虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)控技術教學中的應用研究

吳澤民，祖海英，孟碧霞，李森

（東北石油大學，黑龍江大慶 163318）

科學技術的發(fā)展和進步推動了教育行業(yè)的發(fā)展，教學工具和教學手段都在不斷豐富，現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，極大地豐富了教育教學的方式，繼多媒體技術之后，虛擬現(xiàn)實技術被開發(fā)出來，用于教育行業(yè)，極大地豐富教育手段，提高教學水平。虛擬現(xiàn)實技術是近年來科技行業(yè)廣泛關注的一個熱點問題，為人機交互界面的發(fā)展開創(chuàng)了新的領域，同時也能夠采取更多的新的方法對工程的大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化進行描述。當前在航空航天、軍事訓練、教育培訓、醫(yī)學實習以及建筑設計等諸多領域當中都出現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術的影子。在數(shù)控技術的教育領域，通過計算機建模仿真來對設備的工作情況進行模擬，對數(shù)控技術的教學產(chǎn)生了深遠的影響。

1 虛擬現(xiàn)實技術的特征

1.1 沉浸性

這個特點主要是指虛擬現(xiàn)實技術能夠?qū)⒂脩糁蒙碛谧约簽橹鹘堑哪M環(huán)境當中，用戶在這個模擬環(huán)境當中能夠具有十分真實的感受。虛擬現(xiàn)實技術通過計算機技術，根據(jù)人類在聽覺、視覺等生理心理方面的特點，產(chǎn)生和現(xiàn)實世界十分接近的虛擬環(huán)境，使用者通過頭盔顯示器以及數(shù)據(jù)手套等交互設備來使自己置身于虛擬的環(huán)境當中，使用者在虛擬環(huán)境當中能夠?qū)Ω鞣N對象進行交互作用，給用戶提供和現(xiàn)實世界同樣的使用感受。

1.2 交互性

交互性特指用戶在模擬環(huán)境當中對物體的可操作程度以及在操作之后受到環(huán)境的反饋程度，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)當中，用戶和機器的交互活動是十分接近自然狀態(tài)的，使用者除了使用鍵盤和鼠標等進行交互活動，還能夠通過特殊的頭盔和數(shù)據(jù)手套等傳感設備來進行交互活動。

1.3 多感知性

多感知性主要是指虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的計算機技術所擁有的視覺、聽覺等方面的感知之外還包括了力覺、運動、觸覺等方面的感知，甚至還能夠?qū)崿F(xiàn)味覺和嗅覺等方面的感受。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)當中配備有能夠獲得聽覺、視覺、觸覺等多方面的感知，幫助用戶實現(xiàn)身臨其境的感受。

1.4 構(gòu)想性

這方面的特點主要針對的是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中能夠擁有廣闊的詳細那個空間，是對人的認知范圍的一次拓展。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對人們生活的現(xiàn)實環(huán)境進行復制，同時還可以對客觀生活中不存在的環(huán)境進行構(gòu)想，也就是說，通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)實事物的虛擬化，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)對虛擬事物的現(xiàn)實化處理。

2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的種類

2.1 桌面型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

桌面型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)也被稱為簡易型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，是一種比較簡單的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，這種系統(tǒng)通過個人的計算機和低級的工作站就可以進行仿真，用戶體驗仿真的主要窗口就是計算機屏幕，主要的交互方式就是計算機的鼠標和鍵盤。桌面型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)最主要的優(yōu)勢就在于結(jié)構(gòu)簡單，同時價格相對低廉，因此這類虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)也是應用范圍最為廣泛的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，最大的特點就是經(jīng)濟實用，但是這套系統(tǒng)也存在著一定的問題，就是周邊環(huán)境會對桌面型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)產(chǎn)生比較大的影響，參與者對這種系統(tǒng)的沉浸性較差，真實體驗感不足。

