虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

萬(wàn)民標(biāo)

摘要：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，特別是作為“虛擬現(xiàn)實(shí)元年”的2016年以來，虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其沉浸性、交互性、多感知性持續(xù)火熱，并逐漸滲透到很多行業(yè)領(lǐng)域。而作為培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才的高職院校，實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是人才培養(yǎng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該文首先探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征，高職院校機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要特點(diǎn)，以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在其中應(yīng)用的可行性及明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也指出了存在的現(xiàn)實(shí)問題，最后針對(duì)這些問題給出了一些有效建議，并展望了高職院校虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方向。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);高職院校;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.4.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）01-0183-02

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)等的集合。是指借助計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維立體逼真環(huán)境，利用傳感技術(shù)在該環(huán)境中擁有人所具有的視覺、聽覺、觸覺、力覺、運(yùn)動(dòng)等感知能力，創(chuàng)造出一種嶄新的人機(jī)交互狀態(tài)。目前被廣泛應(yīng)用于游戲、旅游、醫(yī)學(xué)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、房產(chǎn)開發(fā)等領(lǐng)域。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)同樣也被廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)很多高校都積極研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其應(yīng)用。早在2012年由華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京郵電大學(xué)、電大在線遠(yuǎn)程教育技術(shù)有限公司聯(lián)合開展的“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范”項(xiàng)目成功獲得教育部驗(yàn)收，其中機(jī)械類選擇了《機(jī)械原理》《機(jī)械設(shè)計(jì)》《機(jī)械制造基礎(chǔ)》《金屬工藝學(xué)》《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)》《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》《機(jī)電傳動(dòng)技術(shù)》等7門課程進(jìn)行了教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革和虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。為解決了虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中的一些共性的、基礎(chǔ)性的技術(shù)難題，為真正意義上建立和推廣虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做出了很大貢獻(xiàn)。

國(guó)家教育部自2017年開始打造開放共享的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，計(jì)劃建設(shè)1000個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，并且要求項(xiàng)目被認(rèn)定后在一定時(shí)間內(nèi)面向高校和社會(huì)免費(fèi)開放并提供教學(xué)服務(wù)。給虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的應(yīng)用指明了方向，促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)服務(wù)于實(shí)踐教學(xué)，讓網(wǎng)上做實(shí)驗(yàn)和虛擬做真實(shí)驗(yàn)，成為現(xiàn)實(shí)。隨著這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的不斷實(shí)現(xiàn)和推廣，必將對(duì)我國(guó)高等教育質(zhì)量的提高產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)一步解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)的一些難題，彌補(bǔ)我國(guó)大學(xué)生動(dòng)手能力不足的問題。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特性

1.1 沉浸感

虛擬現(xiàn)實(shí)是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)造一種人為的虛擬環(huán)境，當(dāng)用戶進(jìn)入這一虛擬環(huán)境中特別是與虛擬環(huán)境有互動(dòng)交流時(shí)，會(huì)不自覺的感覺自己就是虛擬世界中的當(dāng)事者，會(huì)產(chǎn)生一種空間臨場(chǎng)感，比如VR游戲體驗(yàn)中，玩家會(huì)將自己當(dāng)作游戲中的角色，完全的沉浸進(jìn)去，會(huì)有種將虛擬體驗(yàn)當(dāng)真的感覺。

1.2 交互性

交互性是用戶在該虛擬環(huán)境下不是一味地被動(dòng)感受，即用戶除了被動(dòng)地接受來自虛擬環(huán)境的信息外，還能通過自己的動(dòng)作使虛擬環(huán)境做出改變。比如用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬的減速器虛擬拆裝實(shí)驗(yàn)中，用戶可以通過鼠標(biāo)或者其他VR設(shè)備進(jìn)行減速器各個(gè)零部件的拆卸和安裝。虛擬環(huán)境的減速器會(huì)在用戶給定的操作指令下進(jìn)行零部件位置的移動(dòng)和變化。這種使用戶由被動(dòng)到主動(dòng)的信息互動(dòng)性就是交互性。

1.3 構(gòu)想性

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅僅可以模擬真實(shí)存在的環(huán)境，還可以根據(jù)想象構(gòu)造出客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境，即可以啟發(fā)人的創(chuàng)造性思維，使用戶深化概念和萌發(fā)新的聯(lián)想。

