虛擬實驗在機械控制工程基礎(chǔ)教學中的應用研究

張香云

摘 要：計算機技術(shù)的發(fā)展催生了各式各樣的新式的技術(shù)，這些新的技術(shù)手段為一些學科的發(fā)展提供了測試條件，成為促進學科發(fā)展的有效手段。虛擬實驗是計算機技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)快速發(fā)展的產(chǎn)物，虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過三維的模擬現(xiàn)實系統(tǒng)對機械部件機械仿真，這樣的技術(shù)對于機械制造以及機械控制工程中的教學可以起到很大的作用。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗；機械控制工程；基礎(chǔ)教學；應用研究

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概述以及在機械控制工程基礎(chǔ)教學中使用的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種利用電腦建立三維模型從而對機械組件進行模擬，虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅可以對視覺世界就像模擬，而且可以給使用者提供聽覺、觸覺等感覺的模擬效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)中有三個極為重要的要素：沉浸性、交互性、構(gòu)想性，這三個要素可以評判虛擬環(huán)境模擬真實場景的效果。其中沉浸性是建立的虛擬世界帶給使用者相當?shù)恼鎸嵭?，使用者在虛擬的環(huán)境中有在真實世界的感覺，對人類來說有一定的迷惑性。交互性是指在虛擬環(huán)境中使用者對虛擬對象的可操作性，使用者可以通過傳感設(shè)備對虛擬環(huán)境中的物體進行操作，交互性體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的人機交互的功能。

虛擬世界的構(gòu)想性是指虛擬世界可以開拓使用者的思維和想象力，提高用戶的創(chuàng)造力。而虛擬實驗是一種在計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中模擬真實的實驗室的環(huán)境，在模擬的環(huán)境下通過人機交互實現(xiàn)對虛擬世界中的物體以及模型進行一定的操作，從而進行低成本、高效率、可重復、可補救的實驗，虛擬實驗系統(tǒng)依據(jù)不同的沉浸程度主要分為桌面式虛擬實驗系統(tǒng)、沉浸式虛擬實驗系統(tǒng)、分布式虛擬實驗系統(tǒng)和增強型虛擬實驗系統(tǒng)等。虛擬實驗在高校的機械相關(guān)專業(yè)中涉及精密的機械控制操作，這些相關(guān)的操作涉及多種復雜系統(tǒng)。只通過人類的大腦難以完成對實驗的完全理解，通過計算機的模擬現(xiàn)實技術(shù)對復雜的機械結(jié)構(gòu)進行仿真可以優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學培訓領(lǐng)域的使用為學生提供了一個相對自由的學習環(huán)境，學生可以根據(jù)自己的學習情況以及學習目標對資源進行良好有效的應用。虛擬實驗在實際的教學中的使用可以使學生更加具象化的理解所學的內(nèi)容，虛擬實驗可以模擬一些真實場景可以使學生有身臨其境感覺的同時避免了真實環(huán)境可能造成的安全事故。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械控制工程中的使用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械控制工程中的應用是解決真實世界中無法進行一些危險性較大的實驗的問題，對于一些危險性較大的實驗難以獲批進行，而且對實驗者、操作人員的生命安全進行保障。虛擬現(xiàn)實是由計算機生成的三維模擬環(huán)境，虛擬現(xiàn)實目前在航空航天、工程技術(shù)、件數(shù)設(shè)計、醫(yī)學手術(shù)、藝術(shù)設(shè)計、軍事模擬等領(lǐng)域中都有非常重要的作用。機械加工模擬環(huán)境可以對各種設(shè)備、廠房、周圍環(huán)境等內(nèi)容進行模擬，通過一些模擬仿真軟件可以完成一些車床、流水線模型的制作。虛擬實驗一般是利用一些建模軟件建立一些機械模型，在建立模型時可以對實際的模型進行一些簡化操作。對于模型的美化處理可以使模型更加易于識別，利用Photoshop制作場景的貼圖以及材質(zhì)的紋理，最后利用這些貼圖對模型進行貼圖處理，可以增強模擬現(xiàn)實的沉浸性。機械加工虛擬實驗系統(tǒng)是一種對真實的機床加工過程的模擬，對機械運行過程進行模擬可以解決機械研發(fā)過程中的具體情況，不需要再現(xiàn)實世界中建立真實的設(shè)備就可以對設(shè)計好的設(shè)備進行運行，查看運行的順利程度。機械加工虛擬實驗系統(tǒng)模式的搭建可以將模擬的過程記錄下來、忽略現(xiàn)實世界不可控因素的影響、減少實驗的投資等，同時模擬真實的場景的過程可以用計算機教學記錄，留下完整的模擬記錄。模擬實驗可以建立視頻播放的模式、全局觀摩的模式對實驗的操作流程進行研究。機械加工虛擬實驗系統(tǒng)首先應該建立三維實體模型，對于機械的結(jié)構(gòu)進行分裂，分部進行制作，然后組裝各部分零件模型。將整個模型導入到3D max中進行材質(zhì)貼圖渲染，最后利用專業(yè)的軟件合成三維虛擬實體以及虛擬的模擬環(huán)境，對實驗中的相關(guān)對象進行實時渲染。模擬現(xiàn)實技術(shù)的開發(fā)通過建模、渲染導入、交互設(shè)計、功能檢測這四個階段開發(fā)出完整的模擬實驗體系。

