虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“金工實(shí)訓(xùn)”課程教學(xué)改革中的應(yīng)用**

陳杰新 ，魏 安 ，陳海濱 ，張 杰 ，李伯棠

（廣州航海學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，廣東 廣州 510700）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門(mén)綜合多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)械工程、人機(jī)交互技術(shù)以及人工智能技術(shù)等綜合研究領(lǐng)域的新興交叉學(xué)科，它的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三大特征包括想象性、交互性和沉浸感，其中沉浸感是最為主要的特征[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)營(yíng)造一種逼真的模擬環(huán)境，借助傳感頭盔、數(shù)據(jù)手套等專(zhuān)業(yè)設(shè)備，可以讓人通過(guò)觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)等行為感知體會(huì)到逼真的沉浸感，如同身臨其境[2-3]。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用在高校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)當(dāng)中。

當(dāng)前，國(guó)外許多科研機(jī)構(gòu)和科技公司對(duì)虛擬機(jī)床仿真技術(shù)開(kāi)展了大量研究和實(shí)驗(yàn)。比如日本Sony公司FREDAM的系統(tǒng)[4]，能夠?qū)η蝾^銑刀加工自由曲面進(jìn)行三維仿真。Winkes P A等[5]提供了一種用于裝配過(guò)程的故障檢測(cè)的虛擬現(xiàn)實(shí)的裝配規(guī)劃流程。Harun G?K?E[6]為數(shù)控車(chē)床的3D仿真軟件開(kāi)發(fā)了對(duì)象建模和交互算法?；?D多邊形的建模用于對(duì)工件和切削工具進(jìn)行建模。在旋轉(zhuǎn)掃掠二維工件模型的同時(shí)，對(duì)二維刀具的幾何形狀進(jìn)行線性掃掠，得到3D圖像。國(guó)內(nèi)起步較晚，很多高校及研究機(jī)構(gòu)在虛擬金工設(shè)備也做了大量的研究，其中蔡寶等[7]提出了在 Unity3D下車(chē)床加工的仿真方法，開(kāi)發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備 zSpace 虛擬現(xiàn)實(shí)車(chē)床仿真系統(tǒng)，楊洋等[8]利用UG軟件建模，采用Unity 3D 開(kāi)發(fā)引擎，開(kāi)發(fā)了車(chē)床主軸箱虛擬拆裝系統(tǒng)，讓學(xué)生先按照車(chē)床

主軸箱正確的拆裝工藝進(jìn)行模擬拆裝。林忠等[9]研究了基于圓臺(tái)離散的工件建模方法和實(shí)時(shí)仿真顯示技術(shù)，并使用OpenGL和VC++編程實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車(chē)床的虛擬加工仿真過(guò)程。丁爽等[10]融合現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB、工程CAD/CAM軟件UG以及仿真軟件VERICUT設(shè)計(jì)并實(shí)踐基于實(shí)際制造過(guò)程的五軸數(shù)控機(jī)床虛擬加工實(shí)驗(yàn)。楊勇[11]結(jié)合HTC VIVE虛擬設(shè)備，成功設(shè)計(jì)了一套全新的虛擬數(shù)控仿真系統(tǒng)，對(duì)該仿真系統(tǒng)的切削效率和仿真環(huán)境的真實(shí)感方面進(jìn)行改進(jìn)，極大地提高了交互效率。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“金工實(shí)訓(xùn)”教學(xué)中的意義

現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展要求高校不僅需要培養(yǎng)的專(zhuān)業(yè)技能人才，還需要培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力強(qiáng)的創(chuàng)新型人才。目前我國(guó)工程技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論比較扎實(shí)，但創(chuàng)新精神和綜合創(chuàng)新素質(zhì)不高，原創(chuàng)創(chuàng)新成果少，工程技術(shù)上的模仿性創(chuàng)新也不夠，擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)核心技術(shù)的產(chǎn)品數(shù)量和發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較大?！敖鸸?shí)訓(xùn)”是應(yīng)用型高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要一環(huán)。傳統(tǒng)的“金工實(shí)訓(xùn)”課程教學(xué)存在資源利用率低、教學(xué)方式落后等問(wèn)題，通過(guò)“金工實(shí)訓(xùn)”課程改革，在課程中融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程的興趣，培養(yǎng)更多社會(huì)需求的技術(shù)型人才。