2 高職機(jī)械類實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)現(xiàn)狀

高職院校一直以高端技術(shù)技能型人才為培養(yǎng)目標(biāo)，通過系列化的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)，培養(yǎng)起學(xué)生過硬的實(shí)踐技能以及相應(yīng)的崗位適應(yīng)能力。高等職業(yè)院校機(jī)械類專業(yè)教學(xué)尤其應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生熟練的操作技能，使學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)階段就能夠接觸甚至學(xué)會(huì)工作中需要具備的各種能力，因此對(duì)于高職機(jī)械類實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)行分析很有必要。

2.1 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程與理論課程相比，仍屬于從屬地位，重視程度不夠，體系也不夠完善

對(duì)于很多學(xué)生甚至教師來說，課堂理論知識(shí)教育才是正規(guī)的教育教學(xué)模式，是知識(shí)的主要獲取渠道，而實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課題只是理論知識(shí)的補(bǔ)充和實(shí)踐，是配套工程，首先就在心理上重視不夠。在學(xué)校方面，對(duì)于理論教學(xué)往往都有明確的考核指標(biāo)和獎(jiǎng)勵(lì)辦法，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程，則缺少相應(yīng)的規(guī)定文件。不利于老師們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程的探索。另外實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系并不完善，體現(xiàn)在對(duì)于高職院校教學(xué)評(píng)價(jià)中，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程的考察僅僅占30%左右。

2.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程所需要的軟、硬件設(shè)施不夠完善

對(duì)于機(jī)械類專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程來說，正常的開展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)往往需要完善的軟、硬件設(shè)備。但是由于高職院校的大量擴(kuò)招和教育投入經(jīng)費(fèi)的減少，使正常教學(xué)需要的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)施非常緊張。雖然知道自己需要所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)于學(xué)生的培養(yǎng)具有重要作用，但是高昂的軟硬件成本使很多高校心有余而力不足，只能用理論課替代或者用視頻展示。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探討

3.1 新的教學(xué)模式可以激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，打破時(shí)空限制

機(jī)械類專業(yè)課程如“機(jī)械原理”“機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械制造技術(shù)”等都是具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，僅僅依靠理論課程的講解難以激發(fā)學(xué)生的興趣，與傳統(tǒng)的機(jī)械理論教學(xué)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的加入可以增強(qiáng)機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的生動(dòng)性，給學(xué)習(xí)者帶來放松、感興趣等積極情緒，進(jìn)而激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。比如齒輪失效的實(shí)驗(yàn)中，失效形式有齒面點(diǎn)蝕、齒面磨損、齒面折斷、齒面膠合、塑性變形等5種形式，僅依靠文字講述，對(duì)于學(xué)習(xí)者來說會(huì)比較枯燥，如果理解不夠徹底，概念容易混淆，而用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建這五種失效場(chǎng)景，模擬齒輪從正常狀態(tài)由于某種原因逐漸形成這五種失效形式。會(huì)給學(xué)生一個(gè)更加直觀的學(xué)習(xí)感受，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，加深理解記憶。用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建機(jī)械類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬真實(shí)的教學(xué)和訓(xùn)練環(huán)境，使教學(xué)不僅僅局限于室內(nèi)課堂的教學(xué)中，而是能夠隨時(shí)隨地且能重復(fù)的進(jìn)行參與。而且在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建所需要的素材能夠免費(fèi)、實(shí)時(shí)的共享，避免資源的浪費(fèi)，提高教學(xué)效率。

3.2 可以降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，甚至達(dá)到現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成的教學(xué)目的

由于機(jī)械類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本往往都較高，做一次實(shí)驗(yàn)代價(jià)太大或者所需的時(shí)間太長(zhǎng)等。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施，可以較好地解決這些問題。用戶首先根據(jù)需要進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的搭建和模型的建立，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)置場(chǎng)景中各個(gè)要素之間的邏輯關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系。最后通過設(shè)備與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行交互，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸感和交互性完成實(shí)驗(yàn)。比如利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完成某數(shù)控機(jī)床加工零件的實(shí)驗(yàn)，主要分為實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)原理演示、實(shí)驗(yàn)操作及程序的編寫和實(shí)驗(yàn)實(shí)施等4個(gè)模塊。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊中，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中各個(gè)部件的拆卸和裝配，對(duì)每個(gè)部件的功能進(jìn)行單獨(dú)的介紹說明，以及工作中運(yùn)動(dòng)傳遞的演示。而在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中很難實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的拆裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析;在實(shí)驗(yàn)原理演示模塊中，通過輸入系統(tǒng)輸入指令，控制機(jī)床主軸及進(jìn)給等執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，完成工件的加工，結(jié)合三維動(dòng)畫演示比純理論講解的實(shí)驗(yàn)原理更容易為學(xué)生理解和接受。在實(shí)驗(yàn)操作及程序的編寫模塊中，可以進(jìn)行程序的編寫或者導(dǎo)入，而且可以增加程序自檢測(cè)功能防止誤操作。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施模塊中可以觀看工件的具體加工過程，還可以設(shè)置時(shí)間進(jìn)度，相比于現(xiàn)實(shí)中的加工，可以更加細(xì)致和快速地看到實(shí)驗(yàn)過程。