機械加工虛擬實驗室的建立依仗強大的交互引擎和建模軟件，通過對行為機械編程使得交互動作順利實現(xiàn)。在建模完成以及貼圖渲染完成之后還需要對場景中物體的燈光、物體間的從屬關(guān)系、物體與人之間的交互設(shè)計、場景的視角等方面進行調(diào)整，而且為了使用戶有一個良好的代入感，就必須設(shè)計便于使用的系統(tǒng)界面。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械控制工程的基礎(chǔ)教學中的具體應用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要是面向?qū)W生開發(fā)的一種實驗教學工具，虛擬實驗系統(tǒng)目前融合了衛(wèi)星通信、數(shù)字化信息系統(tǒng)、計算機技術(shù)、新媒體技術(shù)等多種技術(shù)。虛擬實驗教學平臺在系統(tǒng)中融合了專業(yè)的理論指導和現(xiàn)實世界的各種原則，通過教學設(shè)計挑選合適的機械模型，建立合適的理論探究過程，幫助學生學習到體系化的、實例性的專業(yè)化知識。而且通過虛擬技術(shù)搭建的實驗教學平臺來說，其優(yōu)點是在教學實踐中可以多次使用，教學中產(chǎn)生的失誤和學生操作中產(chǎn)生的問題在這個平臺上都可以重新復位，不會出現(xiàn)浪費資源的情況。而且虛擬實驗平臺由于其有趣的界面，以及新奇的教學方式會引起學生的學習興趣，有助于學生自覺的教學學習，使專業(yè)知識的學習成為一件快樂的事情。而且虛擬實驗在機械控制工程基礎(chǔ)教學中的使用可以重復多次，為學生熟練的掌握操作技巧提供了良好的條件，老師也可以及時的對學生的學習情況進行記錄、糾正。虛擬實驗平臺的交互性強，學生可以通過傳感器與計算機進行交流，加強學生的實際體驗感。虛擬教學平臺還可以根據(jù)學生的個人特點進行區(qū)別教育，提供合適的培養(yǎng)機制，而且先進的模擬設(shè)計可以拓展學生的思維，增強學生的創(chuàng)造力。

四、小結(jié)

綜上所述，虛擬實驗在機械控制工程中具有良好的應用前景，具有可重復、交互性、沉浸性等一系列優(yōu)勢。當今機械設(shè)備成本較高，虛擬實驗為學生提供一個低成本的、豐富的、交互性良好的、高效的學習平臺，系統(tǒng)可以依據(jù)學生的個性化特點制定不同的教育方式提高學生的學習的效率。

參考文獻

[1]高俊.虛擬實驗在機械控制工程基礎(chǔ)教學中的應用[J].教育與教學研究，2013，27（3）：76-79.

[2]聶學俊，杜敏杰.機械工程控制基礎(chǔ)虛擬實驗平臺開發(fā)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016，（15）：4-6.

（作者單位：長江大學工程技術(shù)學院）