虛擬仿真技術(shù)在機械類課程教學中的應用

朱可欣，郭華鋒，趙朝俊，司榮，王彥淞，周國慶

（徐州工程學院機電工程學院，江蘇徐州 221018）

一、研究背景

在眾多的專業(yè)游戲引擎中Unity 3D軟件因其界面友好、優(yōu)異的跨平臺性能、較高的可視化水平、易操作和插件種類豐富等優(yōu)點在虛擬仿真課程開發(fā)應用中日益廣泛。李夢如等人[1]基于Unity 3D平臺開發(fā)了液壓虛擬仿真實驗，在液壓課程實驗教學中得到較好應用；武照云等人[2]采用Unity 3D軟件構(gòu)建了機械原理與設(shè)計虛擬仿真實驗教學平臺，增強了學生互動，提高學生學習積極性；李哲等人[3]基于Unity 3D軟件搭建了石油機械方面的虛擬平臺建設(shè)，帶領(lǐng)學生認識學習石油機械方面的理論知識和實踐操作技能，同時降低安全性低和成本過高等問題；張俊等人[4]基于Unity 3D軟件開發(fā)了RV減速器的虛擬仿真系統(tǒng)，不僅增強了學生們學習的興趣，還節(jié)省大量實踐教學投入。

機械類課程理論性和實踐性都很強，機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程作為專業(yè)核心課程，較多知識點都非常抽象和難以理解。傳統(tǒng)的教學模式存在以下問題：老師的時間有限，實驗課程需要小班教學，一對一解決學生問題，這給實驗教學增加諸多困難；學生操作不熟練、經(jīng)驗不足、缺乏安全意識，容易造成操作失誤，引發(fā)安全隱患等問題；學生接受知識較被動，與老師交流少，積極性差；實踐環(huán)節(jié)存在人均設(shè)備不足，不能觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不能重復性學習等問題，導致實踐效果難以令人滿意。

創(chuàng)新教學方式，將虛擬仿真融入到教學中。虛擬仿真具有可適用性強、時間不受限制、安全性高等特點，因此，基于Unity 3D軟件將實踐環(huán)節(jié)虛擬仿真化，采用沉浸式開發(fā)理念，可以供學生反復學習和使用，可在任何時間任何地點在計算機上進行學習操作，避開實驗風險，增加了反饋環(huán)節(jié)，可供老師在后臺統(tǒng)計學生存在的問題，進行統(tǒng)一講解，節(jié)省了反復低效講解的時間，對于提高教學質(zhì)量意義較大[4]。

二、虛擬仿真的基本流程及實現(xiàn)

文中主要以Unity 3D軟件為例來闡述其在機械類課程教學中的應用。虛擬仿真實驗的開發(fā)可以采用主流的三維建模軟件UG、Creo和SolidWorks等構(gòu)建3D虛擬實驗模型，基于Sketchup軟件進行實驗場景建設(shè)，利用Keyshot和3D Max等軟件進行模型渲染，最后基于Unity 3D平臺進行虛擬仿真實驗的開發(fā)，具體流程見圖1。

圖1 虛擬仿真的基本流程

（一）Unity 3D軟件虛擬仿真的功能要求

Unity 3D功能強大、界面友好，為實現(xiàn)機械類課程的教學效果，需要用到虛擬仿真以下功能：

1.文本導入與編輯功能

基本知識與實驗指導書需要導入虛擬仿真平臺，作為學生熟悉實驗的第一步，與虛擬仿真實驗操作對應，幫助學生將課內(nèi)知識與實踐融會貫通。資料詳細且專業(yè)性強，將課本知識提煉與實際操作相互連接，方便學生查閱，幫助學生通過反復學習，牢記知識點。

2.視角設(shè)計功能

為學生提供第一視角的操作環(huán)境，借助虛擬人物，實現(xiàn)學生沉浸式瀏覽與操作體驗，也可通過鼠標操作，轉(zhuǎn)換視角，方便不同習慣的學生調(diào)整機器視角，全方位地觀看學習，方便操作。

3.運動仿真功能

為追求實驗場景的真實性，如拆裝機器，拆裝下來的零部件的放置路徑與位置可通過運動仿真功能實現(xiàn)，這不僅能實現(xiàn)拆裝的整齊性，同時可教導學生拆裝注意事項，培養(yǎng)學生認真仔細的態(tài)度。機器使用操作涉及機器各部分運動，通過虛擬仿真實驗模擬，形象復現(xiàn)機器實際使用過程中對應操作的運動狀態(tài)。

（二）Unity 3D軟件虛擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)

1.場景和模型構(gòu)建

虛擬仿真中各種場景的構(gòu)建是虛擬仿真實驗搭建的重要一環(huán)，模擬實驗場景的建設(shè)為學生進行沉浸式實驗提供良好的氛圍條件。虛擬廠房、虛擬人物、實驗室等是形成一個真實虛擬世界的關(guān)鍵，其模型可采用SolidWorks、3D Max、UG、Zbrush等第三方軟件建立，并通過固定格式文件導入虛擬場景中，根據(jù)自己所需設(shè)計布局形成虛擬世界。在場景建設(shè)中，實驗設(shè)備三維圖在Solidworks中構(gòu)建完成后，經(jīng)3D Max與Keyshot渲染后導入Unity 3D軟件進行實驗設(shè)計追求實驗模型真實性，進一步進行拆裝零部件順序教學、識別零部件名稱與作用、操作步驟指導等設(shè)計制作。

