网络教育中虚拟现实技术在机械学科的应用

□苏永红

( 山西广播电视大学，山西 太原 030027)

网络教育中虚拟现实技术在机械学科的应用

□苏永红

( 山西广播电视大学，山西 太原 030027)

虚拟现实技术以其真实、逼真、形象等特点越来越多地被应用在远程教育中，通过分析远程教育中机械学科面临的问题，以液压气动技术和机械制造基础课程为例，展示了虚拟现实技术在机械学科远程教学资源建设方面的优势。实践证明，虚拟现实技术的使用丰富了远程教学资源，增强了教学效果。

机械学科；虚拟现实技术；远程教育

随着网络技术、多媒体技术和计算机技术的高速发展，基于网络技术的远程教育在教学中发挥越来越重要的作用[1]。在远程教育中如何为学习者提供优质而有效的学习资源，是远程教育发展中必须解决的一个问题。众所周知，机械学科综合性和实践性都很强，如何建设机械学科课程资源，使其更好地适应远程教育，这是急需解决的问题。

一、远程教育中机械学科的教学现状

机械学科是一门综合性、实践性非常强的学科，其理论知识体系不仅庞大，与其他学科的交叉性非常强大，涉及机械结构、运动原理、传感控制、测量技术等方面，同时，动手操作和实验教学是其中不可缺少的教学环节。选修机械专业的学生普遍反映理论知识学习枯燥吃力，综合实践环节没有实操性、有效的学习途径来练习操作，目前来说，远程教学中机械学科主要存在以下问题：

(一)不同于面授教学，教师可以在现场对某些难懂的机械结构、运动原理进行细致讲解，远程教学中机械学科缺乏生动的、仿真性的教学资源供学生学习。

(二)目前远程教学平台上的教学资源一般是以网页文本、IP课件、CAI课件等形式呈现出来供学生学习，对于机械学科来说，能够实时交互、感受真实的教学环境是非常必要的，显然这些学习资源无法引起学生的学习兴趣和积极主动性。

(三)综合实践环节的薄弱，这也是与传统机械教学相比最为欠缺的部分。机械学科的特点之一是通过对各种机构原理、组成、测量技术和传感控制原理的学习和领悟后，能够应用于实践当中，解决实际的问题，所以实验教学环节必不可缺。但是在远程教学中，不可能为学生提供做实验的设备、实操性的场地，甚至教学经费方面也难以得到保障。往往学生的实践性环节以提交实训报告的形式来完成，但是关于实习报告的质量就不得而知了。

随着虚拟现实技术的出现，使得机械学科的远程教学所面临的困难可以得到有效的解决。在虚拟技术的发展过程中其呈现出交互性、多感知、沉浸性等特点，它的出现能够为学生提供逼真的、生动的学习环境，让学生身临其境地操作大型实验设备，突破教学的重难点，激起学生的学习兴趣，真正保证学生的实践性环节有所锻炼有所收获。

二、虚拟现实技术概述

虚拟现实技术是一种对信息感知和信息环境的仿真模拟，是将对媒体技术、网络技术、软件技术、图形处理技术和虚拟软件仪器的互相融合，突破实践环节的时空区域的限制，是当前实验研究和理论探究之后兴起的第三种科学研究方法[2]。虚拟现实(Virtual Reality，VR)的概念最初是在1986年被提出，它原本是由美国军方研究开发出来的一项高科技计算机技术，它的主要研发理念是利用计算机三维图形的生成技术、多传感交互技术以及高分辨率的现实技术，最后生成三维立体逼真的模拟仿真环境；操作者戴上具有传感作用的数据手套、特殊的头盔，就可以进行模拟仿真实验，操作这个虚拟实验中实验对象和虚拟设备，进行实时的交互，成为虚拟实验中的一员，身临其境的感受这种虚拟的环境[3]。虚拟技术具体的实现方法是：使用各种编程语言像JAVE或者虚拟现实建模语言VRML(Virtual Reality Modeling Language)建立三维虚拟试验场景，综合应用各种插件和相关专用设备使操作者进入模拟环境中，实现操作者与虚拟环境的实时交互，使用者身临其境如同在真实的试验场地进行实验，从视觉、听觉、感觉等方面直观地进行实时性体验。

