VR技術(shù)在測控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的開發(fā)應(yīng)用

許文碩 王建軍 喬建委 王峰 盧云鵬

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計算機(jī)仿真技術(shù)，使用戶沉浸到三維動態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真環(huán)境中。為提高測控技術(shù)課程教學(xué)中的體驗(yàn)感，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟件IdeaVR，結(jié)合《控制技術(shù)與系統(tǒng)》課程，設(shè)計了一套提高學(xué)生理論水平與實(shí)際設(shè)計及動手能力的三軸轉(zhuǎn)臺，實(shí)現(xiàn)了該三軸轉(zhuǎn)臺的三維設(shè)計顯示及整體運(yùn)動軌跡的仿真與動畫設(shè)計，并對如何提高《控制技術(shù)與系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）；三軸轉(zhuǎn)臺；課程設(shè)計；運(yùn)動仿真

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）07-0119-02

Abstract： Virtual Reality （VR） technology is a computer simulation technology that can create and experience virtual worlds， and users can immerse in the system simulation environment of 3D dynamic vision and physical behavior. In order to improve the teaching and studying experience in the measurement and control technology course，we combined the virtual reality technology software IdeaVR into the "Control Technology and System" course， and designed a set of three-axis turntable to improve students' theoretical level and practical design ability. We realizedthe architecture design of a three-axis turntable show as well as the animation design of its overall motion trajectory. Finally， we analyzed how to improve the experimental teaching of the Control Technology and System course.

Key words： virtual reality （VR）； three-axis turntable； course design； motion simulation

隨著時代的不斷發(fā)展，實(shí)時三維計算機(jī)圖形技術(shù)，廣角立體顯示技術(shù)，對觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)，以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網(wǎng)絡(luò)傳輸、語音輸入輸出技術(shù)等的不斷研究，作為這幾種技術(shù)的綜合，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也開始走進(jìn)課堂。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引進(jìn)對傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行了補(bǔ)充，在一定程度上促進(jìn)了傳統(tǒng)教學(xué)的改革，由此信息教育開始了虛擬現(xiàn)實(shí)時代。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)授課中，一方面對于過程控制理論的教學(xué)，很多方面是一些相對落后的知識和重復(fù)性內(nèi)容介紹，缺乏對最新控制技術(shù)和控制理論的補(bǔ)充。另一方面對具體的應(yīng)用案例介紹得不夠充分，學(xué)生學(xué)習(xí)后，雖然對理論知識掌握較好，但如何實(shí)際應(yīng)用十分茫然，導(dǎo)致理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作有較嚴(yán)重的脫節(jié)。為了提高學(xué)生的認(rèn)識水平和實(shí)踐能力，適應(yīng)新時代的工作需要，我們對于《控制技術(shù)與系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，采用IdeaVR軟件進(jìn)行課堂教學(xué)，它不再試過去只能觀看模型的教學(xué)方式，而是采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過給學(xué)生演示模型的分解、實(shí)體展示等方式，讓學(xué)生深入了解課程，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合，目前很多學(xué)校對于虛擬現(xiàn)實(shí)授課方式進(jìn)行了不同程度的探索及應(yīng)用。

1 IdeaVR軟件

IdeaVR軟件是全球首款異地多人協(xié)同平臺，IdeaVR解決了當(dāng)前VR實(shí)踐教學(xué)四大難題：1）通過多人協(xié)同功能，革新現(xiàn)有VR單人單視角教學(xué)模式局限；2）通過零編程的自助式內(nèi)容制作模式，解決教育行業(yè)VR內(nèi)容匱乏難題；3）通過硬件終端的自適應(yīng)性，解決VR硬件多樣化問題；4）通過VR資源云平臺：素材庫、場景庫和VR視頻錄制，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容封閉現(xiàn)狀。VR軟件打破空間的局限，借助內(nèi)置強(qiáng)大的分布式多人協(xié)同系統(tǒng)，可快速構(gòu)建多人協(xié)同工作環(huán)境，讓所有使用者置身于同一個真實(shí)的場景中，真正實(shí)現(xiàn)了多人協(xié)同下的“教、學(xué)、演、練”。

