jí)進(jìn)程，對(duì)適應(yīng)現(xiàn)今國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的技術(shù)人才的培養(yǎng)要求逐漸提高，由于傳統(tǒng)教育模式與教學(xué)功能的局限和教學(xué)手段的落后及教學(xué)方法的單一導(dǎo)致我國(guó)人才的培養(yǎng)特別是技能應(yīng)用型人才的培養(yǎng)還不能滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展。傳統(tǒng)的教學(xué)手段不能夠使學(xué)生充分地、積極有效地參與到課堂學(xué)習(xí)中來(lái)，學(xué)生經(jīng)常游離于課堂教學(xué)過(guò)程之外，在很大程度上無(wú)法真正發(fā)揮出教師的主導(dǎo)性和學(xué)生的主體性，尤其是學(xué)生不能將課堂學(xué)習(xí)、知識(shí)儲(chǔ)備的轉(zhuǎn)化、個(gè)人能力的提升、解決問(wèn)題能力的升華等環(huán)節(jié)貫通起來(lái)，因此并沒(méi)有達(dá)到教育教學(xué)預(yù)想要達(dá)到教師傳授的知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的能力、學(xué)生不能根據(jù)情境的特殊性和復(fù)雜性綜合地運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和能力解決實(shí)際問(wèn)題的效果，導(dǎo)致“應(yīng)用能力差，實(shí)踐能力薄弱”等當(dāng)前高等教育和人才培養(yǎng)中普遍存在的問(wèn)題。高度重視實(shí)踐環(huán)節(jié)，提高學(xué)生實(shí)踐能力已是高等教育和教學(xué)實(shí)踐中急需解決的一個(gè)核心課題。

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種先進(jìn)的計(jì)算接口技術(shù)，是由計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)創(chuàng)建的新世界，是一個(gè)看似真實(shí)的模擬環(huán)境。它將現(xiàn)實(shí)世界中存在或者不存在的事物和環(huán)境，通過(guò)各種技術(shù)虛擬出來(lái)，再根據(jù)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)等因素的協(xié)同作用，通過(guò)多種傳感設(shè)備，使用戶可根據(jù)自身的感覺(jué)，以人的自然技能對(duì)虛擬世界中的對(duì)象進(jìn)行考察和操作，以自然的方式與這個(gè)環(huán)境進(jìn)行交互，通過(guò)實(shí)現(xiàn)用戶和該環(huán)境直接進(jìn)行交互并參與其中的事件，使參與者“沉浸”于模擬環(huán)境，感覺(jué)到就如真實(shí)的世界一樣，從而產(chǎn)生置身于相應(yīng)真實(shí)環(huán)境的虛幻感、沉浸感和真實(shí)感[1-2]?；诙嗝襟w計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)和人工智能技術(shù)基礎(chǔ)之上的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠有效地解決提高學(xué)生應(yīng)用能力和實(shí)踐能力這一問(wèn)題。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)及主要類型

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用高科技手段形成逼真的味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)一體化的虛擬環(huán)境的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有交互性、沉浸性、多感知性等基本特點(diǎn)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等多種類型，該技術(shù)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教育缺乏親身體驗(yàn)的缺陷。用戶利用特殊的輸入/輸出設(shè)備便可以進(jìn)入虛擬空間，給學(xué)習(xí)者提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)等綜合體驗(yàn)，可以突破時(shí)間和空間限制，創(chuàng)建真實(shí)感的學(xué)習(xí)環(huán)境，使用者在虛擬環(huán)境中可以真實(shí)地感知和操作虛擬世界中的各種對(duì)象，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，從而獲得身臨其境的感受和體會(huì)。由于親身體驗(yàn)遠(yuǎn)比空洞抽象的說(shuō)教更具說(shuō)服力，尤其在虛擬教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)等方面的應(yīng)用更具廣泛性，幫助學(xué)生更好、更生動(dòng)地理解所學(xué)的專業(yè)知識(shí)[3-5]。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)虛實(shí)融合營(yíng)造智慧教學(xué)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者獲得真實(shí)的情境體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以提供生動(dòng)、交互的學(xué)習(xí)材料，提高學(xué)習(xí)者沉浸感和想象力，使學(xué)習(xí)的深度、廣度有所增加，引導(dǎo)課程學(xué)習(xí)進(jìn)入新境界[6]。

2.1 虛擬技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用具有以下4個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：第一，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠彌補(bǔ)遠(yuǎn)程教學(xué)條件的不足。以往在遠(yuǎn)程教學(xué)中往往因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教育經(jīng)費(fèi)等多方面原因，使得一些必要的教學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展。然而利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，學(xué)生借助虛擬實(shí)驗(yàn)室可以獲得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的學(xué)習(xí)體會(huì)，從而豐富感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。第二，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來(lái)的危險(xiǎn)。在教學(xué)過(guò)程中對(duì)有危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，往往是采用專業(yè)教師為學(xué)生做演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生并不能直接參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生不但可以親自動(dòng)手開(kāi)展試驗(yàn)，還可以多次重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得感性認(rèn)識(shí)。第三，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以徹底打破空間、時(shí)間的限制。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大到宇宙天體，小至原子粒子或者縮短或延長(zhǎng)事物的發(fā)展周期。學(xué)生可以根據(jù)需要對(duì)事物進(jìn)行了解，獲得感觀認(rèn)知。第四，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以虛擬人物形象。例如虛擬歷史人物、偉人、名人、教師、學(xué)生、醫(yī)生等各種人物形象，創(chuàng)設(shè)一個(gè)人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，使遠(yuǎn)程教育的學(xué)生能夠在自然、親切的氣氛中進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2.2 虛擬技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)集教學(xué)、體驗(yàn)、實(shí)踐等于一體的立體化教學(xué)，改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，創(chuàng)新教學(xué)方法，達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新型、實(shí)用型人才的目的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用總結(jié)如下[7-9]。