经过20多年的发展，VR技术已被广泛的应用在航空航天、工程科技、化工实验等等方面。随着远程教育的不断发展，传统远程教育的媒体形式已越来越不能满足学员的学习需求，所以虚拟现实技术这种新的媒体形式的出现，以其真实、形象、逼真的特点在远程教育，尤其是工科教学方面受到了广泛的关注。远程教育中机械学科使用虚拟技术的优势在于：

(一)实践环节实现可操作，并具有较高的交互性

由于远程教育的特性，机械学科很多课程典型实践环节都达不到预期的教学目标，原因就是学生没有进行实训和实验的设备和场地，而虚拟现实技术的出现可以弥补这一方面的缺憾，它可以逼真地仿真实验设备和实验环境，让学生按照实验步骤和要求在模拟环境中进行实验和实训，同时可以把实验数据反馈给教师。这样的学习过程不仅锻炼学生的动手能力，还可以更好地激发其创造能力。

(二)资源建设的共享性和开放性得到提高[4]

远程教育的最大优点是资源建设的共享性和开放性，虚拟技术与网络技术的相结合可以更好地实现优质教学资源的社会共享，可以满足人们对教育资源的需求。实训环节一定是牵涉到大型而又昂贵的设备，一般的教育中很难实现这种设备的需求，虚拟实验室的建立不仅可以避免这种矛盾的出现，减少教育成本，满足学生对实训环节的锻炼，同时由于开放教育的高度开放性，学生可以随时随地登录学习平台进行虚拟实验，实现学习资源的最佳利用。

所以虚拟技术对远程教育中机械学科的建设有着非常大的空间和良好的发展前景。

三、虚拟技术在机械学科远程教学中的应用

(一)虚拟技术在液压气动技术课程远程教学的应用

《液压气动技术》课程是机械制造及其自动化专业必修的一门专业基础课，本课程的任务是通过系统学习液压、气动的基本原理，液压、气动元件的工作原理，液压、气动系统的分析、使用、维护方法，培养学生掌握液压与气动技术的应用能力。液压泵作为液压系统的心脏，是本课程的重点教学内容之一。传统的网上教育资源一般是静态的网页组成的，其内容一般不外乎是文本、图片、PPT、IP课件等，即便是加入了动画，也是简单的GIF、Flash等形式，对于结构复杂的液压齿轮泵，明显不利于学生对结构组成、工作原理的理解，而且液压气动技术这门课的实践性非常强，需要学生动手操作液压机构，没有相应的实训操作，远远达不到本课程的教学目标，因此有必要建立虚拟仿真实验，为学生提供齿轮泵组装和拆卸的模拟训练，以便为今后开展实物训练、培养工程实践技能打下基础。

1.液压齿轮泵三维模型的呈现

液压齿轮泵的机构复杂，组成的小零件也比较多，所以对其结构的理解会比较困难。在传统的教学过程中，一般都是以图片的形式来展示机械结构图，但是往往图片呈现的效果比较有限，因此可以用虚拟仿真软件画出其三维结构图，通过三维实物仿真的演示，可以直观的看到液压齿轮泵各组成部件的结构，图1(a)和(b)分别是齿轮泵的三维模型和齿轮泵三维爆炸图。

(a) (b)
图1 液压齿轮泵三维模型和三维爆炸图

2.液压齿轮泵拆装虚拟实验

液压齿轮是个非常典型的装配体，根据工程实践的需要，为了进一步掌握如何把各个小零件完整的组装成齿轮泵，可以通过一个虚拟的实验平台来进行外啮合齿轮泵的组装和拆卸的基本训练，通过鼠标点击相应的零件即可完成外啮合齿轮泵的组装和拆卸的实验，在进行实验的过程中，虚拟实验的操作步骤与实验室中的实验步骤是严格对应的，必须需要安装零件的机械结构和装配特征按照顺序点击零件才能完成装和拆的过程，图2为齿轮泵拆装虚拟实验进入端截图。