3.3 有利于降低實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、以及應(yīng)用于特殊的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

有些機(jī)械類實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程存在安全風(fēng)險(xiǎn)或者實(shí)驗(yàn)本身在特殊的環(huán)境中。比如電梯的安裝和維修，可以利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)建立電梯的三維模型，對(duì)于電梯容易出現(xiàn)故障的零件進(jìn)行標(biāo)注和故障解決的措施的介紹，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建施工作業(yè)的場(chǎng)景，并注明場(chǎng)景中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和注意事項(xiàng)，再結(jié)合動(dòng)畫技術(shù)和外部接入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)操作者與虛擬場(chǎng)景中的電梯各個(gè)部件進(jìn)行交互式安裝和維修。而有些實(shí)驗(yàn)則處于特殊的工作環(huán)境當(dāng)中，比如需要在太空作業(yè)如哈勃望遠(yuǎn)鏡的檢修任務(wù)[4]，需要在高污染環(huán)境作業(yè)如核輻射區(qū)域的任務(wù)等。通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)，在該虛擬環(huán)境中進(jìn)行全方位的培訓(xùn)以達(dá)到熟練掌握完成任務(wù)的能力。能有效預(yù)防作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，減少培訓(xùn)費(fèi)用和周期，并且能提高任務(wù)完成的成功率。

3.4虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不足以及對(duì)策研究

目前，雖然機(jī)械行業(yè)具有應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)多種有利條件，并且上文也介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入能克服傳統(tǒng)教學(xué)模式的某些不足，但是由于利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)造出來的都是一個(gè)個(gè)虛擬的世界，與現(xiàn)實(shí)環(huán)境還是存在一定的差距。如數(shù)控機(jī)床加工零件，最終產(chǎn)品的形成還要受裝夾、溫度、潤(rùn)滑、切屑處理等很多實(shí)際的因素影響，而這些因素都是在虛擬環(huán)境中容易被忽略或者難以進(jìn)行有效模擬的。另一方面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)需要大量專業(yè)類課堂素材，而由于經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系，大多數(shù)軟件公司將重點(diǎn)放在游戲等領(lǐng)域，真正做教育的大型VR技術(shù)公司還不多，從而限制了老師們?cè)谡n堂上使用與教學(xué)內(nèi)容相匹配的素材。再就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)畢竟是一宗新的模式，還沒有明確行業(yè)規(guī)范，各個(gè)軟件公司各種設(shè)備間也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)致大都是各自為戰(zhàn)，質(zhì)量參差不齊，影響行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，以下提出了幾條對(duì)策：一是需要結(jié)合機(jī)械類課程深入的開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使虛擬環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)盡量與真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，擁有高度的逼真感一方面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，另一方面也增加了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。二是機(jī)械類教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要具體教學(xué)的老師和軟件公司共同合作開發(fā)適合教學(xué)內(nèi)容的素材，發(fā)揮學(xué)校教學(xué)優(yōu)勢(shì)和企業(yè)技術(shù)開發(fā)的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)校企合作，共同高質(zhì)量地完成教學(xué)素材的開發(fā)。三是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要能很好的應(yīng)用于機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)離不開國(guó)家相關(guān)部門的項(xiàng)目和資金支持，同樣也離不開政策支持，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、積極的配套政策的出臺(tái)一定能促進(jìn)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷發(fā)展，與機(jī)械類教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)更加深度融合，不斷滿足課程改革和高技能人才培養(yǎng)的需求，對(duì)實(shí)驗(yàn)類教學(xué)模式的探索具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】