虚拟现实技术在高校实践教学中的应用探究

蔡宝 顾鸿良 孙张驰 朱文华

摘  要 实践教学一般具有危险性、复杂性等特点，特别是机械类、电子电路类的实践课程。以机械类实践课程为例，具体阐述虚拟现实技术在实践教学中应用的可行性，分析对比各类虚拟现实设备在实践教学中的应用优势，简述学校虚拟仿真实验室现阶段的主要研究成果，分析高校实践教学进行虚拟仿真研究的建设方向。

关键词 实践教学;虚拟现实技术;虚拟仿真实验室;机械类实践课程;zSpace;HTC头盔;Holospace

中图分类号：TP391.9    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）04-0049-03

Application of Virtual Reality Technology in Practical Teaching in Colleges and Universities//CAI Bao， GU Hongliang， SUN Zhang-chi， ZHU WenhuaAbstract The content of practice teaching is generally characterized by danger and complexity， in particular， practical courses in mecha-nical and electronic circuits. Taking the practical course of machi-nery as an example， the feasibility of applying virtual reality techno-logy in practical teaching is expounded， the advantages of various virtual reality devices in practical teaching are analyzed and com-pared， the main research results of school virtual simulation labora-tory are briefly described， and the construction direction of virtual simulation for practical teaching in Colleges and universities is summarized.

Key words practice teaching; virtual reality technology; virtual simu-lation laboratory; practical course of machinery; zSpace; HTC hel-met; Holospace

1 引言

隨着计算机技术的迅猛发展，虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）已成为近年来发展的热点技术[1]，它具有存在沉浸性、交互性、想象力、多感知性四大特点。虚拟现实系统根据用户参与形式的不同，一般分为桌面式、沉浸式、分布式、增强式[2]。

桌面式虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，通过外部输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，外部输入设备包括鼠标、感应笔等。桌面式虚拟现实受到周围现实环境的干扰而降低参与者的真实感。

沉浸式虚拟现实提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间。

分布式虚拟现实将多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，即多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。

增强现实式虚拟现实是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，利用它来增强参与者对真实环境的感受。

2 VR技术在教育领域的应用现状

近年来，虚拟现实技术应用在教育领域越来越广泛，2013年开始，教育部开始认定国家级虚拟仿真实验室建设成果[3-4]，大批高校开始虚拟仿真实验室建设，例如：朱文华[5]开发了虚实结合的减速器学习系统;郝翠霞[6]提出基于虚拟仿真技术的工业机器人实训课程的教学方案;罗陆锋[7]提出基于虚拟现实的实训类课程考评系统设计方法;夏晓静[8]采用虚拟现实技术开发了药物制剂实训在线考核系统。综上所述，目前国内高校在虚拟仿真实验室建设方面取得丰硕成果，大部分高校都有针对性地进行虚拟仿真研究，尤其是针对教学设备昂贵、操作具有危险性的实践教学，采用虚拟仿真的手段进行仿真教学。

上海第二工业大学针对机械类传统实践课程和智能制造实践课程融入虚拟现实技术，开发了一系列工程实践虚拟仿真课程。

3 典型应用成果

机械类实践课程具有操作复杂性和危险性的特点[9]，目前国内针对工程领域实践教学的仿真研究较多。以下是上海第二工业大学虚拟仿真实验室根据传统的机械实践课程教学内容开发的虚拟现实实践课程系统。

1）zSpace桌面式虚拟现实应用。zSpace桌面式虚拟现实系统主要应用于单体机床的仿真学习，该虚拟仿真系统主要包括对机床结构、工作原理和操作方法的学习。如图1所示，左下角是在zSpace虚拟现实设备，进行机床立体操作体验;同时为了能够分享演示成果，开发了裸眼立体扩展系统，可将教师机的操作画面扩展至立体显示器，同时进行现场教学。

