虛擬技術(shù)在模具專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用探討

趙慶娟

摘 要：經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要?jiǎng)?chuàng)新應(yīng)用型人才，這是人才培養(yǎng)的動(dòng)力。因此改革傳統(tǒng)的實(shí)踐、實(shí)訓(xùn)手段，優(yōu)化實(shí)踐、實(shí)訓(xùn)環(huán)境，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。本文簡(jiǎn)述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特點(diǎn)，討論了將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到理論及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在材料加工專業(yè)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用展開(kāi)探討，這為提高材料加工專業(yè)的教學(xué)工作提供了一些可參照的思路。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 材料加工 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：TG76-4；G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（b）-0-03

Abstract：Economic and social development needs innovative and applied talents， which is the driving force of talent training. Therefore， it is urgent to reform the traditional practice and training methods and optimize the practice and training environment to improve the quality of applied talents training. Therefore， it is urgent to reform the traditional practice and training methods and optimize the practice and training environment to improve the quality of applied talents training. In this paper， the characteristics of virtual reality technology is briefly described， the advantages of applying virtual reality technology to theory and practice teaching is discussed， and the application of virtual reality technology in theory and practice teaching of material processing is also explored， which provides some references thought for improving the teaching work of material processing.

Key words：Virtual Reality Technology； Material Processing； Practical Teaching

隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)秩序的變化和我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，需要一大批具有實(shí)踐性、創(chuàng)造性能夠直接服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的應(yīng)用型人才，市場(chǎng)需求是人才培養(yǎng)的導(dǎo)向。但傳統(tǒng)教育手段的落后和教學(xué)方法的單一，不能滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的教學(xué)手段教育下，學(xué)生不能充分調(diào)動(dòng)積極性，也不能將教授的知識(shí)有效地轉(zhuǎn)化為能力，同時(shí)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，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。

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)，將多媒體、多傳感、智能技術(shù)等綜合起來(lái)的技術(shù)，利用特殊的輸入/輸出設(shè)備便可以進(jìn)入虛擬空間，用戶成為虛擬環(huán)境中的一員，通過(guò)自然的方式和虛擬世界中的物體進(jìn)行相互影響。給學(xué)習(xí)者提供視覺(jué)、聽(tīng)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、優(yōu)化教學(xué)過(guò)程。該技術(shù)具有較高的資源利用率、阻隔性、安全性、兼容性，解決了教學(xué)過(guò)程中以前無(wú)法解決的一些難題，由于親身體驗(yàn)遠(yuǎn)比空洞抽象的說(shuō)教更具說(shuō)服力，尤其在科學(xué)研究、虛擬教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)等方面的應(yīng)用更具有廣泛性[1-2]。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)和基本類型

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性和多感知性等特點(diǎn)。其中，沉浸性是指計(jì)算機(jī)操作人員作為人機(jī)環(huán)境的主導(dǎo)者全身心地沉浸在計(jì)算機(jī)所生成的三維虛擬環(huán)境中，人與環(huán)境融為一體產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。交互性是指操作人員對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度以及從環(huán)境中得到反饋的程度。多感知性指在虛擬環(huán)境中使用者可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的傳感及反應(yīng)裝置獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、動(dòng)覺(jué)等多種感知，從而達(dá)到身臨其境的效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的主要類型有4類，其中包括了桌面虛擬現(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)。其中，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一套基于普通PC平臺(tái)的小型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。利用中低端圖形工作站及立體顯示器產(chǎn)生虛擬場(chǎng)景，參與者使用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、力反饋器、三維鼠標(biāo)、或其他手控輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要技術(shù)特征。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用頭盔顯示器將用戶的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái)，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯(cuò)覺(jué)。分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的可供異地多用戶同時(shí)參與的分布式虛擬環(huán)境。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)也被稱之為混合現(xiàn)實(shí)。它是通過(guò)電腦技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加，并同時(shí)存在于同一個(gè)畫面或者空間中。其目的在于通過(guò)把計(jì)算機(jī)生成的虛擬對(duì)象與真實(shí)環(huán)境融為一體的方式來(lái)增強(qiáng)用戶對(duì)真實(shí)環(huán)境的理解。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在材料加工實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以應(yīng)用在虛擬科學(xué)研究、虛擬教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)等方面，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[4]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用具有以下幾個(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。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)。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。因此，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在材料加工實(shí)踐教學(xué)中，可以使實(shí)踐教學(xué)具有高效性、真實(shí)性、系統(tǒng)性和交互性等特點(diǎn)，能夠模擬真實(shí)情況，實(shí)現(xiàn)輔助教學(xué)、冷沖模和塑料模具設(shè)計(jì)、沖壓設(shè)備的操作、模具的拆裝實(shí)驗(yàn)等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用如下[5-8]。

2.1 知識(shí)的學(xué)習(xí)

