基于VR技术的《液压与气压传动》课程的改革探索

谭正生 段勋兴 赵玲杰 王德选

（重庆化工职业学院 智能制造与汽车学院，重庆 401228）

0 引言

随着科学技术的发展，尤其是信息和电子技术等先进技术的快速发展，VR技术就是其中之一，它在医疗、游戏、商业等领域广泛运用，近年也开始被引入教育领域中。其在专业课程教学中的积极运用，可有效降低学校的教学运行成本和实训操作中的安全风险，更有助于调动学生学习兴趣，激发学生的创新思维能力和动手操作能力。因此，在高职《液压与气压传动》课程的教学改革实践中，将VR技术引用到理论与实训教学环节中，有助于提高教学效果。

1 VR技术概述

VR技术，也称为虚拟仿真技术[1]，这一项技术最初在美国被人们提出，并开展了大量的研究，随后世界上很多国家也开展了该项技术的研究，并成功应用到了商业、游戏等多个领域。近年VR技术在我国得到了飞速的发展，并在很多领域中得到了实践运用，而教育领域便是其中之一。由于VR技术具有沉浸感、交互性、想象力等特点，近年来我国的一些高校将其运用在教学和科学研究中[2-3]。将VR技术引入理论和实践性都较强的《液压与气压传动》课程教学中，可有效地解决传统教学中存在资源有限、安全风险等诸多问题，实现教学质量的提升。

2 VR技术在液压与气压传动教学中的应用

2.1 《液压与气压传动》课程的特点及现状

《液压与气压传动》是一门理论和实践相结合的综合专业课，也是机械专业学生的必修课，其学习目的是培养能解决一线生产中实际问题的技术人才，而非专门从事设计工作的技术人员。其教学的目标是让学生掌握液压、气动的基本原理，元件的结构和性能，在操纵和控制方面的具体应用。在课程设置上适当降低理论部分的难度和深度，更注重实验实训环节的实践能力的培养，提高学生参与实践的主观能动性。

目前，该课程在传统教学中存在以下不足：

2.1.1 识图理解有限

课程中很多元件的机械结构比较复杂，多以平面结构图或小动画的方式呈现，对学生的空间想象能力有很高的要求，学生很难理解其中结构特点和工作原理。另外课程中的液压回路和气动回路种类繁多，复杂的回路增加了学生的理解难度，降低了学生的学习兴趣。

2．1．2 实验实训资源有限

实验实训教学中需要大面积的场地和大量的设备仪器等，才能满足学生的实训需求，但目前很多学校由于各种原因不具备以上条件，设备仪器和元件的数量有限，很难做到将每种元件的实物提供给每个学生使用，即使采用分组使用的方式，也很难全面覆盖到每一个学生。导致没能充分发挥出实验实训环节在整个教学中的作用，也很难有效的检验和提高学生的实践能力。

2．1．3 设备和元件使用寿命有限

实验实训的教学过程中，设备和元件存在严重的损耗，学生在反复拆卸和装配时，由于一些非正常操作导致其使用寿命缩短，需要定期更新，增加了学校实验实训教学成本。

2．1．4 安全风险

实验实训的教学过程中，由于部分设备和元件的零部件重量较重，存在倾倒扎伤、触电等安全风险，导致设备损坏或人身安全事故。因此多数元件只能固定实训点、固定零件进行展示，学生很难在有限时间内看清其内部结构，理解其结构特点和工作原理。

2.2 VR技术在教学过程中的具体应用

针对《液压与气压传动》课程运用传统教学方式中存在的诸多不足，结合VR技术的优势，下面就VR技术在《液压与气压传动》教学环节中的具体应用进行探讨。

2．2．1 理论教学中的应用

运用VR技术将直接改变教学演示方式，传统教学多采用多媒体和板书相结合的教学演示方式，这种方式对学生的代入感不强烈，导致教学效果不理想。例如，在具体课程教学中创建液压元件和气动元件模块，对元件进行真实展示，结合先进的VR技术，让学生直接明了的掌握元件的核心要点。采用VR技术3D仿真展示元件构造的方式，元件的实物模型直观地呈现在学生眼前，学生可以近距离、多角度地观察其机械结构，加深理解。展示时可采用爆炸、剖视、透明、隐藏、恢复等功能，逐级剥离复杂元件的装配关系。利用爆炸显示功能，可让学生直观的了解元件由哪些零件组成，各个零件的外形结构；利用剖视、透明技术，让学生在不拆卸元件的情况下观察其内部结构，如遇个别零件遮挡的情况下，可利用隐藏功能，将其隐藏，只显示需要观察的零件；利用恢复功能则能使元件恢复到初始的显示状态。比如通过动态展示的方式，模拟流体在元件中的实际流动状态，以及元件中零件的动作情况，清晰地展示了元件的实际工作状态，学生很容易就理解其工作原理。

另外，VR技术网络平台可进行远程教学和考试与传统线下教学形成互补，丰富了学生学习的渠道。

2．2．2 实验教学中的应用

传统实验教学中资源有限，且常出现设备的损坏和缺失，使用寿命短等问题。而运用VR技术创建一个虚拟的仿真实验平台，可很好地解决这些问题。将需要的实验设备、仪器等转换为数字模型，导入创建的虚拟数据库，建立虚拟仿真实验系统平台。学生在进行实验时，可在实验平台内选择需要的设备、仪器等模型，搭建相应的液压回路和气动回路，并按实验要求进行虚拟仿真，实时观测实验数据，也可将实验数据导出，做进一步的处理和分析。实验平台如出现故障，学生可以进行故障的分析及排除，激发了学生动手动脑的主动性，增加了实验的互动性。学生通过仿真实验平台可多次进行实验，印证自己的想法，熟悉实验过程，避免了出现不熟悉实验要求，操作失误带来的设备损坏或人身安全事故。

2．2．3 实训教学中的应用

实训教学是液压与气压传动课程教学过程中的重要环节，因受场地和设备有限的制约，很难发挥其在整个教学中的促进作用。通过VR技术虚拟仿真系统，可以有效地解决以上问题，同时节省实训设备、工具和耗材等，降低实训成本。例如，搭建虚拟实训车间，构建体验感较强的车间场景，并配备相应的工具、操作手册等。学生通过鼠标操作，就可完成元件的拆卸、装配和调试等内容。学生要完成虚拟拆装的操作，首先需仔细阅读操作手册，并按规定要求进行操作才能进入下一步的操作，督促学生养成良好的习惯，有效的规范学生的实训操作。同时系统对学生在操作过程的零件、工具的摆放等进行严格的监督，对操作速度、错误等过程信息进行记录，有助于学生自我改进，指导教师掌握学生的操作情况并进行针对性的指导。

3 结论

《液压与气压传动》课程的学习由于其理论和实践性强的特点，传统教学方式很难培养出非常优秀的具有创新和实践能力的学生。将VR技术引入液压与气压传动课程教学中，通过VR技术与传统教学方式相结合，能使学生更好地理解和掌握液压元件的结构与原理、制造与装配工艺、使用与操作，充分调动学生的学习积极性，激发学生的创新思维，提高其实践操作能力。