目前，该套设备已运用在日常教学中，学生首先进行虚拟仿真实践学习，之后进入实际车间进行机床实操学习。

2）HTC头盔沉浸式虚拟现实应用。HTC头盔是市场上较为成熟的产品，其最大的教学优势是在多人协同方面。在实际教学中，多名学生佩戴头盔在同一虚拟环境中协调完成同一学习任务。如图2所示，三名学生在虚拟车间中完成自行车虚拟装配工艺学习。

3）增强现实+触屏式虚拟现实应用。移动设备和大屏触摸显示器组合使用，可实现增强现实的分享学习，既增强了互动性，又有很好的展示性能。如图3所示，移动端扫描特征图进行AR识别，大屏幕可将识别内容展示出来进行课堂教学，大大丰富了实践教学内容。

4）Holospace分布式虚拟现实系统应用。五通道分布式虚拟现实系统可进行大工程生产实践教学，落地式大屏幕VR显示系统可1：1还原生产制造实况。系统由前幕、左幕和地幕组成，其中前幕和地幕由两台计算机进行控制，左幕由一台计算机单独控制，最终的立体画面为五台投影机拼接而成。

如图4所示，Holospace分布式虚拟现实系统可用于智能制造车间生产实践使用，由于车间生产设备较多，不局限于对单个设备进行仿真，系统仿真可基于车间大环境，让学生更加真实地体验生产实践概况，大大增强学习感受。

近年来，虚拟现实技术发展呈现井喷趋势，大量的虚拟现实设备被应用在游戏外的诸多领域。目前，虚拟现实设备的开发主要以Unity 3D软件作为支撑[10]，开发技术难度大大降低，开发内容可根据学校具体专业需求制作。

4 虚拟仿真实验室建设分析

从实验室建设的特点、虚拟技术的优势及建设经济成本角度展开分析。

超强的通用性  虚拟现实技术作为虚拟仿真领域一个重点方向，技术本身发展已较为成熟，可将其应用在各个行业领域，尤其是在实际操作难实现、有危险的情况下。

良好的系统层次性  运用虚拟现实技术进行仿真教学时，制作内容可分专业、分模块，能够很好地区分难易程度，尤其是专业基础课和通识基础课教学内容能够进行分层次教学。

良好的经济建设性  目前成熟的虚拟现实设备成本相差较大，HTC沉浸式虚拟现实一套仅需几千元，增强现实+触屏式虚拟现实建设成本需数万元，zSpace桌面式虚拟现实建设成本则为十几万元，而分布式虚拟现实则高达数百万元，实际操作中需根据学校情况和经费决定。

5 结语

随着科技的发展，虚拟现实技术的工程应用越来越广泛，工程实践教育课程作为大多数高校的必修课程，运用先进的科学技术改变教学方式是大势所趋。上海第二工业大学虚拟仿真实验室建设概况供其他学校参考。

參考文献

[1]王爽，陈永当，孔繁锦，等.虚拟现实技术概论[J].科技视界，2016（11）：129，153.

[2]李巍.虚拟现实技术的分类及应用[J].无线互联科技，2018，15（8）：138-139.

[3]王森，李平.2014年国家级虚拟仿真实验教学中心分析[J].实验室研究与探索，2016，35（4）：82-86.

[4]祖强，魏永军.国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J].实验技术与管理，2015，32（11）：156-158.

[5]朱文华，蔡宝，石坤举，等.虚实结合的减速器拆装的研究[J].实验室研究与探索，2017，36（11）：98-102.

[6]郝翠霞，叶晖.工业机器人实训课程的虚拟仿真教学研究[J].实验技术与管理，2018（6）：144-146.

[7]罗陆锋，孙爽，李国琴，等.虚拟现实技术在技能实训教学考评中的应用研究[J].中国现代教育装备，2016（21）：89-91.

[8]夏晓静，胡英.基于虚拟现实技术的实训在线考核系统设计与实现：以药物制剂综合技能训练课程为例[J].中国现代教育装备，2014（11）：119-121，128.

[9]叶萍.“危险”的教科书[J].江苏教育，2013（16）：32.

[10]陈晓青，王少伟.基于Unity的虚拟现实技术在教育中的应用[J].软件导刊：教育技术，2011，10（12）：76-78.