在材料加工類專業(yè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，是以專業(yè)理論知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的方法，使學(xué)生理解并應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)，最終轉(zhuǎn)化為學(xué)生內(nèi)在的能力。其中實(shí)踐教學(xué)是學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，因此學(xué)生可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，獲得實(shí)際生活中無(wú)法觀察到的事物的變化過(guò)程和規(guī)律，為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的感性學(xué)習(xí)材料，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的知識(shí)難點(diǎn)。例如在冷沖壓沖裁實(shí)驗(yàn)中，板坯將經(jīng)歷從彈性變形階段、塑性變形階段和斷裂分離階段3個(gè)變形過(guò)程，整個(gè)過(guò)程涉及到晶格畸變、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、裂紋萌生以及裂紋擴(kuò)展，直至板坯斷裂沖裁結(jié)束都可以實(shí)現(xiàn)可視化展示。

2.2 虛擬設(shè)計(jì)

材料加工專業(yè)課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)是專業(yè)理論知識(shí)強(qiáng)化和融會(huì)貫通的一個(gè)必要過(guò)程。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，一般情況下設(shè)計(jì)一套模具（注塑模具及冷沖壓模具）需要經(jīng)過(guò)零件集合形狀測(cè)量和結(jié)構(gòu)分析、材料的選擇、模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等眾多步驟，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，設(shè)計(jì)出來(lái)的模具往往會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理，模具無(wú)法實(shí)現(xiàn)成形功能等問(wèn)題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以對(duì)學(xué)生所提出的各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬，通過(guò)虛擬系統(tǒng)便可直觀地觀察到這一設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果，簡(jiǎn)化很多工序，學(xué)生可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行探索學(xué)習(xí)，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室

材料加工作為工科類專業(yè)，要求學(xué)生要具有很強(qiáng)的動(dòng)手能力，并通過(guò)實(shí)際操作強(qiáng)化理論知識(shí)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)上課時(shí)間比較固定，時(shí)間和空間受到限制。并且遇到實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴或者實(shí)驗(yàn)中存危險(xiǎn)等問(wèn)題時(shí)，學(xué)生不能全面使用和操作甚至無(wú)法直接參與其中。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。例如，虛擬力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、虛擬沖壓實(shí)驗(yàn)室等，打破傳統(tǒng)教學(xué)中時(shí)間、空間等限制，學(xué)生只要在安裝有虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備上即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，在很大程度上提高了學(xué)習(xí)的自由度。在仿真環(huán)境下，借助Unity3D、Cult3D等軟件來(lái)完成實(shí)驗(yàn)操作，避免在進(jìn)行一些有安全隱患的危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)因操作不當(dāng)造成的不可預(yù)料的后果，保障學(xué)習(xí)者的人身安全。具有交互功能的虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不用考慮時(shí)間、地點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各種危險(xiǎn)對(duì)人造成的傷害，獲得與現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)一樣的體驗(yàn)效果，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。

2.4 虛擬實(shí)驗(yàn)

在機(jī)械制造的這個(gè)領(lǐng)域中，往往要將成千上萬(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)。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬裝配一臺(tái)機(jī)械產(chǎn)品，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，用戶可以通過(guò)交互的方式，進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的模擬裝配，因此在材料加工實(shí)踐教學(xué)中我們可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立各種虛擬實(shí)驗(yàn)室例。例如，學(xué)生在虛擬設(shè)計(jì)、裝配及操作“實(shí)驗(yàn)室”里，學(xué)生可以自由地做各種實(shí)驗(yàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生不但可以看到曲柄壓力機(jī)工作及分解的展示，也可以在虛擬環(huán)境拾取坯料，在沖壓模具上進(jìn)行沖裁、拉深等基本實(shí)驗(yàn)操作，還可以對(duì)不同類型模具（例如簡(jiǎn)單工序模、復(fù)合模、級(jí)進(jìn)模等）進(jìn)行拆分、測(cè)量，并完成繪制圖紙等任務(wù)。在裝配結(jié)束以后，虛擬仿真系統(tǒng)能夠記錄裝配過(guò)程的所有信息，并生成評(píng)審報(bào)告、視頻錄像等供學(xué)生隨后的檢查、分析和評(píng)價(jià)使用。

2.5 技能訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。由于這些虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)無(wú)危險(xiǎn)，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。例如：在虛擬的模具拆裝訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)生可以反復(fù)對(duì)各種類型模具進(jìn)行分解和組裝的操作拆裝模具設(shè)備，這使得學(xué)生對(duì)模具的結(jié)構(gòu)以及分類有更清楚地認(rèn)知，了解和學(xué)習(xí)各種不同那類型模具的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)拆裝訓(xùn)練可以達(dá)到了解模具結(jié)構(gòu)，區(qū)分不同模具結(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。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在材料加工專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中能夠全面提高專業(yè)教學(xué)效率。通過(guò)虛擬教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)、配套虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠使學(xué)生獲得真實(shí)的情境體驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)具有生動(dòng)、直觀、安全等優(yōu)點(diǎn)，有利于學(xué)生理解和掌握抽象概念、模具制造與裝配工藝、設(shè)備結(jié)構(gòu)與使用操作，有利于激發(fā)學(xué)生獲取知識(shí)的積極性及創(chuàng)新思維，有利于面向?qū)W生開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為教育領(lǐng)域創(chuàng)新提供了技術(shù)支持，虛擬現(xiàn)實(shí)教育將作為創(chuàng)新教學(xué)的改革方式，因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)必將為教育的改革與發(fā)展注入生機(jī)與活力。

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