基于VR技術(shù)的特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

◇中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心 苗俊田 鹿德臺(tái) 劉冬冬 趙博 韓俊騰

當(dāng)前特種加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，特種加工專業(yè)人才缺口較大，高等學(xué)校作為特種加工復(fù)合型人才的培養(yǎng)機(jī)構(gòu)面臨很大壓力。針對(duì)傳統(tǒng)特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，構(gòu)建一種基于VR技術(shù)的特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研究。融合VR技術(shù)在圖形仿真、三維展示、后期維護(hù)及系統(tǒng)兼容性等方面的優(yōu)勢(shì)，建立一種理論加實(shí)踐、線上加線下的新型特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，系統(tǒng)平臺(tái)軟硬件基于Unity3D設(shè)計(jì)完成，并采用模塊化的組合連接方式；在圖形的3D模擬方面，基于UG技術(shù)的網(wǎng)格化管理方式實(shí)施特種仿真加工過(guò)程的3D建模，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程的逼真度。VR技術(shù)在特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中改革探索和應(yīng)用創(chuàng)新，會(huì)提高特種加工理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合的緊密度，獲得更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 引言

伴隨著制造業(yè)的不斷向前發(fā)展及社會(huì)需求的日益增加，對(duì)加工難度、加工效率及加工精度，都提出了更全面的要求，這客觀上推進(jìn)了制造業(yè)生產(chǎn)加工方式的多元化[1]。特種加工突破了原有機(jī)械加工的單一方式，而廣泛利用電、光、熱、化學(xué)等能源，多樣化地加工和處理原材料[2-4]，以達(dá)到不同的制造目的，滿足不同的加工需求。特種加工是數(shù)字信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展及制造業(yè)高級(jí)化的必然產(chǎn)物，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)及傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，為特種加工奠定的堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5-6]，同時(shí)特種加工也促進(jìn)了制造業(yè)的變革，助力現(xiàn)代制造業(yè)向更高的層次發(fā)展。當(dāng)前特種加工的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，該領(lǐng)域的專業(yè)人才缺口也較大。高等學(xué)校工業(yè)訓(xùn)練中心是培養(yǎng)特種加工人才主要機(jī)構(gòu)之一，特種加工課程教學(xué)的主要目的是，使學(xué)生能夠掌握特種加工方式的基本原理與適用范圍，并熟練應(yīng)用特種加工技能。但特種加工是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主的課程，知識(shí)跨度大、交融性強(qiáng)、涉及到的領(lǐng)域較多，需要學(xué)生具備一定思維拓展的能力和知識(shí)綜合運(yùn)用的能力。

在特種實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，注重學(xué)生們的對(duì)于特種加工原理的理解，并建立一種更為直觀具體、交互性更強(qiáng)的教學(xué)模式，以提高學(xué)生群體的實(shí)踐應(yīng)用能力。而當(dāng)前高等學(xué)校特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在教學(xué)模式選擇、教育資源分配及教學(xué)效果評(píng)估等方面都存在一定問(wèn)題，導(dǎo)致教學(xué)效果無(wú)法達(dá)到預(yù)期的目的，因此改善特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，深化教學(xué)模式改革迫在眉睫。VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)是上世紀(jì)末逐漸興起的一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)[7]，VR集計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和電子信息技術(shù)于一身，通過(guò)三維立體仿真與顯示，而給使用者帶來(lái)真實(shí)的沉浸感[8]。構(gòu)建基于VR技術(shù)的特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，并將VR技術(shù)應(yīng)用于特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，既能夠解決當(dāng)前高等學(xué)校特種實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教學(xué)資金、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)器材短缺的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，也能夠更直觀地展示出特種加工技術(shù)的基本原理和使用技巧，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

