基于Unity 3D的石油機(jī)械專業(yè)教學(xué)實(shí)踐

李哲 伍世英

摘? 要 Unity 3D是一個具有三維動態(tài)模擬功能的軟件，目前廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。針對目前國內(nèi)外石油機(jī)械相關(guān)課程中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的不足，基于Unity 3D建立虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)教學(xué)中向?qū)W生展示各石油機(jī)械的工作原理及運(yùn)動狀態(tài)，讓學(xué)生更好地掌握理論和實(shí)踐操作技能，同時解決這門課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)耗資過度、安全性低等問題。

關(guān)鍵詞 Unity 3D;實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);石油機(jī)械

中圖分類號：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）06-0032-03

Petroleum Machinery Professional Teaching Practice based on Unity 3D//LI Zhe， WU Shiying

Abstract Unity 3D is software with 3D dynamic simulation function，

which is widely used in experimental teaching. In view of the short-comings of traditional experimental teaching methods in petroleum machinery related courses at home and abroad， based on Unity 3D to

establish a virtual experimental teaching platform system， students can demonstrate the working principle and exercise state of each petroleum machinery to the students， so that students can better grasp

the theory and practical ability to operate. At the same time， it can solve the problems of excessive cost and low safety of experimental teaching in this course.

Key words Unity 3D; experimental teaching system; virtual reality technology; petroleum machinery

1 引言

在石油機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更容易引起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，各種機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件所帶來的視覺沖擊激發(fā)學(xué)生興趣的效果遠(yuǎn)勝枯燥無味的文字描述和簡單的平面二維示意圖，可以直接展示出各種裝備的工作原理，強(qiáng)化教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，現(xiàn)已成為教學(xué)系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)[1]。然而，我國各大石油院校的學(xué)生數(shù)量龐大，現(xiàn)場教學(xué)成本太高且容易產(chǎn)生安全事故，或給企業(yè)的正常工作帶來影響，所以無法全面展開。受限于教學(xué)場地及實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，多數(shù)地區(qū)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)目前并不能滿足師生的需求。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而誕生的一門技術(shù)，它以簡單的設(shè)備提供直觀的演示和模擬，在教學(xué)實(shí)踐中結(jié)合理論教學(xué)，利用仿真軟件在多媒體上進(jìn)行石油設(shè)備工作動態(tài)和工況的現(xiàn)實(shí)模擬，作為教學(xué)的補(bǔ)充，減少教師現(xiàn)場教學(xué)的工作量，既幫助學(xué)生更好地理解理論知識，又免去以往缺少實(shí)物教學(xué)的尷尬。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及多媒體技術(shù)的發(fā)展，采用Unity 3D軟件進(jìn)行石油機(jī)械課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國內(nèi)外普遍采用的方法[2]。我國各大石油院校開展基于Unity 3D軟件的教學(xué)實(shí)踐取得較大收獲：

首先，學(xué)生能更好地參與課程內(nèi)容教學(xué)，能夠把從前因?yàn)橐姴坏綄?shí)物的問題解決在課堂教學(xué)階段，長時間理論學(xué)習(xí)后尚不知研究對象的組成、工作狀態(tài)等問題得到較好解決;

其次，保證學(xué)生的學(xué)習(xí)過程完整，通過整個教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)，教師教學(xué)手段不再單一，學(xué)生可以更好地了解實(shí)際，特別是對于石油機(jī)械類的學(xué)生來說，Unity 3D軟件非常有價值。

從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度來說，需要針對Unity 3D軟件的特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)和相應(yīng)課件的制作，同時要結(jié)合本專業(yè)學(xué)生以后從事的工作性質(zhì)對教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析、評價和科學(xué)總結(jié)，有利于更好地開展教學(xué)工作[3]。

Unity 3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)給用戶帶來身臨其境的交互環(huán)境，使操作用戶通過各種交互裝置將自己置身于虛擬環(huán)境中，在宏觀角度與微觀角度去探索在真實(shí)世界中不便甚至不能直接體驗(yàn)的事物運(yùn)轉(zhuǎn)及變化規(guī)律，如圖1所示。

