基于VR技術(shù)的《液壓與氣壓傳動(dòng)》課程的改革探索

譚正生 段勛興 趙玲杰 王德選

（重慶化工職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401228）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是信息和電子技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，VR技術(shù)就是其中之一，它在醫(yī)療、游戲、商業(yè)等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用，近年也開(kāi)始被引入教育領(lǐng)域中。其在專業(yè)課程教學(xué)中的積極運(yùn)用，可有效降低學(xué)校的教學(xué)運(yùn)行成本和實(shí)訓(xùn)操作中的安全風(fēng)險(xiǎn)，更有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和動(dòng)手操作能力。因此，在高職《液壓與氣壓傳動(dòng)》課程的教學(xué)改革實(shí)踐中，將VR技術(shù)引用到理論與實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，有助于提高教學(xué)效果。

1 VR技術(shù)概述

VR技術(shù)，也稱為虛擬仿真技術(shù)[1]，這一項(xiàng)技術(shù)最初在美國(guó)被人們提出，并開(kāi)展了大量的研究，隨后世界上很多國(guó)家也開(kāi)展了該項(xiàng)技術(shù)的研究，并成功應(yīng)用到了商業(yè)、游戲等多個(gè)領(lǐng)域。近年VR技術(shù)在我國(guó)得到了飛速的發(fā)展，并在很多領(lǐng)域中得到了實(shí)踐運(yùn)用，而教育領(lǐng)域便是其中之一。由于VR技術(shù)具有沉浸感、交互性、想象力等特點(diǎn)，近年來(lái)我國(guó)的一些高校將其運(yùn)用在教學(xué)和科學(xué)研究中[2-3]。將VR技術(shù)引入理論和實(shí)踐性都較強(qiáng)的《液壓與氣壓傳動(dòng)》課程教學(xué)中，可有效地解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在資源有限、安全風(fēng)險(xiǎn)等諸多問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的提升。

2 VR技術(shù)在液壓與氣壓傳動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 《液壓與氣壓傳動(dòng)》課程的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

《液壓與氣壓傳動(dòng)》是一門理論和實(shí)踐相結(jié)合的綜合專業(yè)課，也是機(jī)械專業(yè)學(xué)生的必修課，其學(xué)習(xí)目的是培養(yǎng)能解決一線生產(chǎn)中實(shí)際問(wèn)題的技術(shù)人才，而非專門從事設(shè)計(jì)工作的技術(shù)人員。其教學(xué)的目標(biāo)是讓學(xué)生掌握液壓、氣動(dòng)的基本原理，元件的結(jié)構(gòu)和性能，在操縱和控制方面的具體應(yīng)用。在課程設(shè)置上適當(dāng)降低理論部分的難度和深度，更注重實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的實(shí)踐能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生參與實(shí)踐的主觀能動(dòng)性。

目前，該課程在傳統(tǒng)教學(xué)中存在以下不足：

2.1.1 識(shí)圖理解有限

課程中很多元件的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，多以平面結(jié)構(gòu)圖或小動(dòng)畫(huà)的方式呈現(xiàn)，對(duì)學(xué)生的空間想象能力有很高的要求，學(xué)生很難理解其中結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。另外課程中的液壓回路和氣動(dòng)回路種類繁多，復(fù)雜的回路增加了學(xué)生的理解難度，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2．1．2 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)資源有限

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中需要大面積的場(chǎng)地和大量的設(shè)備儀器等，才能滿足學(xué)生的實(shí)訓(xùn)需求，但目前很多學(xué)校由于各種原因不具備以上條件，設(shè)備儀器和元件的數(shù)量有限，很難做到將每種元件的實(shí)物提供給每個(gè)學(xué)生使用，即使采用分組使用的方式，也很難全面覆蓋到每一個(gè)學(xué)生。導(dǎo)致沒(méi)能充分發(fā)揮出實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)在整個(gè)教學(xué)中的作用，也很難有效的檢驗(yàn)和提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

2．1．3 設(shè)備和元件使用壽命有限

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)過(guò)程中，設(shè)備和元件存在嚴(yán)重的損耗，學(xué)生在反復(fù)拆卸和裝配時(shí)，由于一些非正常操作導(dǎo)致其使用壽命縮短，需要定期更新，增加了學(xué)校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)成本。

2．1．4 安全風(fēng)險(xiǎn)

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)過(guò)程中，由于部分設(shè)備和元件的零部件重量較重，存在傾倒扎傷、觸電等安全風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致設(shè)備損壞或人身安全事故。因此多數(shù)元件只能固定實(shí)訓(xùn)點(diǎn)、固定零件進(jìn)行展示，學(xué)生很難在有限時(shí)間內(nèi)看清其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，理解其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。

2.2 VR技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中的具體應(yīng)用

針對(duì)《液壓與氣壓傳動(dòng)》課程運(yùn)用傳統(tǒng)教學(xué)方式中存在的諸多不足，結(jié)合VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，下面就VR技術(shù)在《液壓與氣壓傳動(dòng)》教學(xué)環(huán)節(jié)中的具體應(yīng)用進(jìn)行探討。