2.2 沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

相比于桌面型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，沉浸式的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)要更加高級，這種全新的系統(tǒng)主要通過完全沉浸式的體驗，讓用戶有一種完全置身于虛擬環(huán)境的感覺。這種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的工具主要是頭盔顯示器以及其他的配合設備，將使用者的主要感官都封閉起來，然后給用戶提供一種全新的、虛擬的感官空間，同時通過數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器以及其他方面的交互設備來促使用戶完全沉浸于情境當中，獲得一種身臨其境的感受，幫助用戶全身心投入到虛擬世界的情境當中，但是這種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的缺陷也十分明顯，就是價格的問題，由于高昂的價格導致這套虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)難以推廣。

2.3 增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要是通過真實環(huán)境的作用來發(fā)揮作用的，將虛擬環(huán)境基于真實環(huán)境來幫助用戶進行體驗。這種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠讓用戶看到真實世界，同時也可以在真實世界的基礎上看到疊加起來的虛擬形象，這種全新的技術能夠減少對真實環(huán)境營造的復雜計算，同時又能夠?qū)崿F(xiàn)對實際的物體進行操作，實現(xiàn)在真實環(huán)境中體驗虛擬事物的作用。

2.4 分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要是通過遠程網(wǎng)絡來發(fā)揮作用的，這種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠?qū)⒉煌貐^(qū)的用戶連接起來，不同的用戶能夠?qū)崿F(xiàn)在相同的虛擬空間中進行交互，體驗相同的虛擬環(huán)境，在同一個環(huán)境中機型觀察與操作，達到協(xié)同合作的目的，促進虛擬系那是系統(tǒng)應用水平的提高。

3 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在教學中應用的意義

3.1 打破時間和空間的限制，開創(chuàng)全新的學習環(huán)境

通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，用戶可以實現(xiàn)對虛擬環(huán)境的體驗，這就能夠徹底打破空間對于教學的限制，學生能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)深入到機械設備的內(nèi)部，對設備進行觀察，比如說學生可以進入到虛擬原子、分子等微小物質(zhì)或者是航天工作站等不能夠深入的環(huán)境中去進行考察。初次之外，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)也可以實現(xiàn)對于時間限制的突破，很多現(xiàn)象需要通過長期的觀察才能夠得到結(jié)論，比如說一些現(xiàn)象需要通過上百年的作用才能夠?qū)崿F(xiàn)，這就需要通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應用來實現(xiàn)對反應現(xiàn)象的觀察，能夠給學生帶來最為直觀的感受。此外，對于一些機械設備的制造過程，學生不能夠親自體會，因此就可以通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的計算機技術、交互設備等來幫助學生去親自體會制造的過程，使學生能夠身臨其境的感受，同時還能夠通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)來實現(xiàn)和虛擬制造過程進行相互交流。通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，學生能夠在全新的學習環(huán)境中去進行學習，構(gòu)建起開放的、全新的教學環(huán)境。

3.2 對教學內(nèi)容進行全方位、多角度的展示，豐富教學內(nèi)容

通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對教學內(nèi)容的豐富，同時虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)實驗、實訓等訓練活動設立到課堂當中，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不具備危險性和攻擊性，因此學生能夠在課堂當中對教學內(nèi)容進行反復的練習，直到能夠完全掌握操作技能位置。同時在教學中出現(xiàn)了一部分復雜的、抽象的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象不能夠直接觀察，因此就需要借助虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對于操作現(xiàn)象進行直觀的、全方位的觀察。通過現(xiàn)代信息技術，能夠?qū)崿F(xiàn)仿真課件的制作，對虛擬情境進行創(chuàng)設，讓學生能夠進行模擬實驗，提高學生對于知識的掌握程度，對課堂內(nèi)容進行不斷豐富，提高教學水平。

3.3 營造了開放式的學習模式，改變了傳統(tǒng)的課堂

虛擬現(xiàn)實技術的應用，能夠突破傳統(tǒng)的教科書給教學帶來的限制，用戶可以通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，根據(jù)自己的學習特點來進行學習，用戶可以在自己方便的時候通過網(wǎng)絡選擇適合自己的資源進行學習，這種學習模式的探索性更強，學生能夠根據(jù)自己的實際情況來進行學習，通過這種學習模式，能夠更好地激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，學生在具體的情境中對知識進行探索，能夠提高學生的學習動力。