2 課程內(nèi)容與特點(diǎn)

《控制技術(shù)與系統(tǒng)》是測控專業(yè)一門專業(yè)性和實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)主干課，通過課程教學(xué)，使學(xué)生運(yùn)用自動控制原理，結(jié)合生產(chǎn)過程機(jī)理，利用自動化儀表及裝置去從事生產(chǎn)過程的分析、設(shè)計、運(yùn)行與開發(fā)研究工作?！犊刂萍夹g(shù)與系統(tǒng)》主要包括兩大部分的設(shè)計：計算與控制部分、執(zhí)行器部分。

控制技術(shù)在教學(xué)過程中，有些控制概念和方法比較抽象，采用實(shí)物難以展示，需要采用虛擬仿真技術(shù)來展示原理；控制器的設(shè)計采用軟件編程，難以實(shí)物展示；內(nèi)容多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主，且實(shí)驗(yàn)中學(xué)生概念模糊又很難動手操作，需要老師在一旁進(jìn)行專門指導(dǎo)，造成理論與實(shí)踐在具體操作中難以緊密結(jié)合。綜合這些原因，我們開始在《控制技術(shù)與系統(tǒng)》課程中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)授課方式是指教師事先對所講課件進(jìn)行3D模型構(gòu)建，在IdeaVR中導(dǎo)入相關(guān)模型進(jìn)行準(zhǔn)備，并在專門的VR實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行課堂授課，通過教師在IdeaVR中演示部件拆卸、部件移動、部件復(fù)位、動畫播放等相關(guān)功能，幫助學(xué)生理解掌握相關(guān)知識。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)采用計算機(jī)與外部設(shè)施相結(jié)合，構(gòu)建一個模擬環(huán)境。VR是以新型人機(jī)對話為基礎(chǔ)的交互性技術(shù)，其最大優(yōu)勢在于構(gòu)建作品與參與者的對話，通過交互操作提高學(xué)生的認(rèn)識水平和實(shí)踐能力。該技術(shù)可打破制約傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對空間及人數(shù)的限制，實(shí)現(xiàn)VR設(shè)備的互聯(lián)互通，并實(shí)現(xiàn)多人對其進(jìn)行操作，提高了教學(xué)質(zhì)量，使理論與實(shí)踐緊密結(jié)合。

3 IdeaVR操作

從《控制技術(shù)與系統(tǒng)》課程教學(xué)中選出一節(jié)為例，對一種三軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與運(yùn)動仿真。設(shè)計三軸轉(zhuǎn)臺時，首先采用CATIA對其進(jìn)行三維模型構(gòu)建，然后利用IdeaVR軟件對其實(shí)現(xiàn)三維展示、視口類型、材質(zhì)選擇、運(yùn)動模擬等教學(xué)。此教學(xué)將三軸轉(zhuǎn)臺的零件結(jié)構(gòu)、工作原理及裝配過程以虛擬仿真的方式展示給學(xué)生，使學(xué)生通過實(shí)際操作學(xué)習(xí)，更深入了解所學(xué)課程理論知識及提高了自身實(shí)踐操作能力。

3.1三維展示

在主菜單欄“文件”菜單項(xiàng)中，選擇“打開工程”功能，進(jìn)入打開工程對話框，選擇導(dǎo)入。編輯器中有兩種主要的視口類型：透視視口和正交視口。透視視口是場景的三維窗口。正交視口是順著每個坐標(biāo)軸（X、Y、Z）看到的二維窗口，包括主視圖、俯視圖和側(cè)視圖。