2 特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題剖析

2.1 課程抽象不易理解

特種加工多采用電子束、激光、離子束、化學(xué)能等方式加工材料，涉及到的學(xué)科與領(lǐng)域多且互有交叉，特種加工原理遠(yuǎn)復(fù)雜于傳統(tǒng)機(jī)械加工，在加工中會(huì)受到多種不同因素的影響和制約，加工風(fēng)險(xiǎn)也顯著高于傳統(tǒng)方式。特種加工理論教學(xué)的課程內(nèi)容過(guò)于抽象、不易理解，很難激發(fā)出學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此特種加工課程教學(xué)應(yīng)以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，用具體可視化的實(shí)踐操作來(lái)鞏固相關(guān)理論知識(shí)。而從現(xiàn)有高等學(xué)校特種加工課程所使用的教材來(lái)分析，大多數(shù)是從理論的角度入手分析和研究，教材中涉及到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容過(guò)少。在學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生會(huì)接觸到各種復(fù)雜的加工原理和抽象的概念，基于二維平面的特種加工教材，難以給學(xué)生帶來(lái)特種加工直接和感性的認(rèn)知，也就無(wú)法幫助學(xué)生扎實(shí)地掌握特種加工理論知識(shí)。

2.2 教學(xué)模式落后教育資源匱乏

從高等學(xué)?，F(xiàn)有的特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式來(lái)看，多采用課上理論教學(xué)加實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，講授內(nèi)容僅涉及到個(gè)別特種加工實(shí)例的羅列和講解，從總體上說(shuō)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不系統(tǒng)、不完善、專業(yè)化的程度較低，也不具備讓每一個(gè)使用者親自操作的條件，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式是一種單線的教學(xué)模式，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

在當(dāng)前高等學(xué)校的特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大都沒(méi)有詳盡地制定操作規(guī)程、細(xì)化加工步驟、編制安全作業(yè)流程及制作緊急預(yù)案措施，因此理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫節(jié)，且實(shí)驗(yàn)教學(xué)并沒(méi)有達(dá)到鞏固理論教學(xué)的目的，也沒(méi)有達(dá)到為特種加工培養(yǎng)優(yōu)秀人才的初衷。特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的復(fù)雜性和難度遠(yuǎn)非傳統(tǒng)加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)可比，簡(jiǎn)單的單線教學(xué)方式，必定不能獲得良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。從教學(xué)資源的角度來(lái)考慮，特種加工實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)需要高等學(xué)校投入大量的資金、人力和物力，而資金緊張是大多數(shù)高等學(xué)校面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題之一。在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選購(gòu)方面，只能有選擇地購(gòu)置一部實(shí)驗(yàn)設(shè)備用于特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模教學(xué)的需要，更無(wú)法顧及到每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的參與者。此外，現(xiàn)階段特種加工技術(shù)更新迭代的速度較快，高等學(xué)校財(cái)力有限且大批量地購(gòu)買、更新和淘汰實(shí)驗(yàn)用教學(xué)設(shè)備也不現(xiàn)實(shí)，特種加工教學(xué)資源匱乏已成為制約實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要問(wèn)題之一。

2.3 教學(xué)效果不易評(píng)估

高等學(xué)校特種加工實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置的目的，是要培養(yǎng)具有較強(qiáng)理論素養(yǎng)和實(shí)踐技能的綜合型領(lǐng)域人才，特種加工課程本身的特點(diǎn)及教學(xué)模式落后、教育資源短缺等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，導(dǎo)致了無(wú)法對(duì)高等學(xué)校特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果做出科學(xué)、準(zhǔn)確的評(píng)估。傳統(tǒng)以書(shū)本知識(shí)為主體的理論考核模式，不能準(zhǔn)確地反應(yīng)出真實(shí)的教學(xué)效果，也無(wú)法檢驗(yàn)學(xué)生群體對(duì)于實(shí)踐技能的掌握程度。綜上分析，課程本身的難度、教學(xué)模式不適宜、及缺乏有效的教學(xué)評(píng)估措施等三個(gè)原因，導(dǎo)致了當(dāng)前高等學(xué)校特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)陷入困境。

3 VR技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

VR技術(shù)的產(chǎn)生和成熟標(biāo)志著人類對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的研究進(jìn)入了一個(gè)更為高級(jí)的發(fā)展階段。VR技術(shù)可以從三維立體化的視角分析和理解事物，與二維平面模式相比更為真實(shí)、直觀和易于理解，VR可視化技術(shù)還可以給使用者帶來(lái)一種身臨其境、沉浸其中、游走于虛擬現(xiàn)實(shí)之間的感受。目前3D電影、3D打印等技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于人們的工作、學(xué)習(xí)和生活當(dāng)中，給使用者帶來(lái)更為真實(shí)的三維體驗(yàn)。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外已有基于VR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，將VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高等學(xué)校特種加工的實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，具有可視化、便捷化、低投入、低運(yùn)行成本等多方面的優(yōu)勢(shì)。