图2为齿轮泵拆装虚拟实验进入端截图

学生进行齿轮泵拆装实验时，鼠标点击“装”或者“拆”进入图3的齿轮泵转配实验模拟和拆卸实验模拟。在进行虚拟实验的过程中，学生通过鼠标点击自行动手操作页面中元器件，如果在暗转或者拆卸的过程中遇到困难或步骤错误，直接点击下方相应的步骤，不仅有语音提示还可以有动画演示，这一环节的设计能起到较好的学习交互作用。通过学生亲自动手参与结构的装配和拆卸，利用虚拟实验的沉浸性和交互性，使之能够在虚拟的学习环境中完成实验项目，达到实践技能训练的目的。

(a)装配模拟 (b)拆卸模拟
图3 齿轮泵装配和拆卸实验模拟

(二)虚拟技术在机械制造基础课程远程教学的应用

《机械制造基础》是机械制造与自动化专业中一门涉及面广、理论性和实践性都很强的课程。其学习内容涵盖金属加工工艺、切削方法以及金属热加工工艺等方面的学习内容，理论性较强但同时又与实践加工紧密相连，按照传统远程的教学方法，把书本上的文字、图片照搬到了网络中，对于一些比较重要却难懂的知识，学生用这些资源来学习难免会感到内容抽象、理论枯燥，不能很好领悟。为此，我们可以使用虚拟仿真技术进行模拟演示， 形象直观，更容易被学生理解。

以“工件的定位原理”为例，由于学生缺乏必要的实践，对工件定位没有感性的认识，若只是进行文字叙述会使学生有一种无法接受的感觉，为此不符合常规教学规程。因此可以对这部分的教学内容进行调整，通过虚拟模拟演示来对工件定位原理进行解释说明。这种虚拟演示的教学方法就可以使学生深刻理解和牢固掌握定位原理，熟知常用的定位方法，深刻理解欠定位与过定位的概念，并且能正确分析和处理有关欠定位与过定位的问题。这样学生对新知识的接受就会比较容易，达到了授课目的，图4为普通车床加工轴类零件的动画演示截图。

图4 普通车床加工轴类零件的动画演示截图

四、总结

随着高科技的发展，虚拟现实技术将会在远程教育的应用越来越广，这种新的媒体形式不仅丰富了远程教育中课程资源建设的种类，更为机械学科一直以来难以得到有效解决的综合实践课程提供了方法。

[1]张向华，董晓英，叶霞，蒋琴仙，毕伟．基于VRML的虚拟现实技术在远程教育中的应用[J].装备制造技术，2012(12)：194—196．

[2]武继灵，张庆慧．网络教育中虚拟实践的建构与应用[J].山西广播电视大学学报，2015(4)：7—9．

[3]方德葵．虚拟大学一现代远程教育理论与实践[M]．北京：中国广播电视出版社，2003．

[4]张颍，唐立新. 机械学科网络虚拟实验的实现方法研究[D] .武汉:华中科技大学，2011.

本文责编：赵凤媛

The Application of Virtual Reality Technology in Mechanical Discipline in the Network Education

Su Yonghong
(Shanxi TV University, Taiyuan, Shanxi, 030027)

Virtual reality technology with the real, vivid, image characteristics，is more and more applied in the distance education. By analyzing the problems in the course of mechanical discipline in distance education, taking hydraulic pneumatic technology and machinery manufacturing course as an example, this paper shows the advantages of the virtual reality technology in the construction of distance teaching resources in the mechanical discipline. Practice has proved that the use of virtual reality technology not only enriches the distance learning resources, but enhances the teaching effect.

mechanical disciplines; virtual reality technology; distance education

2016—03—02

山西省社科联“虚拟技术视野下的终身教育”项目(SSKLZDKT2009109)

苏永红(1985—)，女，河北邯郸人，山西广播电视大学，硕士研究生。

G728

B

1008—8350(2016)02—0036—03