在視口中，對導(dǎo)入的工程圖進(jìn)行相關(guān)導(dǎo)航操作，具體導(dǎo)航操作動作為調(diào)整視角角度、拉伸視角遠(yuǎn)近、視角平移、視角向前移動、視角向左移動、視角向后移動、視角向右移動、視角向下移動、視角向上移動，其對應(yīng)的操作為鼠標(biāo)左鍵+拖拽、鼠標(biāo)右鍵+拖拽、鼠標(biāo)中鍵+拖拽、鍵盤W、鍵盤A、鍵盤S、鍵盤D、鍵盤Q、鍵盤E。

3.2材質(zhì)選擇

工程打開后，IdeaVR提供材質(zhì)修改，在主菜單欄中的“編輯”標(biāo)簽頁中，選擇“材質(zhì)”功能，進(jìn)入材質(zhì)面板。在左側(cè)的材質(zhì)列表中選擇一種材質(zhì)，勾選面板上“拾取面”，再點(diǎn)擊左上方的“賦材質(zhì)”功能，將鼠標(biāo)移動至修改項(xiàng)點(diǎn)擊即可修改材質(zhì)，如圖1所示。

3.3運(yùn)動模擬

在主菜單欄中的“動畫”標(biāo)簽頁中，選擇“動畫編輯器”功能，進(jìn)入動畫編輯面板。設(shè)定總時長，選中四個操作對象，對其進(jìn)行移動方向設(shè)定，規(guī)定其旋轉(zhuǎn)角度和位置移動，具體設(shè)定如圖2所示。其運(yùn)動狀態(tài)為平面鏡在X軸、Y軸旋轉(zhuǎn)7度，四個桿端球頭軸承上下移動相對應(yīng)的數(shù)值，從而帶動反射鏡旋轉(zhuǎn)。根據(jù)設(shè)定，進(jìn)行相關(guān)模擬運(yùn)行。

4 存在的問題

1）在VR實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行授課時，教師在前期需要一直面對大屏幕進(jìn)行講解演示，因佩戴專門的3D眼鏡，故無法實(shí)時確保學(xué)生的上課集中性，學(xué)生有可能出現(xiàn)開小差現(xiàn)象。關(guān)于這個為題，教師可以后期設(shè)立助理崗位進(jìn)行課堂授課輔助。

2）在后期學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)過程中可能會出現(xiàn)貪玩的心思，進(jìn)行無關(guān)學(xué)習(xí)的事情，沒有按照課程進(jìn)行學(xué)習(xí)與練習(xí)，從而在相關(guān)知識的掌握上出現(xiàn)問題。關(guān)于這個問題，教師需提前做好學(xué)習(xí)方面的疏導(dǎo)，讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)，自覺學(xué)習(xí)，發(fā)揮學(xué)生的自我獨(dú)立。

3）實(shí)驗(yàn)室授課時學(xué)生人數(shù)不宜太多，因操作手柄數(shù)量的限制，故實(shí)際操作時，無法滿足多人進(jìn)行操作。關(guān)于這個問題，因硬件限制，可協(xié)調(diào)好學(xué)生的人數(shù)，協(xié)調(diào)好時間，提高授課效率。

4）授課前的課件準(zhǔn)備需要教師提前進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，這些課件需要教師不斷更新優(yōu)化，與時代相結(jié)合，緊跟科技發(fā)展的腳步。

5 結(jié)語

本文通過IdeaVR軟件將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與控制技術(shù)與系統(tǒng)課程結(jié)合，在教學(xué)中使學(xué)生不再局限于實(shí)體操作中拆卸、放大、移動等問題，通過虛擬環(huán)境中工程圖展示，使得學(xué)生能夠?qū)嶋H模擬操作，達(dá)到對其有更詳細(xì)的認(rèn)知。合理運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行課堂教學(xué)，一方面可以一定程度上改進(jìn)了傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，另一方面為了積極探索課堂教學(xué)的新方式，使得課堂教學(xué)與時俱進(jìn)，學(xué)生學(xué)習(xí)方式多樣化。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】