利用VR技術(shù)對(duì)高等學(xué)校特種加工傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式進(jìn)行改革，目的就是要利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)仿真，而獲得與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相同甚至更好的教學(xué)效果，以更好地協(xié)助使用者掌握特種加工的理論知識(shí)與實(shí)踐技能。VR技術(shù)在特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①VR技術(shù)具有十分強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真功能，在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境下VR可以模擬電子束、激光束、離子束、化學(xué)能、熱能等多種特種加工方式，并能夠?qū)崿F(xiàn)在線的參數(shù)調(diào)整與結(jié)果輸出，模擬場(chǎng)景能夠獲得真實(shí)條件下的特種加工效果，向?qū)嶒?yàn)的參與者更真實(shí)地展示出特種加工的原理，以達(dá)到理論與實(shí)踐的結(jié)合。在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下是不可能在特定時(shí)間段同時(shí)操作多種特種加工作業(yè)，可見(jiàn)VR技術(shù)和VR仿真系統(tǒng)具有更強(qiáng)的業(yè)務(wù)拓展功能。②VR技術(shù)在知識(shí)的更新效率方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，基于VR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)與云端的數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)相連，并可以定期更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的軟硬件和各級(jí)程序，保證特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)平臺(tái)始終能夠應(yīng)用到最新的虛擬特種加工技術(shù)，把最前沿的工藝和技術(shù)通過(guò)仿真平臺(tái)展現(xiàn)給使用者。由此可見(jiàn)，VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)具有實(shí)物實(shí)驗(yàn)無(wú)法具有的知識(shí)與技術(shù)更迭效率。③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)和在線指導(dǎo)，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)在空間理念上的束縛和限制，學(xué)生可以在其他非實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)間，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)和交流，并可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲得教師的在線教學(xué)和指導(dǎo)。④基于VR技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和仿真平臺(tái)，在先期構(gòu)建投入和后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本方面更具優(yōu)勢(shì)。由于特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)大部分是在虛擬仿真的環(huán)境下完成的，后期的維護(hù)主要是軟件系統(tǒng)的更新與升級(jí)，成本相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室硬件投入要低得多。

4 基于VR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

針對(duì)傳統(tǒng)特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教學(xué)模式落后、拓展性差、教學(xué)效果無(wú)法得到有效評(píng)估等弊端，本文基于VR技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行多方面的改革與探索，重點(diǎn)應(yīng)用VR技術(shù)構(gòu)建一種新型虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并逐步形成一種理論+實(shí)踐、線下+線上相融合的新型雙線特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，具體模式如圖2所示。

圖2 基于VR技術(shù)的雙線教學(xué)模式

VR技術(shù)在特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的運(yùn)用，一方面應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)，完善了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式，也提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和效果；另一方法應(yīng)用VR技術(shù)也將特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)從線下教學(xué)轉(zhuǎn)變成為了線上與線下相結(jié)合的教學(xué)方式，更為靈活、更為高效。本文分別從實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)、仿真平臺(tái)及模塊設(shè)計(jì)、軟件及關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面予以系統(tǒng)闡述實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的內(nèi)容。

4.1 VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)框架革新

基于VR技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，將現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與VR技術(shù)下的虛擬教學(xué)相融合，并將線下的傳統(tǒng)課堂教學(xué)與云課堂教學(xué)結(jié)合起來(lái)，多渠道、多路徑實(shí)施特征加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這種虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念框架，如圖3所示。

圖3 V R特種加工教學(xué)系統(tǒng)總體框架

VR特種加工教學(xué)系統(tǒng)總體上基于Unity3D設(shè)計(jì)完成，為更加立體化、多功能地展現(xiàn)出特種加工實(shí)驗(yàn)仿真過(guò)程，首先建立3D虛擬加工環(huán)境和系統(tǒng)仿真平臺(tái)，以模擬特種加工過(guò)程的各個(gè)模塊和加工工具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程模型，再根據(jù)設(shè)計(jì)好的數(shù)學(xué)模型，對(duì)特種加工過(guò)程中發(fā)生的各種機(jī)械、物理和化學(xué)變化進(jìn)行模擬仿真，在系統(tǒng)操作的過(guò)程中利用平臺(tái)的輸入端，還能夠仿真參數(shù)設(shè)置的過(guò)程，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程與真實(shí)的特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)相近。

