基于VR 的鉆床工程實(shí)踐教學(xué)輔助系統(tǒng)的探索與研究

孫治博，史成坤，李瑞豪，潘卓午，張夢(mèng)森

（北京航空航天大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，北京 102206）

工程訓(xùn)練中心是本科生教育的最大實(shí)踐課程教學(xué)平臺(tái)，系統(tǒng)地開(kāi)展培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[1-4]?！半p一流”建設(shè)方案中提到要培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的各類創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才，加強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)踐教育，大力推進(jìn)個(gè)性化培養(yǎng)是推動(dòng)“雙一流”建設(shè)的必要舉措[5-6]。2018 年 4 月 3 日，教育部印發(fā)了關(guān)于《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》的通知，虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)作為人工智能創(chuàng)新行動(dòng)的一部分被列入其中，這對(duì)于推廣和促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和工程實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合有著十分重要的作用[7]。

虛擬現(xiàn)實(shí)利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生出一個(gè)三維空間的虛擬環(huán)境，使用者通過(guò)使用傳感設(shè)備與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)交互、感知，獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬信息刺激，產(chǎn)生身臨其境的感受和體會(huì)。將VR 技術(shù)應(yīng)用于工程訓(xùn)練類教學(xué)領(lǐng)域能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)訓(xùn)練設(shè)備不足、場(chǎng)地不夠、訓(xùn)練不充分等問(wèn)題，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中通過(guò)充分的練習(xí)和訓(xùn)練，在提高實(shí)訓(xùn)效果的同時(shí)降低訓(xùn)練成本[8-12]。

本文旨在結(jié)合高校自身特色與理論實(shí)踐教學(xué)，為解決工程實(shí)踐教學(xué)量大面廣對(duì)應(yīng)的設(shè)備與師資問(wèn)題，提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輔助教學(xué)模式，搭建虛擬訓(xùn)練操作教學(xué)平臺(tái)。教師在對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)際訓(xùn)練指導(dǎo)之前，讓學(xué)生體驗(yàn)虛擬操作，起到熟悉操作流程、避免錯(cuò)誤操作與危險(xiǎn)操作的作用，同時(shí)減少學(xué)生實(shí)踐操作摸索的時(shí)間，以達(dá)到緩解教師教學(xué)壓力、提高實(shí)踐教學(xué)課程效率的目的。

1 工程實(shí)踐教學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的構(gòu)建基礎(chǔ)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)高校中的應(yīng)用

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)國(guó)內(nèi)多所高校，如天津大學(xué)基于VRML 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，利用SGI 硬件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出了虛擬校園。浙江大學(xué)在國(guó)家“863”成果展上也展示了該校設(shè)計(jì)的虛擬校園。中央廣播電視大學(xué)遠(yuǎn)程教育學(xué)院采用基于 Internet 的游戲圖形引擎，并且將網(wǎng)絡(luò)學(xué)院的實(shí)際功能與圖形引擎進(jìn)行了結(jié)合，突破了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在校園瀏覽上的功能作用，實(shí)現(xiàn)了VR技術(shù)在基礎(chǔ)平臺(tái)上的大規(guī)模運(yùn)用。南京理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心建設(shè)了“現(xiàn)代制造企業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，仿真現(xiàn)代制造企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作與管理模式，開(kāi)發(fā)基于Windchill 平臺(tái)的教學(xué)系統(tǒng)，讓學(xué)生體驗(yàn)產(chǎn)品全生命周期管理[13]?，F(xiàn)階段高校中VR 的應(yīng)用更側(cè)重于效果體驗(yàn)，而本文所創(chuàng)新的教學(xué)模式更側(cè)重實(shí)踐與理論的教學(xué)講解、虛擬環(huán)境操作的討論與測(cè)評(píng)，以及虛擬環(huán)境的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的硬件設(shè)備與軟件環(huán)境

虛擬訓(xùn)練操作教學(xué)開(kāi)源平臺(tái)的構(gòu)建依賴于開(kāi)源的軟件環(huán)境與匹配的硬件設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)源平臺(tái)建設(shè)，選擇Unreal Engine（虛幻引擎，簡(jiǎn)稱UE）作為平臺(tái)開(kāi)發(fā)的軟件引擎。該引擎能夠提供一個(gè)完全開(kāi)源的編程環(huán)境，學(xué)生可以借助此平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，同時(shí)在虛擬環(huán)境搭建上，UE 能夠呈現(xiàn)更逼真的渲染效果，提升學(xué)生體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容的沉浸感。

HTC Vive 是由HTC 與Valve 聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一款虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器產(chǎn)品，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的定位效果，有較高的分辨率（1 280×1 080 像素），能夠有效地降低網(wǎng)格效應(yīng)（screen door effect）。同時(shí)，UE能夠提供對(duì)HTC Vive 設(shè)備的良好支持。

2 基于VR 的鉆床操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

鉆床是工程實(shí)踐訓(xùn)練教學(xué)中最簡(jiǎn)單的操作平臺(tái)，也是我校機(jī)械制造訓(xùn)練實(shí)踐課程中不可缺少的一部分。搭建一套VR 的操作系統(tǒng)可以將鉆床操作的基本教學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，讓學(xué)生可以通過(guò) VR 切實(shí)體驗(yàn)鉆床加工的過(guò)程，降低了機(jī)床操作的門檻，保障了操作人員的自身安全，節(jié)省了成本和空間，同時(shí)提高了授課的趣味性。