2 教學(xué)現(xiàn)狀

以長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院現(xiàn)有的石油機(jī)械專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀為分析對象，在沒有采用Unity 3D軟件所開發(fā)的專業(yè)教學(xué)平臺進(jìn)行課堂及實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐前，主要采取普通的課堂知識講解配合一般的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)。在石油機(jī)械專業(yè)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤為重要，一般實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是在特定的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段單一，以講述為主，配合二維平面示意圖、簡單的模型、縮小的模型為教具，培養(yǎng)學(xué)生理解理論知識和對設(shè)備、零件的初步認(rèn)識等。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但在石油機(jī)械這種專業(yè)性特別強(qiáng)的學(xué)科中，對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和解決實(shí)際問題的能力方面顯得稍有欠缺。以下問題是現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中關(guān)注較多的。

1）多媒體教學(xué)前期準(zhǔn)備量大?，F(xiàn)在的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有各種新型多媒體工具的引入，但這也從一個側(cè)面加重了教師備課和制作課件的工作。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的快速發(fā)展，各種新型石油機(jī)械設(shè)備也層出不窮，以往一個簡單石油設(shè)備中的零部件現(xiàn)在需要通過大量不同的圖片和視頻呈現(xiàn)。對于復(fù)雜的石油機(jī)械裝備實(shí)驗(yàn)教學(xué)，采用多媒體為主導(dǎo)的教學(xué)是比較耗時間的，效率不高，但圖片和視頻可以作為教學(xué)的引導(dǎo)和切入，使講解和實(shí)踐更生動地聯(lián)系起來。

2）校內(nèi)實(shí)踐局限性大。目前大多數(shù)石油機(jī)械專業(yè)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，所需專業(yè)性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備多、體積大，即使在特定的實(shí)驗(yàn)室也常采用縮小模型。有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備的構(gòu)造比較復(fù)雜、價格昂貴，只能購買少許或采用模型教具。教師和學(xué)生時常需要接觸具有一定危險性的設(shè)備，雖然經(jīng)過多年的調(diào)整與改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備在正確操作的前提下是比較安全的，但是在操作不當(dāng)或設(shè)備損壞時，造成學(xué)生受傷的情況也時有發(fā)生。

3）學(xué)院硬件條件差。目前，全國各大石油院校均減少了學(xué)生外出實(shí)習(xí)的課時安排，甚至取消了以前的現(xiàn)場實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，改為機(jī)械制造加工企業(yè)參觀，學(xué)院硬件老舊且實(shí)踐條件幾乎為零。學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程過程中，無法正確認(rèn)識復(fù)雜設(shè)備的工作原理。這是學(xué)院面臨的非常嚴(yán)峻的問題。對于石油機(jī)械專業(yè)的學(xué)生來說，實(shí)驗(yàn)在某種程度上重要于理論的學(xué)習(xí)，這與石油機(jī)械類應(yīng)用人才的屬性不無關(guān)系，如果先進(jìn)的理論知識因?yàn)槿狈τ布闹味宫F(xiàn)不出來，是很可惜的。

4）不能因材施教。隨著石油行業(yè)的爆發(fā)式增長，相關(guān)行業(yè)對石油機(jī)械人才的需求越來越大，直接造成相關(guān)高校石油機(jī)械專業(yè)學(xué)生數(shù)量激增，而相應(yīng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備卻沒有跟上，學(xué)生的層次也隨之體現(xiàn)得愈發(fā)明顯。現(xiàn)存的多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)都將學(xué)生同等對待，致使部分動手能力強(qiáng)的學(xué)生因缺少實(shí)驗(yàn)條件而不能發(fā)揮其特長，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^差的學(xué)生又感到吃力而跟不上教學(xué)進(jìn)度，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的很難達(dá)到。這是各大院校在發(fā)展過程中一個無法回避的問題，所以當(dāng)學(xué)生數(shù)量增加而不能因材施教時，實(shí)驗(yàn)教學(xué)就需要尋找新的突破口。

3 結(jié)合Unity 3D軟件的教學(xué)實(shí)踐

基于Unity 3D軟件的教學(xué)系統(tǒng)制作? 在Unity 3D實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對需要引入本軟件的石油機(jī)械專業(yè)知識進(jìn)行教學(xué)任務(wù)及內(nèi)容分析，做出預(yù)計(jì)和評估，以便教師能合理分配課時。