2 “金工實(shí)訓(xùn)”教學(xué)中存在的問(wèn)題

2.1 先進(jìn)教學(xué)設(shè)備資源缺乏，資源利用率較低[12]

隨著社會(huì)發(fā)展，先進(jìn)制造等智能制造實(shí)訓(xùn)課程越來(lái)越多地出現(xiàn)在“金工實(shí)訓(xùn)”當(dāng)中。實(shí)訓(xùn)基地投資較高，很多先進(jìn)制造設(shè)備價(jià)格昂貴，需求量大，導(dǎo)致很多高等職業(yè)院校難以建設(shè)。此外，部分精密設(shè)備儀器設(shè)備稍有操作不當(dāng)很容易出現(xiàn)刀具與工作臺(tái)發(fā)生碰撞導(dǎo)致刀具斷裂以及設(shè)備損壞等情況，要求操作者有較高熟練水平，如五軸數(shù)控加工中心。很多新手在沒(méi)有熟悉設(shè)備操作的情況下，不能親自動(dòng)手操作。這些資源利用率受限無(wú)疑讓學(xué)生實(shí)訓(xùn)能力不能得到很好的提升，也不利于師生之間交流。

2.2 傳統(tǒng)教學(xué)原理較為抽象，學(xué)生難以理解

傳統(tǒng)的多媒體基礎(chǔ)原理教學(xué)內(nèi)容大多較枯燥，概念抽象且難以理解，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生在課堂中的積極性，無(wú)法形成良好的師生互動(dòng)機(jī)制。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)知識(shí)的缺乏理解，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量不高。例如在機(jī)加工的工藝過(guò)程中，雖然一些復(fù)雜零件圖只有二維圖紙，但需要有較強(qiáng)的三維空間想象能力，而一些學(xué)生對(duì)機(jī)械零件的空間想象不足，不能很好地在二維和三維之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此外，一些學(xué)生對(duì)某些實(shí)習(xí)工種缺乏知識(shí)儲(chǔ)備，也是原因之一。

2.3 具有一定危險(xiǎn)性，消耗大量材料

每年“金工實(shí)訓(xùn)”課程中，由于學(xué)生數(shù)量多，實(shí)習(xí)的工種多，需要消耗大量的金屬材料。并且在機(jī)加工過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)清除鐵屑無(wú)專(zhuān)用工具，操作者未戴護(hù)目鏡，發(fā)生刺割事故及崩傷眼球，或者防護(hù)保險(xiǎn)裝置、防護(hù)欄、保護(hù)蓋不全或維修不及時(shí)，造成人身傷害，或者由于操作不當(dāng)損壞機(jī)器設(shè)備等[13]。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“金工實(shí)訓(xùn)”教學(xué)中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

與國(guó)外的一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展相對(duì)較晚，正因如此，國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)及重點(diǎn)高校，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域作了大量的研究，尤其是將VR技術(shù)應(yīng)用到“金工實(shí)訓(xùn)”教育相關(guān)領(lǐng)域。VR技術(shù)在“金工實(shí)訓(xùn)”教學(xué)中的應(yīng)用在一些場(chǎng)地受限、高端設(shè)備較少的高校當(dāng)中有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。

3.1 節(jié)約成本，不受時(shí)間、場(chǎng)所及設(shè)備限制

在傳統(tǒng)上的“金工實(shí)訓(xùn)”教學(xué)中，部分高校由于高端設(shè)備昂貴、設(shè)備數(shù)量受限以及實(shí)訓(xùn)材料消耗較大，學(xué)生大部分時(shí)間都在學(xué)習(xí)理論知識(shí)，或者觀摩指導(dǎo)老師操作設(shè)備，親自動(dòng)手操作的時(shí)間和機(jī)會(huì)較少，導(dǎo)致學(xué)生在掌握理論知識(shí)后不能及時(shí)操作訓(xùn)練，影響其實(shí)操能力的提升。相對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)模式，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的虛擬實(shí)訓(xùn)情景，學(xué)生可以隨時(shí)隨地不受限制地在虛擬環(huán)境中進(jìn)行重復(fù)操作，大大增加了實(shí)訓(xùn)時(shí)間和機(jī)會(huì)，從而提高實(shí)訓(xùn)效果。此外，虛擬仿真加工系統(tǒng)引入，一定程度上節(jié)約了購(gòu)買(mǎi)高端設(shè)備和新建實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所的成本[14]。

