虛擬現實技術在3D造型課程教學上的應用

姚念近

[摘要]隨著信息化技術的快速發展，新的教學手段不斷涌現，虛擬現實技術作為一種新型的教學媒體，正在為大家所認識。文章結合高職學院3D造型課程教學，從課程要求、虛擬現實技術特點以及其在項目教學的應用進行了初步探討。

[關鍵詞]虛擬現實技術；3D造型課程；項目教學

[DOI]1013939/jcnkizgsc201537196

13D造型課程教學

3D造型課程屬于計算機輔助設計與輔助制造（CAD/CAM）類課程，該課程是在學生學完必要的專業技術基礎課及專業課程的基礎上開設的一門專業核心課程，通過該課程所教授的知識及技能，學生可以掌握利用三維技術表達設計成果、設計理念的技能。

3D造型課程是操作性較強的課程，傳統課程教學過程存在教學方式單一，只講操作軟件命令，忽視情境創設，制約學生的創造與思考能力的問題。為此現在多采用項目教學法，創建一種與實際工作環境相近的情境，設置項目任務，要求學生自己親自動手操作，在具體的真實情境中解決實際問題。以工作項目為主線，學生為主體，教師為主導，在完成項目的過程中，師生共同探討、探索，從而提高自己分析問題和解決問題的能力。

要想開展項目教學，創設真實的工作情境，確立項目任務尤為重要。因此，如何能創設真實的情境，吸引學生，使他們能夠身臨其境，產生設計的沖動和欲望，積極參與到項目教學中來，就是擺在我們面前的一個亟待解決的問題。虛擬現實技術的引入為解決這些問題創造了有利的條件。

2虛擬現實技術簡介

虛擬現實（Virtual Reality，VR），它是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統。虛擬現實技術是結合了計算機圖形學、計算機仿真、人機接口、多媒體以及傳感技術發展而成的一門新技術。它是基于計算機相關技術模擬真實情景生成的一種人造環境，它采用模擬環境、視景系統、仿真系統和人工智能等多種技術生成逼真的視、聽、觸覺一體化的虛擬情景。用戶可以借助必要的裝備以自然的方式與虛擬環境中的物體進行交互作用、相互影響，從而獲得與親臨等同的真實環境的感受和體驗。虛擬現實系統的技術特征是沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、構想性（Imagination）。依據“沉浸性” 程度的高低和交互程度的不同將虛擬現實系分為沉浸式虛擬現實、分布式虛擬現實和桌面式虛擬現實以及增強現實性虛擬現實。

沉浸式虛擬現實系統是一種高級的虛擬現實系統，它提供一個完全沉浸的體驗，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其他設備，把參與者的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數據手套、其他手控輸入設備、聲音等使得參與者產生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。

分布式虛擬現實系統是利用遠程網絡，將異地的不同用戶聯結起來，多個用戶通過網絡同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經歷，對同一虛擬世界進行觀察和操作，達到協同工作的目的，從而將虛擬現實的應用提升到了一個更高的境界。

桌面虛擬現實（PCVR）系統，基本上是一套基于普通PC平臺的小型桌面虛擬現實系統。桌面虛擬現實的參與者是不完全沉浸的，它要求參與者使用標準的顯示器和立體顯示設備，數據手套和六個自由度的三維空間鼠標器，戴上立體眼鏡坐在監視器前，在一些專業軟件的幫助下，可以通過計算機屏幕觀察虛擬境界。由于目前這種虛擬現實的設備投入低、使用技術難度小，因而較另外三種虛擬現實技術得到了更廣泛的應用。

增強式虛擬現實系統是把真實環境和虛擬環境組合在一起的一種系統，它既允許用戶看到真實世界，同時也可以看到疊加在真實世界的虛擬對象，這種系統既可減少對構成復雜真實環境的計算，又可對實際物體進行操作，真正達到亦真亦幻的境界。

虛擬現實技術在高端制造、能源領域、教育科研、國防軍工、建筑藝術、電子商務、交互式娛樂、遠程醫療等領域都有著極其廣泛的應用前景，利用它可以進行工業產品虛擬設計、創建多媒體通信、設計協作系統、實境式電子商務、網絡游戲、虛擬社區系統等。

3虛擬現實技術應用于3D造型教學

虛擬現實技術作為數字化技術的一部分，在高端制造業應用較為廣泛，已成為數字化工業制造技術和生產流水線的重要應用環節，利用該技術可優化產品設計，通過虛擬設計與虛擬裝配避免或減少了物理模型的制作，縮短開發了周期，降低了成本。我院在工業產品的3D造型課程項目化教學過程中，通過引入虛擬現實技術，創建了適合項目化教學的具有真實工作情境的桌面虛擬現實（PCVR）任務系統，學生在體驗企業工作環境的同時，親臨其境地參與項目設計的工作流程，激發了學習熱情，提高了學習興趣，取得了很好的教學效果。通過教學實踐，我們發現在通常情況下，學生在設計過程中通過手繪、三維建模等手段來表現出產品的實際形態及效果，但往往因為無法直觀的表現出設計圖，導致設計流程反復冗長。運用虛擬現實技術教學系統，可以將設計思想更好地融于其中，學生將自己創建的3D模型放入虛擬現實系統，通過網絡大家都可以看到，學習小組成員可以修改討論，教師也可以實時批改方案并將結果呈現在虛擬現實環境中，這樣使教師的任務指導、過程考核以及作業的批改的效率都有了很大的提高。

在教學中，往往會因為實驗設備、實驗場地、教學經費等方面的原因，而使一些應該開設的教學實驗無法進行。利用虛擬現實技術，可以徹底打破空間、時間的限制。通過創建虛擬數字實驗室，學生可以足不出戶，獲得與真實實驗一樣的體會。虛擬實驗室的人機交互系統，可以很方便地帶領學生走入虛擬車間，體驗工作環境，利用虛擬裝配系統，完成機器裝配過程，檢驗3D造型中的結構問題，發現設計中的裝配缺陷，及時修改零件機構設計。

通過虛擬現實系統所建設的數字實驗室，直觀地展示工廠、生產線、產品虛擬樣品以及整個生產過程，項目教學的任務產品從初始3D造型設計、生產過程的建模、仿真加工、模型裝配到檢驗整個的生產周期都在計算機上進行模擬和仿真，這樣使得課堂教學更加生動，同時也提高了課堂效率。

另外，在進行3D造型課程的考核時，我們利用虛擬現實教學系統為學生提供的3D參考模型，學生可以在虛擬環境下，全方位地觀察模型細節，了解模型結構，以完成模型的創建，這樣也解決了實物模型短缺的問題。

虛擬現實技術與多媒體、網絡技術并稱為三大前景最好的計算機技術。虛擬現實應用于教育的不同領域，有不同的應用模式，也取得了不同的效果。虛擬教學的主要優點是：教學內容可視化、學習中的交互性好、沉浸感真實感。

利用虛擬技術模擬難以講解的教學場景，并使之可視化和交互性，讓學生在可視化和參與性下能更好地學習到相關技能。目前，盡管虛擬現實系統的硬件設備還比較昂貴，虛擬現實技術尚未能普及。但是，隨著虛擬現實技術的不斷發展和完善，以及硬件設備價格的不斷降低，我們相信，虛擬現實技術作為一個新型的教學媒體，以其自身強大的教學優勢和潛力，將會逐漸受到教育工作者的重視和青睞，在教育領域廣泛應用并發揮其重要作用。

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