3.4 能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬的生產(chǎn)或者實驗，節(jié)約了教育成本

在當前我國的教育體系當中，實驗是重要的教學手段，但是實驗需要投入相關的設備和藥品，同時一些實驗工具是一次性的，就需要學校加強對于實驗器材的投入，給學校帶來一定的經(jīng)濟壓力。但是通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就能夠避免這個問題，學生在虛擬環(huán)境中進行實驗、訓練和操作，能夠避免大量的實驗器材的投入，同時虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)還能夠避免實驗帶來的一定的危險性。同時，采用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，還能夠避免學校在試驗場地、教學經(jīng)費等方面的投入，同時還能夠避免出現(xiàn)設備的破損情況，從而實現(xiàn)對教育成本的有效節(jié)約。

4 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在數(shù)控技術教學中的應用

4.1 通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對設備和儀器進行全方位的展示

傳統(tǒng)的教學模式當中，學生獲取知識的主要形式就是通過書本和各種平面圖形來了解教學的儀器和設備，或者是在現(xiàn)場對設備和儀器進行觀察，但是這種觀察獲取的信息往往都是基于各種感性認識。平面圖形對學生的空間想象力造成了一定的阻礙，同時實際的教學設備投入對學校來說又是一個不小的挑戰(zhàn)，因此可以采用虛擬現(xiàn)實技術來解決這個問題。通過虛擬現(xiàn)實技術，能夠構(gòu)建一個和實際設備完全相同的虛擬模型，比如說通過 Pro/E 建模技術，就能夠?qū)崿F(xiàn)將各種不同的教學儀器和教學設備進行實物虛化，然后將這些虛擬的設備通過立體的形式來放置在虛擬教室當中，制藥學生進入到這些虛擬的空間，就可以隨時隨地地對這些儀器和設備進行認識，同時還能夠?qū)υO備的內(nèi)部構(gòu)造進行細致的觀察，因此通過這種模式能夠很好地對數(shù)控技術教學進行輔助，幫助學生提高對學習內(nèi)容的理解，提高學習質(zhì)量。

4.2 通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)模擬實驗和仿真教學

在當前的教學過程中，實驗器材和教學儀器等的投入對于資金的要求很高，受到價格因素的限制，很多學校根本不能夠?qū)⑦@些昂貴的設備普及化，因此需要通過對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應用來解決這個問題。通過虛擬實驗室的建立，學習者能夠身臨其境地對虛擬儀器進行感受和操作，比如說在虛擬實驗室中實現(xiàn)虛擬數(shù)控系統(tǒng)的連接和組裝，通過這種教學模式，學生能夠?qū)W習內(nèi)容進行更好地把握，而且還能夠避免外界條件對于教學的限制，同時這樣的教學模式還允許學生對設備進行重復操作，直到獲得滿意的成果。此外，虛擬實驗室不會帶來人身安全方面的問題，避免由于學生的操作失誤而帶來的安全事故的出現(xiàn)。此外，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)還能夠應用與仿真軟件的制作，通過多媒體計算機的控制能夠?qū)崿F(xiàn)對虛擬數(shù)控機床操作面板的控制，同時通過模擬的編程系統(tǒng)實現(xiàn)對加工結(jié)果的仿真，輔助教學，提高教學效果。

5 結(jié)語

綜上所述，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是現(xiàn)代信息技術發(fā)展的產(chǎn)物，將其應用于教學當中，能夠構(gòu)建起虛擬的實驗室和機械設備，讓學生能夠更加直觀對平時不能夠接觸的機械和地點進行感受，同時這項技術還允許學生進行多次的實驗和操作，提高學生的學習效果。所以說，這項技術值得在數(shù)控技術的教學中進行推廣。