VR技术在测控技术实验教学中的开发应用

许文硕 王建军 乔建委 王峰 卢云鹏

摘要：虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，使用户沉浸到三维动态视景和实体行为的系统仿真环境中。为提高测控技术课程教学中的体验感，运用虚拟现实技术软件IdeaVR，结合《控制技术与系统》课程，设计了一套提高学生理论水平与实际设计及动手能力的三轴转台，实现了该三轴转台的三维设计显示及整体运动轨迹的仿真与动画设计，并对如何提高《控制技术与系统》实验教学进行了分析与探讨。

关键词：虚拟现实（VR）；三轴转台；课程设计；运动仿真

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）07-0119-02

Abstract： Virtual Reality （VR） technology is a computer simulation technology that can create and experience virtual worlds， and users can immerse in the system simulation environment of 3D dynamic vision and physical behavior. In order to improve the teaching and studying experience in the measurement and control technology course，we combined the virtual reality technology software IdeaVR into the "Control Technology and System" course， and designed a set of three-axis turntable to improve students' theoretical level and practical design ability. We realizedthe architecture design of a three-axis turntable show as well as the animation design of its overall motion trajectory. Finally， we analyzed how to improve the experimental teaching of the Control Technology and System course.

Key words： virtual reality （VR）； three-axis turntable； course design； motion simulation

随着时代的不断发展，实时三维计算机图形技术，广角立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等的不断研究，作为这几种技术的综合，虚拟现实技术也开始走进课堂。虚拟现实技术的引进对传统教学方式进行了补充，在一定程度上促进了传统教学的改革，由此信息教育开始了虚拟现实时代。传统的实验授课中，一方面对于过程控制理论的教学，很多方面是一些相对落后的知识和重复性内容介绍，缺乏对最新控制技术和控制理论的补充。另一方面对具体的应用案例介绍得不够充分，学生学习后，虽然对理论知识掌握较好，但如何实际应用十分茫然，导致理论学习和实践操作有较严重的脱节。为了提高学生的认识水平和实践能力，适应新时代的工作需要，我们对于《控制技术与系统》课程实验进行了改进，采用IdeaVR软件进行课堂教学，它不再试过去只能观看模型的教学方式，而是采用了虚拟现实技术，通过给学生演示模型的分解、实体展示等方式，让学生深入了解课程，达到理论与实践相结合，目前很多学校对于虚拟现实授课方式进行了不同程度的探索及应用。

1 IdeaVR软件

IdeaVR软件是全球首款异地多人协同平台，IdeaVR解决了当前VR实践教学四大难题：1）通过多人协同功能，革新现有VR单人单视角教学模式局限；2）通过零编程的自助式内容制作模式，解决教育行业VR内容匮乏难题；3）通过硬件终端的自适应性，解决VR硬件多样化问题；4）通过VR资源云平台：素材库、场景库和VR视频录制，解决实验教学内容封闭现状。VR软件打破空间的局限，借助内置强大的分布式多人协同系统，可快速构建多人协同工作环境，让所有使用者置身于同一个真实的场景中，真正实现了多人协同下的“教、学、演、練”。

2 课程内容与特点

《控制技术与系统》是测控专业一门专业性和实践性较强的专业主干课，通过课程教学，使学生运用自动控制原理，结合生产过程机理，利用自动化仪表及装置去从事生产过程的分析、设计、运行与开发研究工作。《控制技术与系统》主要包括两大部分的设计：计算与控制部分、执行器部分。

控制技术在教学过程中，有些控制概念和方法比较抽象，采用实物难以展示，需要采用虚拟仿真技术来展示原理；控制器的设计采用软件编程，难以实物展示；内容多以验证性实验项目为主，且实验中学生概念模糊又很难动手操作，需要老师在一旁进行专门指导，造成理论与实践在具体操作中难以紧密结合。综合这些原因，我们开始在《控制技术与系统》课程中引入虚拟现实技术。

虚拟现实授课方式是指教师事先对所讲课件进行3D模型构建，在IdeaVR中导入相关模型进行准备，并在专门的VR实验室进行课堂授课，通过教师在IdeaVR中演示部件拆卸、部件移动、部件复位、动画播放等相关功能，帮助学生理解掌握相关知识。

