虚拟现实技术在高职机械专业实验教学中的应用

万民标

摘要：随着虚拟现实技术的发展，特别是作为“虚拟现实元年”的2016年以来，虚拟现实与增强现实技术凭借其沉浸性、交互性、多感知性持续火热，并逐渐渗透到很多行业领域。而作为培养应用型技术人才的高职院校，实验教学一直是人才培养中的关键环节，该文首先探讨了虚拟现实技术的基本特征，高职院校机械专业实验教学的主要特点，以及虚拟现实技术在其中应用的可行性及明显优势，同时也指出了存在的现实问题，最后针对这些问题给出了一些有效建议，并展望了高职院校虚拟实验教学的方向。

关键词：虚拟现实技术;高职院校;实验教学

中图分类号：G642.4.5       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）01-0183-02

虚拟现实技术是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术等的集合。是指借助计算机技术模拟一个实时动态的三维立体逼真环境，利用传感技术在该环境中拥有人所具有的视觉、听觉、触觉、力觉、运动等感知能力，创造出一种崭新的人机交互状态。目前被广泛应用于游戏、旅游、医学、室内设计、房产开发等领域。

虚拟现实技术同样也被广泛应用于教育领域，国内很多高校都积极研究虚拟现实技术及其应用。早在2012年由华中科技大学、北京航空航天大学、上海交通大学、北京邮电大学、电大在线遠程教育技术有限公司联合开展的“十一五”国家科技支撑计划“虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范”项目成功获得教育部验收，其中机械类选择了《机械原理》《机械设计》《机械制造基础》《金属工艺学》《机械工程测试技术基础》《机械工程控制基础》《机电传动技术》等7门课程进行了教学实验改革和虚拟实验平台的搭建。为解决了虚拟实验环节中的一些共性的、基础性的技术难题，为真正意义上建立和推广虚拟实验系统做出了很大贡献。

国家教育部自2017年开始打造开放共享的虚拟仿真实验教学平台，计划建设1000个国家级虚拟仿真实验教学项目，并且要求项目被认定后在一定时间内面向高校和社会免费开放并提供教学服务。给虚拟实验教学上的应用指明了方向，促进了虚拟现实技术服务于实践教学，让网上做实验和虚拟做真实验，成为现实。随着这些虚拟仿真实验教学项目的不断实现和推广，必将对我国高等教育质量的提高产生较大的影响，进一步解决实验教学、实践教学、实训教学的一些难题，弥补我国大学生动手能力不足的问题。

1 虚拟现实技术的主要特性

1.1 沉浸感

虚拟现实是通过计算机技术创造一种人为的虚拟环境，当用户进入这一虚拟环境中特别是与虚拟环境有互动交流时，会不自觉的感觉自己就是虚拟世界中的当事者，会产生一种空间临场感，比如VR游戏体验中，玩家会将自己当作游戏中的角色，完全的沉浸进去，会有种将虚拟体验当真的感觉。

1.2 交互性

交互性是用户在该虚拟环境下不是一味地被动感受，即用户除了被动地接受来自虚拟环境的信息外，还能通过自己的动作使虚拟环境做出改变。比如用虚拟现实技术模拟的减速器虚拟拆装实验中，用户可以通过鼠标或者其他VR设备进行减速器各个零部件的拆卸和安装。虚拟环境的减速器会在用户给定的操作指令下进行零部件位置的移动和变化。这种使用户由被动到主动的信息互动性就是交互性。

1.3 构想性

虚拟现实技术不仅仅可以模拟真实存在的环境，还可以根据想象构造出客观不存在的甚至是不可能发生的环境，即可以启发人的创造性思维，使用户深化概念和萌发新的联想。

2 高职机械类实验实训课程的教学现状

高职院校一直以高端技术技能型人才为培养目标，通过系列化的实验实训课程教学，培养起学生过硬的实践技能以及相应的岗位适应能力。高等职业院校机械类专业教学尤其应注重培养学生熟练的操作技能，使学生在学校学习阶段就能够接触甚至学会工作中需要具备的各种能力，因此对于高职机械类实验实训课程进行分析很有必要。