2.場景渲染

為實現(xiàn)實驗場景真實逼真的效果，需要在虛擬仿真中采用多種方法進行渲染、貼圖等處理，也可以通過光照與燈光的數(shù)量、樣式、亮度與位置調(diào)節(jié)，使場景更加貼近真實實驗場景。實驗場景外形搭建渲染一般通過Unity 3D中的貼圖功能，實驗儀器與需要學習操作技能的機器渲染的主要方法分為兩種，其一可通過Unity 3D的內(nèi)置構(gòu)件、材質(zhì)庫等進行貼圖等處理，也可以通過模型導入Keyshot等渲染軟件中進行初步渲染，軟件有針對不同材質(zhì)的材質(zhì)庫，又分為同一材質(zhì)不同顏色的效果，最終導入實驗場景中進行修正。兩種處理方法可使實驗場景、實驗設(shè)備等更加逼真，使學生有更加直觀感受，有助于幫助學生提高學習實驗課程的興趣與積極性。

3.場景運動和動畫

在虛擬仿真實驗室中需要以第一視角漫游，學習實驗設(shè)備操作和實驗設(shè)備運行等動作，其主要基于Unity 3D內(nèi)置的Mecanim系統(tǒng)和碰撞檢測算法進行設(shè)置，如碰到墻壁行走會受到限制，更加有效地模擬了現(xiàn)實實驗的操作過程以及操作的嚴謹性和邏輯性?？梢允箤W生更加清楚設(shè)備的運行原理以及操作過程。

4.其他重要組件

Unity 3D是一款具有強大功能的虛擬開發(fā)軟件，其不僅包括內(nèi)部軟件功能，還包括各類插件，例如狀態(tài)機、Avpro Video等插件，基于此類插件可以進行外部視頻、文檔導入等，可以在實驗教學環(huán)境中，播放循環(huán)視頻等。

基于以上技術(shù)打造出趨近于真實的虛擬仿真模擬系統(tǒng)，使學生更好地融入課程實驗學習中，可以更好地實現(xiàn)學中玩、玩中學的理念，增強學生學習實現(xiàn)的積極性，培養(yǎng)學生主動學習實驗知識與操作的能力，促進學生更好地吸收、消化和掌握已學知識。

（三）Unity 3D軟件中虛擬仿真的實現(xiàn)

下面以機械類課程為例闡述虛擬仿真實驗在Unity 3D平臺中的實現(xiàn)過程。

1.虛擬仿真實驗整體架構(gòu)的設(shè)計

在進行虛擬仿真實驗開發(fā)之前必須要有頂層設(shè)計，基于學生和課程實驗需求來考慮，搭建虛擬仿真實驗場景，實現(xiàn)提升學生實踐技能和鍛煉學生創(chuàng)新能力的目的[5]。開設(shè)基礎(chǔ)知識引導、實驗操作演示與講解、基礎(chǔ)知識考核和實驗操作考核、后臺監(jiān)管反饋四類模塊，為學生提供全方位的實驗指導。且Unity 3D界面美觀、易操作、能夠包含實驗的工程內(nèi)涵、能夠?qū)崿F(xiàn)實驗的全部步驟、能夠?qū)嶒炦^程進行考核。

2.企業(yè)廠房或?qū)嶒炇覉鼍暗拇罱?/p>

虛擬仿真實驗室或企業(yè)廠房需根據(jù)現(xiàn)實場景進行搭建，打造更加真實的實驗或企業(yè)工作環(huán)境，使學生更融入到虛擬現(xiàn)實中，更好地為未來更快適應企業(yè)或?qū)嶒灜h(huán)境提供先決條件。本項目主要使用Unity 3D軟件進行地形編輯，通過材質(zhì)貼圖等功能進行場景渲染，使場景真實感和代入感更強，通過其他外部三維軟件進行實驗場景或企業(yè)廠房的建模，輔助完成實驗場景或企業(yè)廠房的搭建，激發(fā)學生學習與動手操作的興趣。

3.實驗設(shè)備、工具和材料構(gòu)建及渲染

在機械類課程實驗中，不僅用到各種設(shè)備，還經(jīng)常用到各種工具和相應的實驗材料，進行拆裝、測量等實驗，例如各種機床、刀具、量具和代加工工件。對于這些復雜的設(shè)備和工具需要借助專業(yè)的3D建模軟件進行輔助模型建立，然后借助3DMax軟件和Unity 3D軟件進行逼真材質(zhì)的渲染。此外，還可先導入Keyshot軟件進行渲染，導出含貼圖的較為真實的三維模型，通過.fbx格式導入Unity 3D軟件進一步操作。渲染完成的各種模型可在Unity 3D軟件中通過平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等功能安放在已構(gòu)建好的場景中。為提高實驗場景的真實性，可通過直線光制作場景光亮、點光源模仿燈泡、聚光燈模仿顯微鏡的光照等，進而調(diào)節(jié)光源的強度、角度、顏色，使場景更加逼近現(xiàn)實[6]。