實(shí)驗(yàn)教師備課時可在網(wǎng)上查找石油機(jī)械如管柱、鉆頭的運(yùn)動動畫，反復(fù)觀看其運(yùn)動軌跡，同時研讀石油機(jī)械相關(guān)資料，了解整個設(shè)備中各機(jī)構(gòu)的傳動及運(yùn)動路線?？紤]到后期需要制作動畫效果以及在Unity 3D平臺中實(shí)現(xiàn)漫游效果，本教學(xué)系統(tǒng)選用Maya軟件對課程中涉及的石油機(jī)械設(shè)備進(jìn)行3D建模。在建模完成后將模型導(dǎo)出，在KeyShot軟件中進(jìn)行材質(zhì)渲染;制作完動畫之后，將其分別導(dǎo)出AVI格式的視頻軟件。將制作好的模型導(dǎo)進(jìn)Unity 3D軟件之中，編寫程序腳本，來實(shí)現(xiàn)教學(xué)平臺的開發(fā)。圖2所示為基于Unity 3D軟件開發(fā)的石油機(jī)械教學(xué)平臺中關(guān)于鉆修井作業(yè)現(xiàn)場仿真模擬。

基于Unity 3D軟件的教學(xué)實(shí)踐? 采用多媒體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常有必要在石油機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理、特性講解等關(guān)鍵點(diǎn)引入此虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)認(rèn)知、功能區(qū)分及工作過程的動態(tài)演示和相關(guān)理論推導(dǎo)。而借助Unity 3D平臺制作的教學(xué)系統(tǒng)生動逼真的仿真效果和強(qiáng)大的漫游功能，可以從兩個方面對學(xué)生產(chǎn)生積極影響：一是能夠激發(fā)學(xué)生的興趣;二是使部分學(xué)生主動要求掌握該軟件的基本操作方法，進(jìn)而自行完成相關(guān)設(shè)備零部件的3D模型、結(jié)構(gòu)的運(yùn)動仿真分析等，讓學(xué)生真正熟悉石油機(jī)械的組成及運(yùn)行原理。

采用Unity 3D軟件進(jìn)行石油機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革? 基于Unity 3D平臺開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，改變目前抽象化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，對教學(xué)中的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行隨堂演示，使學(xué)生在課堂上能直接看到該設(shè)備的任意位置、任何零部件，幫助學(xué)生理解所學(xué)內(nèi)容。以課程內(nèi)容為對象，采用分組教學(xué)模式，組織各小組學(xué)生通過三維軟件建立設(shè)備的各零部件的3D模型，然后在軟件上進(jìn)行組裝，完成整個設(shè)備的運(yùn)行仿真，制作動畫驗(yàn)證并完成結(jié)果檢查和評估。對于學(xué)生的課堂實(shí)踐，按一般、困難、復(fù)雜等三個層次設(shè)計(jì)相關(guān)項(xiàng)目，滿足不同層次學(xué)生的需求。借助教學(xué)系統(tǒng)對每個項(xiàng)目的完成情況進(jìn)行記錄、評分，保證學(xué)生出勤率的同時，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，最終形成優(yōu)良學(xué)風(fēng)。

4 結(jié)語

本文提出現(xiàn)階段各大石油院校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，并介紹一種基于Unity 3D平臺開發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。從Unity 3D平臺開發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)踐可以進(jìn)一步證明，使用該教學(xué)系統(tǒng)可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，而且真實(shí)的漫游效果使學(xué)生身臨其境，對石油機(jī)械設(shè)備有更好的認(rèn)知，為我國高校機(jī)械類實(shí)驗(yàn)課程融入虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)提供了新思路?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]祝秀芬，陳橋芳，曾岱，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究與構(gòu)建[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017，14（24）：161-162.

[2]韓瑞凱.基于Unity 3D的凸輪機(jī)構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的研究與應(yīng)用[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2015.

[3]彭雪嬌，林海祿.基于互聯(lián)網(wǎng)+的分析儀器虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建[J].東華理工大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2016，35（4）：383-385.