2.1 实验实训课程与理论课程相比，仍属于从属地位，重视程度不够，体系也不够完善

对于很多学生甚至教师来说，课堂理论知识教育才是正规的教育教学模式，是知识的主要获取渠道，而实验实训课题只是理论知识的补充和实践，是配套工程，首先就在心理上重视不够。在学校方面，对于理论教学往往都有明确的考核指标和奖励办法，而对于实验实训课程，则缺少相应的规定文件。不利于老师们进行实验实训课程的探索。另外实验实训教学体系并不完善，体现在对于高职院校教学评价中，实验实训课程的考察仅仅占30%左右。

2.2 实验实训课程所需要的软、硬件设施不够完善

对于机械类专业实验实训课程来说，正常的开展实践教学活动往往需要完善的软、硬件设备。但是由于高职院校的大量扩招和教育投入经费的减少，使正常教学需要的实验实训教学设施非常紧张。虽然知道自己需要所需的实验设备对于学生的培养具有重要作用，但是高昂的软硬件成本使很多高校心有余而力不足，只能用理论课替代或者用视频展示。

3 虚拟现实技术在高职机械类实验教学中的应用探讨

3.1 新的教学模式可以激发学习热情，打破时空限制

机械类专业课程如“机械原理”“机械设计”“机械制造技术”等都是具有较强的理论性和实践性，仅仅依靠理论课程的讲解难以激发学生的兴趣，与传统的机械理论教学相比，虚拟现实技术的加入可以增强机械类课程实验教学的生动性，给学习者带来放松、感兴趣等积极情绪，进而激发学习热情。比如齿轮失效的实验中，失效形式有齿面点蚀、齿面磨损、齿面折断、齿面胶合、塑性变形等5种形式，仅依靠文字讲述，对于学习者来说会比较枯燥，如果理解不够彻底，概念容易混淆，而用虚拟现实技术构建这五种失效场景，模拟齿轮从正常状态由于某种原因逐渐形成这五种失效形式。会给学生一个更加直观的学习感受，激发学习兴趣，加深理解记忆。用虚拟现实技术搭建机械类实验平台，模拟真实的教学和训练环境，使教学不仅仅局限于室内课堂的教学中，而是能够随时随地且能重复的进行参与。而且在实验平台搭建所需要的素材能够免费、实时的共享，避免资源的浪费，提高教学效率。

3.2 可以降低实验成本，提高实验教学质量，甚至达到现实实验无法完成的教学目的

由于机械类专业的实验设备成本往往都较高，做一次实验代价太大或者所需的时间太长等。而利用虚拟现实技术来进行实验教学项目的设计和实施，可以较好地解决这些问题。用户首先根据需要进行虚拟场景的搭建和模型的建立，然后根据实验原理设置场景中各个要素之间的逻辑关系和运动关系。最后通过设备与虚拟场景进行交互，利用虚拟现实技术的沉浸感和交互性完成实验。比如利用虚拟现实技术完成某数控机床加工零件的实验，主要分为实验设备结构认知、实验原理演示、实验操作及程序的编写和实验实施等4个模块。在实验设备结构认知模块中，可以利用虚拟现实技术实现实验中各个部件的拆卸和装配，对每个部件的功能进行单独的介绍说明，以及工作中运动传递的演示。而在现实实验中很难实现数控机床的拆装和内部结构分析;在实验原理演示模块中，通过输入系统输入指令，控制机床主轴及进给等执行机构运动，完成工件的加工，结合三维动画演示比纯理论讲解的实验原理更容易为学生理解和接受。在实验操作及程序的编写模块中，可以进行程序的编写或者导入，而且可以增加程序自检测功能防止误操作。在实验实施模块中可以观看工件的具体加工过程，还可以设置时间进度，相比于现实中的加工，可以更加细致和快速地看到实验过程。