4.操作步驟的邏輯設(shè)計

在進行各類拆裝、測量等實驗時必然會遵循一種邏輯關(guān)系。例如在機械類實驗中，對于機床的認知是重要一環(huán)，其中包含著傳動路線、拆裝順序、主軸變速、走刀方法等，皆需要嚴謹?shù)倪壿嬯P(guān)系設(shè)計，使同學們更加清楚地認知設(shè)備運行的原理。

5.實驗過程設(shè)計

基于Mecanim系統(tǒng)設(shè)置拆裝、設(shè)備運行等動畫，通過碰撞檢測算法完成拆裝、測量等動作的實現(xiàn)。虛擬仿真縝密的邏輯關(guān)系使學生實驗更加有條理性，可對設(shè)備構(gòu)造、工作原理、裝配方法等有更加直觀的認知學習。在Unity 3D軟件中可設(shè)置有順序的觸發(fā)，防止學生因不會操作而對實驗過程造成錯誤理解。觸發(fā)需要設(shè)置碰撞器，并通過碰撞檢測實現(xiàn)操作儀器的測量、控制物體的運動、觸發(fā)動畫的播放等。針對一些實驗中的操作順序，虛擬仿真平臺嵌入實驗操作視頻作為指導，操作者完成教學引導后，可獨立地進行實驗操作，操作過程中遇到困難可返回教學引導界面，有針對性地進行該部分的學習，再返回虛擬實驗室完成實驗，也可以根據(jù)相關(guān)提示，繼續(xù)進行下一步實驗[7]。

6.實驗數(shù)據(jù)處理和考核

課程實驗結(jié)束需要進行數(shù)據(jù)處理，在Unity 3D中可通過代碼腳本編寫，與外部軟件進行連接。以Minitab為例，Minitab作為正交試驗的常用軟件，里面的田口設(shè)計即為正交試驗，選取通過合理選擇減少實驗數(shù)量，通過軟件操作計算實驗數(shù)據(jù)的極差與方差進行數(shù)據(jù)分析，嵌入實驗數(shù)據(jù)處理指導，全面地指導學生完成實驗。并進行實驗報告填寫引導，帶領(lǐng)學生回顧學習知識，完成實驗報告填寫。也可以通過Video player URL路徑設(shè)置功能連接第三方鏈接平臺，進入問卷網(wǎng)等網(wǎng)站填寫實驗報告，實時掌握學生報告填寫情況以及報告質(zhì)量[8]。

7.打包與發(fā)布

Unity 3D具有較強的跨平臺性能，其制作的虛擬仿真實驗可打包成相應格式的文件，在PC、IOS、Android、web等系統(tǒng)上發(fā)布。以web發(fā)布為例，通過Unity 3D軟件打包出網(wǎng)頁格式，在web平臺展示。需要搭建一個服務器，用Linux內(nèi)核的系統(tǒng)做服務器使項目運行更加穩(wěn)定，在前端網(wǎng)頁界面開發(fā)使用HTML5和Css、JaveScript語言完成動態(tài)網(wǎng)站的頁面美化與完善，前端頁面創(chuàng)建了首頁、登錄頁面、注冊頁面等頁面，后端開發(fā)應用Python的Django框架搭建與數(shù)據(jù)庫的連接處理前端提交的表單數(shù)據(jù)，完成用戶登錄與注冊的功能實現(xiàn)。在用戶首次登陸時，需要進行注冊，注冊完成登錄進入首頁后可以選擇相應的實驗進行學習與測試；用戶注冊的信息可通過post請求儲存在服務器上的MySQL數(shù)據(jù)庫中，用Django自帶的用戶管理模塊可以通過網(wǎng)頁進行用戶管理，掌握學生學習信息，彌補學習中的不足。

三、結(jié)束語

1.虛擬仿真平臺界面友好、功能強大，在實驗方面，虛擬仿真平臺輔助傳統(tǒng)教學，在細節(jié)與重復性等方面得到了大量改善，該平臺可有效彌補實驗教學物理資源不足，互補融通理論與實驗教學。對于激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、提升工程實踐能力和增強職業(yè)素養(yǎng)，提升實驗教學質(zhì)量效果顯著[9]。

2.有效解決了傳統(tǒng)課程實踐環(huán)節(jié)存在的實驗條件限制、經(jīng)費投入不足、部分實驗設(shè)備費用較高、學校難以提供實驗條件、機器操作等實驗存在安全風險、教師時間與精力限制等問題。

3.增加了機械類課程實踐教學的趣味性，提高了學生學習積極性，幫助學生主動學習課程知識、創(chuàng)造學生更多動手操作實驗的機會，最終提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。