虚拟仿真技术在实训课程资源开发过程中的研究及应用

2023-10-07戴奕童川张小鹏

中国设备工程 2023年18期

戴奕，童川，张小鹏

（四川铁道职业学院，四川成都 610097）

2020 年10 月，首个国家职业教育虚拟仿真示范实训基地在江西正式开启，助力推动了虚拟仿真技术应用在职业教育中的前进脚步。2021 年1 月，四川省教育厅在《关于开展职业教育示范性虚拟仿真实训基地和实训项目建设的通知》中强调指出，按照“能实不虚、以实带虚、以虚助实、虚实结合的原则，建设一批开放共享的虚拟仿真实训基地和实训项目。”职业教育的实训教学过程中普遍存在“三高三难”痛点和难点，即高投入、高损耗、高风险、难实施、难观摩、难再现。为了解决此类问题，将虚拟仿真技术创新应用在教学中，取得了良好的效果。

1 当前实训教学过程现状分析

1.1 细节展示不足

针对教室讲台展示、实训教学演示成本昂贵或示范过程中存在一定安全隐患的教学内容，学生理解不充分，传统实践教学效率低。

1.2 实训设备不足且成本较高

实训设备不足，做不到一人一机独立操作实训，多人分组进行时，一人操作多人观看，每人真正实操时间少，达不到预期理想的实践教学成果。对于教学用实训设备，会造成大量工件耗材、器件损耗、能源消耗，实训成本巨大。

1.3 实训室建设场地限制

工程类专业一般对实训场地空间要求比较大，实训设备尺寸也比较大，对于实训室建设成本比较高。

1.4 实训课程安排不合理

双师型教师人手不足，实训项目指导不仅需要具备过硬的专业知识，同时还需要丰富的实训指导经验。具有实训教学经验的双师型教师较少，实训教学效果不理想。实训室数量不足和实训教师缺少导致了大多数高校还是偏向于理论教学，难以开展更多的实训教学，学生动手实践能力越来越弱，难以达到企业对专业技术人才的要求。

2 虚拟仿真实训课程资源开发思路和过程

2.1 开发思路

由于虚拟仿真实训课程资源开发需要一定程度的计算机编程能力，而大部分高校的虚拟仿真课程资源实际项目建设过程中，普遍采用专业教师和企业技术人员的校企合作模式，这就导致懂专业的教师难以快速地进入课程开发过程，而企业技术人员对于高校相关专业了解不深，在沟通时无法将技术与专业需求更高效地结合，企业也无法对课程策划、实训实践、教改科研等提供全方位支持。

在虚拟仿真实训课程资源开发过程中，应从脚本编写、三维建模、程序编写、场景搭建、联调联试五个环节进行开发，全过程均需校企双方共同参与，共同将学校专业需求转变为可实现的开发需求，企业也要将行业领域先进的“师带徒”经验、现场维护关键步骤等企业元素整理成素材，丰富教学资源内容，同时为校内学生和企业员工提供学习和提升平台（图1）。

图1

2.2 开发过程

（1）脚本编写。在虚拟仿真实训课程资源开发过程中，首先需要编写专业脚本，脚本是后续的建模和编程的指导依据，特别是对程序的实现方式有重大的影响，直接影响后期程序的实现方式和难易程度。脚本编写需综合考虑以下四个方面（图2）。

图2

（2）三维建模。由于实训课程大部分需要需要学生动手去练，而实训设备往往存在造价昂贵、数量不足、难以拆卸等问题。把现实设备利用3D 建模软件构建三维虚拟结构图像，既可以满足现实设备虚拟仿真，又可以将现实设备难以展示的部分利用3D 建模软件分解展示、透视展示、立体展示。

在三维建模的基本流程一般分为：①项目建模准备。在项目建模准备阶段，需要充分参照现实设备或图纸进行分析，确定建模场景、建模精度、建模单位、模型分解、模型分组编号。将分解模型图纸导入建模软件进行分组并冻结，作为后期建模的参考。②项目建模过程。在项目建模过程阶段，需要根据分解模型进行建模标准（高、中、低模）建立，根据材质进行模型分组建模，尽量保证同一材质由同一人建模，避免后期材质贴图出现差异。选择合适的建模工具，按照前期标准进行三维建模，在建模中一定要保证设备结合处比例合适、布线规范、精度准确。③项目模型保存。在项目建模过程中，往往会存在很多难以预料的细小零件模型（例如，螺母、螺丝、垫片、连接件等），而在后期建模中还需要大量使用此类模型，将此类模型进行规范保存并做好材质和贴图，建立零件素材库，共享给项目组其他成员。④项目模型材质贴图。在项目建模完成后，需根据前期标准进行模型的UV 展开，选择合适的材质和贴图素材。在虚拟仿真实训课程资源开发项目中，需将建好的模型导入虚拟仿真开发软件进行模型组装和材质贴图。

（3）程序编写。①环境搭建。目前常见的虚拟仿真开发引擎软件比较多，并且技术均相对成熟，选择自己熟悉的开发引擎安装。②项目创建。引擎安装成功后，选择VR 项目模板创建VR 项目。项目创建成功后，安装虚拟仿真设备驱动程序。再根据当前开发环境配置虚拟仿真设备并检测环境是否正常。③模型导入。将前期制作好的模型和材质贴图导入到项目中，导入项目时，一定要将不同功能的文件放置在不同的文件夹下。根据模型功能不同或者模块不同进行分组并建立一套合理的命名规则，以方便程序对模型调用。④程序编写。为用到的不同模型部件编写不同的程序，对模型进行操作时，需注意模型的中心位置、相对位置和绝对位置。按照之前编写完成的脚本，从前往后逐步编程实现。在程序编写过程中，着重注意互动环节和评价体系的程序部分，语音讲解可由AI 生成。⑤编译生成。生成可执行程序时一定注意选择Windows平台，一般开发软件支持键盘鼠标、VR 手柄等多种输入方式，支持PC 端、手机端等多种导出模式，根据项目需求选择合适的可执行程序生成。

（4）场景搭建。完成了建模和程序编写，便可采用两种应用方式：一种是在PC 端进行观看，另一种是采用头盔显示器等穿戴设备。在PC 端进行观看和学习，是一种可以普遍应用的教学方法。只需要将教学资源安装在计算机上，就可以利用鼠标的操作完成控制指令的下达，实现人机交互，可适用于计算机房教学，可供学生自主预习，可用于课堂教学资源，可作为课后资料进行复习和巩固。采用头盔显示器可实现整个学习过程的浸入式体验，跨越了时间和地点的限制，只要戴上头盔，连接到设备后进入的场景要与现实一致，就可以不分时间不计地点进行实训练习。可以通过手柄的控制和操作，发出相应的控制指令，实现可交互的沉浸体验。

（5）联调联试。通过多位专业教师、现场专家、学生的体验测试，提出体验感受，形成改进意见，进行再次开发与优化。多次试验无误后，应用于实际校内教学和企业培训。