3.3 有利于降低实验风险、以及应用于特殊的实验场景

有些机械类实验实训课程存在安全风险或者实验本身在特殊的环境中。比如电梯的安装和维修，可以利用计算机辅助设计技术建立电梯的三维模型，对于电梯容易出现故障的零件进行标注和故障解决的措施的介绍，利用虚拟现实技术搭建施工作业的场景，并注明场景中的风险点和注意事项，再结合动画技术和外部接入设备，实现操作者与虚拟场景中的电梯各个部件进行交互式安装和维修。而有些实验则处于特殊的工作环境当中，比如需要在太空作业如哈勃望远镜的检修任务[4]，需要在高污染环境作业如核辐射区域的任务等。通过虚拟现实系统的开发，在该虚拟环境中进行全方位的培训以达到熟练掌握完成任务的能力。能有效预防作业风险，减少培训费用和周期，并且能提高任务完成的成功率。

3.4虛拟现实技术在机械类实验教学中不足以及对策研究

目前，虽然机械行业具有应用虚拟现实技术多种有利条件，并且上文也介绍了虚拟现实技术的引入能克服传统教学模式的某些不足，但是由于利用虚拟现实技术构造出来的都是一个个虚拟的世界，与现实环境还是存在一定的差距。如数控机床加工零件，最终产品的形成还要受装夹、温度、润滑、切屑处理等很多实际的因素影响，而这些因素都是在虚拟环境中容易被忽略或者难以进行有效模拟的。另一方面虚拟现实技术应用于教学需要大量专业类课堂素材，而由于经济效益的关系，大多数软件公司将重点放在游戏等领域，真正做教育的大型VR技术公司还不多，从而限制了老师们在课堂上使用与教学内容相匹配的素材。再就是虚拟现实技术应用于教学毕竟是一宗新的模式，还没有明确行业规范，各个软件公司各种设备间也没有统一的标准。导致大都是各自为战，质量参差不齐，影响行业的进一步发展。

针对虚拟现实技术在机械类实验教学中的不足，以下提出了几条对策：一是需要结合机械类课程深入的开发虚拟现实技术，使虚拟环境下的实验尽量与真实实验数据相吻合，拥有高度的逼真感一方面提高学生的学习积极性，另一方面也增加了实验的科学性和准确性。二是机械类教学实验需要具体教学的老师和软件公司共同合作开发适合教学内容的素材，发挥学校教学优势和企业技术开发的优势，加强校企合作，共同高质量地完成教学素材的开发。三是虚拟现实技术要能很好的应用于机械类实验教学离不开国家相关部门的项目和资金支持，同样也离不开政策支持，统一的标准、积极的配套政策的出台一定能促进整个行业的发展。

4 结语

随着虚拟现实技术不断发展，与机械类教学实验的开发更加深度融合，不断满足课程改革和高技能人才培养的需求，对实验类教学模式的探索具有很好的应用价值。

参考文献：

[1] 王同聚.虚拟和增强现实（VR/AR）技术在教学中的应用与前景展望[J].数字教育，2017（1）：1-10.

[2] 刘秀清，葛文庆，焦学健，等.国家级虚拟仿真实验教学中心建设与管理[J].实验技术与管理，2018，35（11）：225-228+233.

[3] 狄宝晶.三维动态虚拟现实仿真与大学机械类实验教学中的软件建设[J].现代制造技术与装备，2016（5）：172+175.

[4] 吴峥强.VR技术在机械设计制造教育领域的应用探索[J].中国教育技术装备，2020（2）：39-42.

[5] 江本赤，梁利东，贾文友，等.基于VR技术的机械类课程实验项目设计与实例[J].中国教育技术装备，2019（2）：36-37+40.

[6] 高云鹏，冀万文，张鹏，等.VR技术在《机械制图》教学中创新思路的研究[J].冶金管理，2020（15）：165-166.

【通联编辑：朱宝贵】