虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職教育機(jī)電類專業(yè)課程中的應(yīng)用

鐘石根 朱麗敏 張良杰 唐志偉

摘 ? 要：首先，文章提出一種有效提高教學(xué)質(zhì)量的方法，介紹虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn);其次，論述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電機(jī)、供配電技術(shù)、機(jī)械制圖等機(jī)電類專業(yè)教學(xué)改革中的應(yīng)用;最后，總結(jié)出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)電類教學(xué)中有明顯的優(yōu)點(diǎn)以及存在的現(xiàn)實(shí)問題。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);課程教學(xué);教學(xué)效果

1 ? ?VR技術(shù)在機(jī)電類專業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

機(jī)電類專業(yè)教學(xué)具有電壓高、電流大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、設(shè)備種類繁多等特點(diǎn)，尤其在電機(jī)實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、電工接線、電力、儀表認(rèn)知和自動(dòng)控制裝置，特別是在帶電部位操作、違章供電、信號(hào)缺陷、加工中心違規(guī)操作，驗(yàn)電設(shè)備損壞等給師生造成了安全隱患。為了進(jìn)一步重現(xiàn)各環(huán)節(jié)操作過程以及違規(guī)操作的完全隱患，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的工匠精神，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)成為機(jī)電類課程教學(xué)的重要手段，能夠形象生動(dòng)地表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，有效模擬真實(shí)的環(huán)境，提高學(xué)生掌握知識(shí)技能的效率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)非常適用于在機(jī)電類專業(yè)教育中開展具象教學(xué)、原理展示、模擬操作等教學(xué)環(huán)節(jié)。

2 ? ?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

VR是指利用三維圖形生成、多傳感交互、多媒體、人工智能、人機(jī)接口、高分辨顯示等高新科技，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行全面仿真的一種技術(shù)，是多媒體技術(shù)發(fā)展的高級(jí)階段，其人機(jī)交互方式得到重大改進(jìn)。

在教育領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的PPT教學(xué)無法有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，如何打破沉悶的課堂，讓學(xué)生積極參與課堂教學(xué)，成為社會(huì)研究的重要課題。而沉浸式的VR環(huán)境能夠營造生動(dòng)、逼真、身臨其境的環(huán)境，更容易讓學(xué)生印象深刻，讓教育模式從傳統(tǒng)的“被動(dòng)接受式”學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的“自主探究式”學(xué)習(xí)。靜態(tài)的原理圖無法呈現(xiàn)整個(gè)詳細(xì)的工作過程，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)越性可以有效克服這一缺點(diǎn)，提高教學(xué)質(zhì)量與效率。

3 ? ?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)電類課程教學(xué)中的應(yīng)用

機(jī)電類專業(yè)技術(shù)是一門復(fù)雜的多學(xué)科交叉融合技術(shù)，不僅涉及機(jī)械、設(shè)備、電工、電子、儀器儀表、電力系統(tǒng)、過程控制等，還涉及計(jì)算機(jī)學(xué)科專業(yè)的內(nèi)容。由于各職業(yè)院校辦學(xué)條件及教學(xué)設(shè)備情況等不一致，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對(duì)于理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用接觸較少。所配靜態(tài)插圖無法說明整個(gè)動(dòng)態(tài)的工作過程，因此，機(jī)電類教學(xué)效果并不盡如人意，亟需新的教學(xué)方法和教學(xué)手段來改善教學(xué)效果。本文研究了VR技術(shù)在機(jī)電類課程教學(xué)改革中的應(yīng)用。

3.1 ?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

電機(jī)的主要教學(xué)內(nèi)容包括：?jiǎn)蜗嘧儔浩鲗?shí)驗(yàn)、三相變壓器的連接組和不對(duì)稱短路、三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的工作特性、三相同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性、三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的星三角啟動(dòng)。轉(zhuǎn)變后的課堂采用了VR學(xué)習(xí)設(shè)備，學(xué)生可以通過VR一體機(jī)，把電動(dòng)機(jī)拆開，深入內(nèi)部看到電動(dòng)機(jī)部件的構(gòu)成關(guān)系，如圖1所示?？梢酝ㄟ^手觸筆看到轉(zhuǎn)動(dòng)與不動(dòng)的部件，還可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。通過該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)裝置可以完成電機(jī)拖動(dòng)類實(shí)驗(yàn)、變壓器實(shí)驗(yàn)等，如圖2所示，通過模塊化組合的方式，靈活組合各類模塊，滿足電機(jī)教學(xué)的需求。

3.2 ?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在供配電技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

供配電技術(shù)具有高電壓、大電流、接線復(fù)雜、規(guī)模龐大、設(shè)備種類繁多等特點(diǎn)。因此，為了逼真再現(xiàn)供配電各環(huán)節(jié)操作過程和運(yùn)行狀態(tài)，讓學(xué)生了解電力工程運(yùn)行，虛擬仿真成為教學(xué)的重要手段，如圖3—4所示。

3.3 ?虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“機(jī)械制圖”教學(xué)中的應(yīng)用

“機(jī)械制圖”是機(jī)電類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要涉及零件圖和裝配圖，此外還有布置圖、示意圖和軸制圖等。表達(dá)機(jī)械結(jié)構(gòu)形狀的圖形，常用的有視圖、剖視圖和剖面圖等。在“機(jī)械制圖”課程教學(xué)中，學(xué)生的空間思維不強(qiáng)，對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)認(rèn)知不足等，尤其在對(duì)與組合體的結(jié)構(gòu)形式、裝配體的識(shí)讀理解等方面上，傳統(tǒng)的制圖教學(xué)方式無法滿足良好教學(xué)效果的要求，如圖5所示。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品的三維模型，能觀看到完整的截?cái)嗝婕?xì)節(jié)，相當(dāng)于接近標(biāo)準(zhǔn)剖視圖，對(duì)學(xué)生理解立體構(gòu)型并繪制有很大的幫助，如圖6所示。

4 ? ?結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)電類教學(xué)中有明顯的優(yōu)點(diǎn)，有利于開展“探究式”學(xué)習(xí)。但是目前的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)硬件設(shè)備價(jià)格相對(duì)較貴，還應(yīng)與真實(shí)的傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，互為彌補(bǔ)，各取所長。對(duì)于有一定實(shí)力的學(xué)校，可以購置VR設(shè)備和資源，甚至可以裝備VR教室，率先進(jìn)行VR教育教學(xué)創(chuàng)新的探究，形成學(xué)校的辦學(xué)特色。VR教育作為新生的技術(shù)，對(duì)于如何更好地運(yùn)用到課程中、合理安排教學(xué)進(jìn)程、更好地與傳統(tǒng)課程相融合、利用VR技術(shù)引領(lǐng)學(xué)生開展探究式學(xué)習(xí)等，還需要進(jìn)一步研究。但是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在教學(xué)過程中將有著廣闊的應(yīng)用。

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Application of virtual reality technology in mechanical and

electrical courses of higher vocational education

Zhong Shigen， Zhu Limin， Zhang Liangjie， Tang Zhiwei

（School of Information Engineering， Xiamen Nanyang University， Xiamen 361102， China）

Abstract：First of all， this paper puts forward an effective method to improve the quality of teaching， introduce the characteristics of virtual reality technology; secondly， discuss the application of virtual reality technology in the teaching reform of electromechanical specialty such as motor， power supply and distribution technology， mechanical drawing and so on; finally， summarize the application of virtual reality technology has obvious advantages and existing practical problems in electromechanical teaching.

Key words：virtual reality; course teaching; teaching effect