3D技术在实训教学环境建设中的应用

2020-01-09李晶陈军

湖北农机化 2020年17期

李晶陈军

(江苏海事职业技术学院，江苏南京 210000)

1 Unity3D技术在实训教学中的优点

1.1 形象直观、方便教学

采用基于Unity3D技术的实训教学可以将原本抽象的、在实训场地和课堂内无法很好呈现的、学生学习困难的教学难点通过虚拟现实的方法展现出来。通过在虚拟现实世界中与虚拟物品进行交互，变抽象知识为形象知识，让学生可以全面地学习到相关的实训专业课知识。

3D技术在实训中可以采用音频和视频交互的形式与学生直接进行交流，在进行相关课程设计时可以借鉴传播学和教育学的相关原理，选择有利于学生学习和理解的方式进行教学，从而达到高效率备课、高质量上课和方便老师教学的目的。

1.2 材料低损耗、人身低危险

由于高职院校的许多实训教学都是模拟工厂现实环境，而学生基本没有操作设备的经验和知识技术储备，导致经常出现由于误操作引起的各种危险。而采用Unity3D技术的虚拟实训教学则可以在电脑和虚拟设备上进行。在虚拟环境中掌握基础操作知识后，再配合有限的真正的实物实训，从而在最大程度上保证学生和设备的安全。

对于制造业类的实训室而言，教学活动消耗的耗材是学校很高的一笔经济支出。很多学校虽然有建设实训室的资金，但是面对高昂的维护和耗材成本，经济压力很大。而采用3D技术技术进行虚拟仿真教学，将材料的损耗降到最低，这对降低学校教学成本和提高教学质量有很重要的意义。

1.3 设备和零件的真实再现

采用Unity3D技术可以通过三维建模软件模拟出各种耗材、零件、设备和环境，可以近距离地观察设备和零件，了解其相关知识并360°全方位地观察零件。通过虚拟装配可以模拟实训装配过程的各个环节，老师可以事先录制好引导教程，并在教学的重难点部分打上标记，让学生可以更好地学习，也可以提高学生的学习积极性和自主学习能力。特别是对于诸如化工和消防等实训课程，Unity3D技术可以仿真出一个模拟现场的环境，让学生体验到平时课堂上无法演示的场景和学习一些危机应对知识。Unity3D技术对零件的再现并不是简单地对零件进行拍照展示，而是在三维建模和扫描的基础上进行零件的重新展示，特别重要的一点是，采用Unity3D技术可以从不同角度和界面对零件进行解释，甚至直达真实零件都很难进行的教学角度，从而实现加深学生理解的作用。

1.4 交互性学习，提高学生兴趣

在实训教学环境中采用Unity3D技术可以有利于教师对课程设计进行大胆创新，Unity3D技术为教师教学提供了更多的工具和可能性，可以极大地提高学生的学习乐趣。许多实训课程中可以加入众多的交互学习环节，大大地提高了学生的动手实践能力，促进学生将课堂上学习的知识引入实践中。许多研究结果都表明，学生觉得能够通过3D技术与机器进行直接地交互是一种非常好的学习体验，可以极大地提高他们的学习乐趣和学习信心。新的课程改革对学生的实操能力提出了更高的要求，而采用交互式学习可以极大地提高学生拆解知识的能力，大大提高学生的动手能力。

1.5 及时更新设备，与企业需求接轨

过去建设高职实训中心中一个较大的问题就是设备的更新换代问题，因为诸如机床、加工中心、机器人等实训设备都是属于重资产，而随着现代科技的高速发展，这些设备的更新换代又很快，经常出现学校教授的课程跟不上企业技术更新速度的情况。而采用Unity3D技术可以直接与企业实际需求对接，用软件模拟出最新技术设备，让学生在学校虚拟仿真中心就可以进行最新设备和技术的实训，直接为就业打下基础。

2 Unity3D技术在实训教学中应用实例

本文以Unity3D技术在工业机器人实训教学中应用为例，介绍了Unity3D技术的具体应用方式。但是工业机器人专业涉及大量的实训课程，而机器人实训室的建设成本和对师资的要求较高。许多高职院校在工业机器人实训方面都存在设备较少和教师水平不足，教学质量较低等问题，因此，引入Unity3D技术等虚拟现实技术对机器人进行虚拟实训可以很好地解决这些问题。

本文教学采用的是5自由度的KUKA机器人进行虚拟仿真，采用Unity3D技术构建出机器人使用的虚拟环境和机器人主体。通过操作真实的KUKA机器人控制手柄，具有很好的真实性和交互性，学习效果较好。首先，虚拟机器人主体按照1∶1的比例在软件中进行三维建模，然后导入Unity3D软件中进行渲染，并添加各个关节之间的运动和约束关系，并进行关节限位设置。其次，采用Unity3D中的渲染插件对机器人实际应用环境进行软件模拟，采用Unity3D中的材质插件对机器人表面进行肤质和光影调节，最后创造出逼真的虚拟环境。然后，对虚拟场景的运行脚本进行编制，结合机器人控制手柄的命令，结合Unity3D软件中预置的脚本工具对机器人的多种动作控制进行脚本编写。通过一系列工作，就可以采用控制手柄对虚拟机器人进行全方位地控制和操作了。学生可以在计算机上学习各种原本需要进入机器人实训室才能学习的知识，从而大大提高了学习效率。