虚拟现实技术采用计算机与外部设施相结合，构建一个模拟环境。VR是以新型人机对话为基础的交互性技术，其最大优势在于构建作品与参与者的对话，通过交互操作提高学生的认识水平和实践能力。该技术可打破制约传统实验教学中对空间及人数的限制，实现VR设备的互联互通，并实现多人对其进行操作，提高了教学质量，使理论与实践紧密结合。

3 IdeaVR操作

从《控制技术与系统》课程教学中选出一节为例，对一种三轴转台结构进行设计与运动仿真。设计三轴转台时，首先采用CATIA对其进行三维模型构建，然后利用IdeaVR软件对其实现三维展示、视口类型、材质选择、运动模拟等教学。此教学将三轴转台的零件结构、工作原理及装配过程以虚拟仿真的方式展示给学生，使学生通过实际操作学习，更深入了解所学课程理论知识及提高了自身实践操作能力。

3.1三维展示

在主菜单栏“文件”菜单项中，选择“打开工程”功能，进入打开工程对话框，选择导入。编辑器中有两种主要的视口类型：透视视口和正交视口。透视视口是场景的三维窗口。正交视口是顺着每个坐标轴（X、Y、Z）看到的二维窗口，包括主视图、俯视图和侧视图。

在视口中，对导入的工程图进行相关导航操作，具体导航操作动作为调整视角角度、拉伸视角远近、视角平移、视角向前移动、视角向左移动、视角向后移动、视角向右移动、视角向下移动、视角向上移动，其对应的操作为鼠标左键+拖拽、鼠标右键+拖拽、鼠标中键+拖拽、键盘W、键盘A、键盘S、键盘D、键盘Q、键盘E。

3.2材质选择

工程打开后，IdeaVR提供材质修改，在主菜单栏中的“编辑”标签页中，选择“材质”功能，进入材质面板。在左侧的材质列表中选择一种材质，勾选面板上“拾取面”，再点击左上方的“赋材质”功能，将鼠标移动至修改项点击即可修改材质，如图1所示。

3.3运动模拟

在主菜单栏中的“动画”标签页中，选择“动画编辑器”功能，进入动画编辑面板。设定总时长，选中四个操作对象，对其进行移动方向设定，规定其旋转角度和位置移动，具体设定如图2所示。其运动状态为平面镜在X轴、Y轴旋转7度，四个杆端球头轴承上下移动相对应的数值，从而带动反射镜旋转。根据设定，进行相关模拟运行。

4 存在的问题

1）在VR实验室进行授课时，教师在前期需要一直面对大屏幕进行讲解演示，因佩戴专门的3D眼镜，故无法实时确保学生的上课集中性，学生有可能出现开小差现象。关于这个为题，教师可以后期设立助理岗位进行课堂授课辅助。

2）在后期学生自主探索学习过程中可能会出现贪玩的心思，进行无关学习的事情，没有按照课程进行学习与练习，从而在相关知识的掌握上出现问题。关于这个问题，教师需提前做好学习方面的疏导，让学生主动学习，自觉学习，发挥学生的自我独立。

3）实验室授课时学生人数不宜太多，因操作手柄数量的限制，故实际操作时，无法满足多人进行操作。关于这个问题，因硬件限制，可协调好学生的人数，协调好时间，提高授课效率。

4）授课前的课件准备需要教师提前进行三维模型的构建，这些课件需要教师不断更新优化，与时代相结合，紧跟科技发展的脚步。

5 结语

本文通过IdeaVR软件将虚拟现实技术与控制技术与系统课程结合，在教学中使学生不再局限于实体操作中拆卸、放大、移动等问题，通过虚拟环境中工程图展示，使得学生能够实际模拟操作，达到对其有更详细的认知。合理运用虚拟现实技术进行课堂教学，一方面可以一定程度上改进了传统教学方式的不足，另一方面为了积极探索课堂教学的新方式，使得课堂教学与时俱进，学生学习方式多样化。

参考文献：

[1] 朱震华.VR技术在课堂中的应用[J].电子技术与软件工程， 2018（20）： 2095-5650.

[2] 杨波.基于VR技术的仿真虚拟教学资源应用开发[J].信息记录材料，2018（11）： 1009-5624.

[3] 陈长全，符龙生.VR技术在高职院校实训中的应用[J].电子技术与软件工程， 2018（18）： 2095-5650.

[4] 黃旭.VR技术在高校体育教学及训练中的运用可行性研究[J].当代体育科技，2018（21）：2095-2813.

【通联编辑：唐一东】