虛擬鉆床操作平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建的流程如圖 1所示。結(jié)合實(shí)際鉆床的操作環(huán)境，了解鉆床的結(jié)構(gòu)并掌握鉆床的操作規(guī)程，以此為基礎(chǔ)在 Pro/E 環(huán)境下建立鉆床的虛擬樣機(jī)模型，模擬實(shí)訓(xùn)的操作環(huán)境，主要包括工作臺(tái)和操作規(guī)程語(yǔ)音講解。將以上虛擬樣機(jī)模型以及操作環(huán)境導(dǎo)入U(xiǎn)nreal Engine 環(huán)境中，根據(jù)操作規(guī)程在 UE 環(huán)境下編譯來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。完成運(yùn)動(dòng)編譯以后，還需要結(jié)合HTC Vive 設(shè)備進(jìn)行操作調(diào)試，根據(jù)正常的操作習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)操作功能。通過(guò)調(diào)試后，讓參與鉆床實(shí)訓(xùn)的學(xué)生進(jìn)行VR 操作體驗(yàn)，對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行評(píng)價(jià)與反饋，用于平臺(tái)的進(jìn)一步改善。

圖1 虛擬鉆床操作平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建流程

3 輔助教學(xué)內(nèi)容的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐

3.1 虛擬環(huán)境下的理論課程講解

鉆床虛擬現(xiàn)實(shí)操作平臺(tái)旨在輔助鉆床操作的工程實(shí)踐教學(xué)，該輔助教學(xué)內(nèi)容由兩大部分組成，如圖 2 所示：①VR 動(dòng)畫與教學(xué)音頻指導(dǎo)；②VR 鉆床操作教學(xué)。

在VR 動(dòng)畫與教學(xué)音頻指導(dǎo)部分，指導(dǎo)教師會(huì)將鉆床的操作流程與規(guī)范錄制成音頻，作為虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的指導(dǎo)旁白，鉆床在虛擬環(huán)境中會(huì)配合音頻的講解通過(guò)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫予以體現(xiàn)，如圖 2(b)所示。在整個(gè)過(guò)程中，學(xué)生需要佩戴VR 眼鏡、耳機(jī)，操作手柄僅用于調(diào)整場(chǎng)景的視角，并不能夠操作平臺(tái)，如圖2(a)所示。該環(huán)節(jié)時(shí)長(zhǎng)約3 min，目的是讓學(xué)生了解鉆床的操作規(guī)程。

圖2 VR 動(dòng)畫與教學(xué)音頻指導(dǎo)環(huán)節(jié)

3.2 虛擬環(huán)境下的鉆床操作實(shí)踐環(huán)境開(kāi)發(fā)

在VR 鉆床操作教學(xué)部分，學(xué)生開(kāi)始在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作，該環(huán)節(jié)目前設(shè)計(jì)為單一的零件鉆孔加工，具體操作過(guò)程包括虎鉗的定位、零件的夾緊、機(jī)床的開(kāi)關(guān)、鉆頭的進(jìn)給4 部分內(nèi)容。整個(gè)操作過(guò)程按照一定的順序進(jìn)行編排，如圖3 所示，只有完成之前的內(nèi)容，才會(huì)觸動(dòng)下一部分內(nèi)容的進(jìn)行。對(duì)于操作規(guī)程中提到的危險(xiǎn)操作，一旦有學(xué)生發(fā)生誤操作，系統(tǒng)會(huì)給出嚴(yán)重的警告，從而避免在實(shí)際工程實(shí)踐中由于誤操作而帶來(lái)的危險(xiǎn)。

該項(xiàng)輔助教學(xué)內(nèi)容安排在實(shí)踐教學(xué)之前，只有學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成了項(xiàng)目的演練操作后，再由指導(dǎo)教師安排去進(jìn)行實(shí)際的工程實(shí)踐訓(xùn)練，完成項(xiàng)目的實(shí)際操作。該內(nèi)容的設(shè)計(jì)將虛擬環(huán)境中總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)帶入到實(shí)踐操作中，節(jié)約成本，釋放了教師的壓力，真正體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)。

圖3 VR 鉆床操作過(guò)程

4 結(jié)語(yǔ)

基于VR 的鉆床工程實(shí)踐教學(xué)輔助系統(tǒng)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與自主學(xué)習(xí)熱情，保障了操作人員的自身安全，節(jié)省了成本和空間。目前該系統(tǒng)處于試運(yùn)行階段，有29 名學(xué)生、15 名工訓(xùn)教師進(jìn)行了平臺(tái)體驗(yàn)，所有教師與學(xué)生都認(rèn)可該平臺(tái)的價(jià)值，并提出了改進(jìn)建議。將該系統(tǒng)應(yīng)用到教學(xué)環(huán)節(jié)，未來(lái)還需要做到以下幾點(diǎn)：①在加工過(guò)程中體現(xiàn)出加工精度。②擴(kuò)展加工設(shè)備，增加工程實(shí)踐的種類。③增設(shè)討論、協(xié)作與互動(dòng)環(huán)節(jié)。④以項(xiàng)目的形式帶入VR 環(huán)境，豐富加工內(nèi)容。

隨著平臺(tái)的不斷開(kāi)發(fā)與完善，該教學(xué)模式可以應(yīng)用到更多的實(shí)踐類課程中，拓展實(shí)踐環(huán)境，增強(qiáng)課程項(xiàng)目的復(fù)雜性與綜合性，為廣大師生提供便捷的課程服務(wù)。該教學(xué)模式的推廣對(duì)于工程實(shí)踐類教學(xué)課程內(nèi)容的豐富以及實(shí)踐類教學(xué)的不斷改進(jìn)將起到重要作用。