（1）輔助教學(xué)。

在機(jī)械類專業(yè)課中大多涉及到機(jī)械結(jié)構(gòu)和設(shè)備或機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作原理，教師在教學(xué)過(guò)程中很難全面地講解和展現(xiàn)出設(shè)備的全貌和組成。對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作原理也只能是教師講解和學(xué)生的抽象想象來(lái)完成。然而，學(xué)生借助虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不但可以觀察到機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成，還可以直接觀察機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工作過(guò)程，幫助學(xué)生消化和理解抽象的概念，使理論直觀化、形象化，提高教學(xué)過(guò)程中知識(shí)傳遞的質(zhì)量和效率。

（2）虛擬設(shè)計(jì)。

在機(jī)械類專業(yè)課程培養(yǎng)目標(biāo)的設(shè)定中大多要求學(xué)生能應(yīng)用相關(guān)專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析和解決問(wèn)題的能力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)過(guò)程中所提出的各種設(shè)想進(jìn)行模擬，通過(guò)虛擬系統(tǒng)可以直觀地觀察到每一種設(shè)想所產(chǎn)生的效果，從理性和感性等多個(gè)角度對(duì)知識(shí)難點(diǎn)進(jìn)行探索認(rèn)知，將其消化理解，從而有助于創(chuàng)新和深化概念，最終實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生實(shí)踐能力的目的。

（3）虛擬裝配。

在機(jī)械制造的這個(gè)領(lǐng)域中，往往要將幾十、上百甚至成千上萬(wàn)的零件裝配到一起組成機(jī)械產(chǎn)品，然而機(jī)械產(chǎn)品的配合設(shè)計(jì)、可裝配性的錯(cuò)誤，往往在最后的裝配階段才能發(fā)現(xiàn)。由于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精度不同、形狀不同，所模擬的產(chǎn)品的裝配過(guò)程也不同。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬裝配一臺(tái)機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，學(xué)生可以通過(guò)交互的方式，進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的模擬裝配。在虛擬裝配訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)生可以反復(fù)對(duì)各種類型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解和組裝的操作，這使得學(xué)生對(duì)典型機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成和分類有更清楚地認(rèn)知，了解和學(xué)習(xí)各種典型機(jī)械結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而加深學(xué)生對(duì)該部分知識(shí)的認(rèn)識(shí)和掌握。

（4）虛擬實(shí)驗(yàn)。

機(jī)械類專業(yè)學(xué)生需要經(jīng)過(guò)大量實(shí)訓(xùn)來(lái)強(qiáng)化理論知識(shí)。但是由于學(xué)校教學(xué)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限，實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間受限，而且對(duì)于危險(xiǎn)性較大的實(shí)驗(yàn)學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)較少。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性和交互性，使每一位學(xué)生都能夠在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中獲得參與實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止，提高對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

（5）虛擬實(shí)驗(yàn)室。

機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課中大多安排大量實(shí)踐教學(xué)，用來(lái)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，例如力學(xué)實(shí)驗(yàn)、沖壓實(shí)驗(yàn)、流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)等等。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)上課時(shí)間、地點(diǎn)比較固定，設(shè)備的數(shù)量有限，學(xué)生的數(shù)量較多不能全部參與到實(shí)驗(yàn)中。如果在實(shí)驗(yàn)中存較大安全隱患時(shí)，學(xué)生甚至無(wú)法直接參與到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)虛擬教學(xué)情境，為學(xué)習(xí)者親身實(shí)踐提供了可能性。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中學(xué)生在相對(duì)安全的條件下，可以獲得與實(shí)踐教學(xué)中相同的體驗(yàn)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)虛擬教學(xué)，虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠使學(xué)習(xí)者獲得真實(shí)的情境體驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)具有生動(dòng)、實(shí)驗(yàn)效果直觀、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，有利于學(xué)生理解和掌握復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的原理、制造與裝配工藝、使用與操作，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性及創(chuàng)新思維，有利于學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為教學(xué)提供了新工具，為教育領(lǐng)域創(chuàng)新提供了技術(shù)支撐，將為教育的改革與發(fā)展帶來(lái)生機(jī)與活力。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉美珍，劍雄，劉達(dá).虛擬制造技術(shù)及其應(yīng)用綜述[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2006（1）：88-90.

[2] 姬舒平，李小俚，馬玉林.虛擬環(huán)境下的設(shè)計(jì)質(zhì)量保證技術(shù)[J].航空工藝技術(shù)，1999（1）：35-37.

[3] 顧祝軍，曾志遠(yuǎn).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2005（1）：12-14.

[4] 王汝傳，陳丹偉，顧翔.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2000，26（12）：1-3.

[5] 周建釗，王斌，胡成賀，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2011（3）：177-178.

[6] 卜云峰.本科機(jī)械工程類專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].教育探索，2008（3）：78-80.

[7] 王娟，吳永和，段曄，等.3D技術(shù)教育應(yīng)用創(chuàng)新透視[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2015（1）：62-71.

[8] 鄭燕林，李盧一.技術(shù)支持的基于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)：美國(guó)中小學(xué)創(chuàng)客教育的內(nèi)涵、特征與實(shí)施途徑[J].開(kāi)放教育研究，2014（6）：42-49.

[9] 陳慶章，胡同森，胡東.應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2001（S2）：382-384.