3.2 增強(qiáng)立體感，提高學(xué)生對(duì)課程的興趣

相對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，利用其沉浸式特點(diǎn)可以營(yíng)造一個(gè)逼真的3D學(xué)習(xí)環(huán)境，使得學(xué)生操作如身臨其境，有利于師生互動(dòng)，極大提高學(xué)習(xí)的積極性。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以很好地開(kāi)展探究性教學(xué)工作，在教師引導(dǎo)、組織和服務(wù)教學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生真正成為課堂教學(xué)活動(dòng)的主導(dǎo)者和參與者。在虛擬環(huán)境中，通過(guò)構(gòu)建高逼真度的虛擬模型，學(xué)生可以隨意通過(guò)人機(jī)交互的方式以局部、旋轉(zhuǎn)等視角觀察機(jī)件運(yùn)轉(zhuǎn)全過(guò)程，還能拆解和裝配虛擬機(jī)器設(shè)備各個(gè)部件，尤其對(duì)一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件反復(fù)剖析研究，加深了解機(jī)器設(shè)備工作原理，提高了學(xué)生對(duì)課程的興趣從而大大提高實(shí)訓(xùn)的效果。

3.3 有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

在“金工實(shí)訓(xùn)”當(dāng)中，一些項(xiàng)目由教師示范，學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)，缺乏親自動(dòng)手過(guò)程，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，學(xué)生的創(chuàng)造性思維得不到很好的提高。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用在“金工實(shí)訓(xùn)”中，其想象性的特征能突破傳統(tǒng)培訓(xùn)的教學(xué)思維。在虛擬空間中，可以突破環(huán)境的束縛，拓寬認(rèn)知范圍，結(jié)合書(shū)本的理論知識(shí)操作虛擬模型，還能根據(jù)所學(xué)習(xí)吸收的知識(shí)，發(fā)散拓寬思維，對(duì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行升級(jí)改造，提高實(shí)訓(xùn)效果。

3.4 真實(shí)模擬高端設(shè)備操作，降低實(shí)操可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)

針對(duì)一些初學(xué)者，對(duì)高端設(shè)備了解較少，對(duì)如五軸數(shù)控加工中心等操作不熟練。經(jīng)常因?yàn)閷?duì)編程代碼不熟練，或者對(duì)機(jī)器設(shè)備缺乏操作經(jīng)驗(yàn)，引起刀具磨損、機(jī)床損壞的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至造成人身生命安全問(wèn)題。虛擬仿真系統(tǒng)可以有效解決這個(gè)難題，初學(xué)者可以事先把編好的加工程序在虛擬系統(tǒng)中運(yùn)行，通過(guò)數(shù)據(jù)手套和傳感頭盔模擬操作真實(shí)的實(shí)訓(xùn)情景，經(jīng)過(guò)反復(fù)操作訓(xùn)練確認(rèn)無(wú)誤后，再到真實(shí)設(shè)備中進(jìn)行操作，提高初學(xué)者實(shí)操水平，大大降低了操作風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，作為一項(xiàng)新興技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將越來(lái)越成 熟，應(yīng)用范圍將越來(lái)越廣，它能夠突破時(shí)間和空間限制，讓學(xué)生隨時(shí)隨地獲得沉浸式的體驗(yàn)與更直觀的感受。合理利用并融合到“金工實(shí)訓(xùn)”教學(xué)當(dāng)中，它能彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的一些不足，加強(qiáng)資源優(yōu)化共享，提高“金工實(shí)訓(xùn)”訓(xùn)練效果。在未來(lái)的“金工實(shí)訓(xùn)”教學(xué)當(dāng)中，應(yīng)突破傳統(tǒng)教學(xué)思維，合理利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化和改革“金工實(shí)訓(xùn)”教學(xué)模式，培養(yǎng)更多應(yīng)用型創(chuàng)新型人才。