4.2 教學(xué)仿真平臺(tái)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與探索

Unity3D提供了多種功能強(qiáng)大的模型動(dòng)態(tài)虛擬仿真方法，特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)改革與探索也基于Unity3D軟件設(shè)計(jì)完成。仿真平臺(tái)的功能豐富，具有三維動(dòng)畫(huà)展示、聲音模擬、過(guò)程回放、慢動(dòng)作操作、及各種人機(jī)交互的功能，通過(guò)軟件設(shè)置能夠滿足不同種類特種加工的要求。

圖4 VR特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

除此之外Unity3D還具有良好的兼容性，在特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上還可以運(yùn)行AUTO CAD、CAXA、3D MAX等其他主流工程設(shè)計(jì)軟件，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)軟件在功能上的互補(bǔ)，VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如上圖所示。

基于VR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)成包括Unity3D基礎(chǔ)框架、功能模塊拓展和文件配置模塊，其中基于Unity3D的平臺(tái)基礎(chǔ)框架提供了底層代碼編譯、文件預(yù)置等基礎(chǔ)性的功能，仿真教學(xué)平臺(tái)將原有Unity3D API中的各種基礎(chǔ)性仿真功能都融入其中。VR特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方式，通過(guò)語(yǔ)義識(shí)別出用戶在輸入端的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類特種加工過(guò)程的虛擬仿真輸出。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)也采用了高兼容性平臺(tái)接口，保證在三維圖像立體化輸出中的真實(shí)性和平順性，Unity3D軟件在底層語(yǔ)言基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、程序的編輯和調(diào)用方面靈活、高效，輸入輸入文件的系統(tǒng)配置功能完善，可以實(shí)現(xiàn)一些更高級(jí)、功能更為復(fù)雜的組合效果。

在平臺(tái)仿真功能實(shí)現(xiàn)方面，由于采用了模塊化的設(shè)計(jì)方式，平臺(tái)操作者通過(guò)鼠標(biāo)拖拽、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換或索引調(diào)用等方式，可以直接使用各種功能模塊搭建不同類別的特種加工場(chǎng)景。虛擬仿真平臺(tái)的功能模塊均采用分類放置的方式以方便隨時(shí)調(diào)用與參數(shù)更新，也便于后續(xù)系統(tǒng)的維護(hù)和功能選項(xiàng)的增加。平臺(tái)下屬的各功能模塊相對(duì)獨(dú)立，且可以通過(guò)底層代碼的更新獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)參數(shù)的更新與功能程序的修正，調(diào)整特種加工中各虛擬零部件的行進(jìn)速度、角度、方向及時(shí)長(zhǎng)。平臺(tái)各功能模塊的組合與調(diào)用按照平臺(tái)既定邏輯規(guī)則進(jìn)行，并形成一個(gè)系統(tǒng)化仿真功能庫(kù)，其中每一個(gè)功能模塊都被賦予一種面向?qū)ο蟮腎D索引。當(dāng)選擇不同類別的特種加工項(xiàng)目時(shí)，只需調(diào)用與其相關(guān)的索引ID，就能夠從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取相關(guān)的數(shù)據(jù)，顯著提高了教學(xué)效率。

4.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與通信連接的實(shí)現(xiàn)