2．2．1 理論教學(xué)中的應(yīng)用

運(yùn)用VR技術(shù)將直接改變教學(xué)演示方式，傳統(tǒng)教學(xué)多采用多媒體和板書(shū)相結(jié)合的教學(xué)演示方式，這種方式對(duì)學(xué)生的代入感不強(qiáng)烈，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。例如，在具體課程教學(xué)中創(chuàng)建液壓元件和氣動(dòng)元件模塊，對(duì)元件進(jìn)行真實(shí)展示，結(jié)合先進(jìn)的VR技術(shù)，讓學(xué)生直接明了的掌握元件的核心要點(diǎn)。采用VR技術(shù)3D仿真展示元件構(gòu)造的方式，元件的實(shí)物模型直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，學(xué)生可以近距離、多角度地觀察其機(jī)械結(jié)構(gòu)，加深理解。展示時(shí)可采用爆炸、剖視、透明、隱藏、恢復(fù)等功能，逐級(jí)剝離復(fù)雜元件的裝配關(guān)系。利用爆炸顯示功能，可讓學(xué)生直觀的了解元件由哪些零件組成，各個(gè)零件的外形結(jié)構(gòu)；利用剖視、透明技術(shù)，讓學(xué)生在不拆卸元件的情況下觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如遇個(gè)別零件遮擋的情況下，可利用隱藏功能，將其隱藏，只顯示需要觀察的零件；利用恢復(fù)功能則能使元件恢復(fù)到初始的顯示狀態(tài)。比如通過(guò)動(dòng)態(tài)展示的方式，模擬流體在元件中的實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)，以及元件中零件的動(dòng)作情況，清晰地展示了元件的實(shí)際工作狀態(tài)，學(xué)生很容易就理解其工作原理。

另外，VR技術(shù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)和考試與傳統(tǒng)線下教學(xué)形成互補(bǔ)，豐富了學(xué)生學(xué)習(xí)的渠道。

2．2．2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中資源有限，且常出現(xiàn)設(shè)備的損壞和缺失，使用壽命短等問(wèn)題。而運(yùn)用VR技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)虛擬的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可很好地解決這些問(wèn)題。將需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器等轉(zhuǎn)換為數(shù)字模型，導(dǎo)入創(chuàng)建的虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，可在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)選擇需要的設(shè)備、儀器等模型，搭建相應(yīng)的液壓回路和氣動(dòng)回路，并按實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行虛擬仿真，實(shí)時(shí)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，做進(jìn)一步的處理和分析。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如出現(xiàn)故障，學(xué)生可以進(jìn)行故障的分析及排除，激發(fā)了學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦的主動(dòng)性，增加了實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)性。學(xué)生通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，印證自己的想法，熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程，避免了出現(xiàn)不熟悉實(shí)驗(yàn)要求，操作失誤帶來(lái)的設(shè)備損壞或人身安全事故。

2．2．3 實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

實(shí)訓(xùn)教學(xué)是液壓與氣壓傳動(dòng)課程教學(xué)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，因受場(chǎng)地和設(shè)備有限的制約，很難發(fā)揮其在整個(gè)教學(xué)中的促進(jìn)作用。通過(guò)VR技術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)，可以有效地解決以上問(wèn)題，同時(shí)節(jié)省實(shí)訓(xùn)設(shè)備、工具和耗材等，降低實(shí)訓(xùn)成本。例如，搭建虛擬實(shí)訓(xùn)車間，構(gòu)建體驗(yàn)感較強(qiáng)的車間場(chǎng)景，并配備相應(yīng)的工具、操作手冊(cè)等。學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)操作，就可完成元件的拆卸、裝配和調(diào)試等內(nèi)容。學(xué)生要完成虛擬拆裝的操作，首先需仔細(xì)閱讀操作手冊(cè)，并按規(guī)定要求進(jìn)行操作才能進(jìn)入下一步的操作，督促學(xué)生養(yǎng)成良好的習(xí)慣，有效的規(guī)范學(xué)生的實(shí)訓(xùn)操作。同時(shí)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生在操作過(guò)程的零件、工具的擺放等進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督，對(duì)操作速度、錯(cuò)誤等過(guò)程信息進(jìn)行記錄，有助于學(xué)生自我改進(jìn)，指導(dǎo)教師掌握學(xué)生的操作情況并進(jìn)行針對(duì)性的指導(dǎo)。

3 結(jié)論

《液壓與氣壓傳動(dòng)》課程的學(xué)習(xí)由于其理論和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)教學(xué)方式很難培養(yǎng)出非常優(yōu)秀的具有創(chuàng)新和實(shí)踐能力的學(xué)生。將VR技術(shù)引入液壓與氣壓傳動(dòng)課程教學(xué)中，通過(guò)VR技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)方式相結(jié)合，能使學(xué)生更好地理解和掌握液壓元件的結(jié)構(gòu)與原理、制造與裝配工藝、使用與操作，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高其實(shí)踐操作能力。