在基于VR技術(shù)的特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，采用了UG幾何混合建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)特種加工。UG技術(shù)的場(chǎng)景逼真度高、兼容性強(qiáng)、交互性更好，其還提供了3D網(wǎng)格化的系統(tǒng)模型優(yōu)化功能，結(jié)合模型的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)、三角面數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的空間存儲(chǔ)功能，不斷地調(diào)整和優(yōu)化模型的三維虛擬演示功能。此外系統(tǒng)模型采用多邊可編輯指令，簡(jiǎn)化模型的復(fù)雜度并以紋理映射展現(xiàn)出模型的細(xì)節(jié)特征，提高在特種加工虛擬展示中的逼真度。在光源設(shè)定和三維圖像的紋理展示中，系統(tǒng)模型還應(yīng)用了區(qū)域光源和聚焦光源等工具，多角度地渲染出特種加工場(chǎng)景，Unity3D建模在圖像紋理設(shè)計(jì)和構(gòu)建方法也能提供更為真實(shí)的效果，使軟件系統(tǒng)的使用在實(shí)驗(yàn)室中能夠獲得更為真實(shí)的教學(xué)體驗(yàn)。

基于VR技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，利用局域以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)教學(xué)用數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)，為保證系統(tǒng)的安全性，使用者進(jìn)入虛擬仿真系統(tǒng)后要經(jīng)過(guò)管理員的授權(quán)，或通過(guò)動(dòng)態(tài)通信密鑰完成身份的驗(yàn)證。用戶通過(guò)本地瀏覽器調(diào)用程序，輸入登錄信息和密碼進(jìn)入系統(tǒng)。建模完成后用戶可以將模型存儲(chǔ)與本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，如果文件較大也可在云端存儲(chǔ)，方便后續(xù)的對(duì)文件的調(diào)用、修改和完善。

5 VR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用體現(xiàn)

針對(duì)傳統(tǒng)以真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主的特種加工實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降娜秉c(diǎn)和弊端，利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真的特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，VR系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）基于VR技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)使門(mén)類多、復(fù)雜度較高的實(shí)驗(yàn)過(guò)程空間展現(xiàn)成為可能。特種加工工藝本身的復(fù)雜度和難度均較高，由于受制于實(shí)驗(yàn)室空間、設(shè)備購(gòu)置成本、及技術(shù)的更新迭代效率等問(wèn)題，特種加工實(shí)驗(yàn)室教學(xué)一直是高等學(xué)校教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題之一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果也無(wú)法得到有效的保證。而利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下可以搭建一種模擬真實(shí)場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，通過(guò)計(jì)算機(jī)三維立體圖像的展示，達(dá)到特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。VR虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)與線下教學(xué)的融合，用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)授權(quán)能夠在實(shí)驗(yàn)課程之外的時(shí)間，進(jìn)入系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)，促進(jìn)特種加工理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)更好地結(jié)合。以特種加工中的激光切割為例，基于VR技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，如圖5所示。

圖5 特種加工虛擬仿真環(huán)境與工作仿真

（2）VR特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建成本、運(yùn)營(yíng)成本和后期的維護(hù)成本均較低，隨著特種加工日趨復(fù)雜，這對(duì)于高等學(xué)校特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)意義重大。當(dāng)VR系統(tǒng)硬件部分構(gòu)建完成后，后期僅需對(duì)軟件部分做常規(guī)升級(jí)，無(wú)需過(guò)大的投入。VR特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)資源與云端連接，知識(shí)更新的效率更高。

（3）基于VR虛擬仿真技術(shù)打造特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將更有助提高高等學(xué)校特種加工課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。在基于VR技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合得更為緊密，特種加工理論教學(xué)的效果能夠得到保證。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中由于受到實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)資源的限制，教學(xué)效果不易評(píng)估，而在VR實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中每一個(gè)實(shí)驗(yàn)參與者都有更多的時(shí)間操作機(jī)會(huì)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言更能夠量化考核使用者對(duì)于特種加工理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用的掌握程度。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展與VR技術(shù)的不斷成熟，將VR技術(shù)應(yīng)用于高等學(xué)校教學(xué)領(lǐng)域，必將成為一種發(fā)展趨勢(shì)。而針對(duì)特種加工實(shí)驗(yàn)的教學(xué)特點(diǎn)，利用VR技術(shù)對(duì)原有傳統(tǒng)的教學(xué)模式實(shí)施改革，可以使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)效果得到本質(zhì)的提升，特種加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的革新，將更有助于培養(yǎng)學(xué)生的理論知識(shí)學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐操作能力和自主學(xué)習(xí)能力，以興趣為導(dǎo)向、以VR技術(shù)為工具，才能夠達(dá)到特種加工實(shí)踐教學(xué)的最終目的。