淺談虛擬現實技術在中職模具專業的應用

盧瑞光

隨著虛擬技術的迅速發展和廣泛應用，虛擬教學系統成為一種有效的輔助教學手段。目前職業學校模具專業學習主要以模具裝配檢修為主，但由于受到設備、場地等多種條件限制，學生不能很好地掌握模具裝配維修技能，降低了學生操作的安全性，再加上學校需要投入大量實習設備，大大增加了教學成本。虛擬現實技術的出現，很好地解決了這些問題，激發了學生的學習興趣和求知欲，提高了學生學習的積極性。

一、虛擬現實技術的概念

虛擬現實技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，它使用戶沉浸到該環境中，其核心就是利用一個虛擬系統去模仿真實系統。它具備可控制、無破壞性、消耗小、可重復利用等特點。

虛擬現實技術在教學中的應用還停留在初級層次，比如多媒體課件的開發等，這些技術屬于桌面虛擬現實。桌面虛擬現實利用個人計算機和低級工作站進行仿真，計算機的屏幕用來作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，各種外部設備一般用來駕馭虛擬境界，輔助操縱在虛擬情景中的各種物體。這些外部設備包括鼠標、追蹤球、力矩球等。桌面虛擬現實要求參與者使用位置跟蹤器和另一個手控輸入設備，如鼠標、追蹤球等，坐在監視器前，通過計算機屏幕觀察360度范圍內的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時參與者并不能完全投入，因為桌面虛擬現實仍然會受到周圍現實環境的干擾。桌面虛擬現實雖然缺乏完全投入的功能，但是由于其成本相對低一些，適用于教學過程中采用多媒體教學課件或教學軟件的應用。本文采用的虛擬現實技術主要就是桌面虛擬現實。

二、虛擬現實技術在中職實訓教學中的現實意義

在學校教育中，特別是職業技能類教學中，虛擬仿真技術應用較多。它不僅適用于課堂教學，也適合在實訓教學中使用。以前由于開發難度較大、開發成本較高，仿真技術系統一直集中在少數幾類專業中使用。近年，隨著VR技術的發展，虛擬仿真系統的開發成本越來越低，越來越多的職業技能學習可以使用計算機虛擬設備來代替實際模具去完成教學任務。這樣，學生在教室就可以做各種實訓，得到和真實實訓同樣的體會，從而豐富了感性認識，加深了對知識的理解。

以往，對危險操作的學習一般都是通過錄像教學，學生很難有真實的體會，但利用VR技術就可以避免真實操作帶來的各種危險。例如，在模具維修實訓中，學生要面對各種復雜模具結構，遇到加載預緊力的彈簧結構時，如果操作不小心，就很可能帶來人身傷害。如果通過虛擬系統進行教學的話，就可以避免學生因操作失誤而造成的人身事故。同時，學生還可以通過系統反復練習增加熟練程度，在現實中避免事故的發生。

虛擬現實技術可以徹底打破空間的限制，大到宇宙天體、小至原子粒子，學生都可以貼近觀察，產生直觀體驗。例如，在機修實訓中，學生可以“進入”設備內部觀察各個部件的工作狀態及各個部件間的聯系，從而了解機械的整個工作過程。而在傳統教學中，無論是運用電視媒體還是實物媒體，都不可能實現這種效果。

虛擬現實技術還可以使抽象的概念直觀化、形象化、具體化，使學生進行探索性學習，這有利于激發學生的創造性思維，培養學生的創新能力。例如，在講解傳動結構時，教師可以讓學生在具體的機械設備中自己觀察和尋找相關部件。虛擬技術的交互性和沉浸性使學生全身心地投入學習，提高了學生的專業技能。

三、虛擬現實技術在模具教學中的具體應用

采用虛擬現實技術來模擬真實的模具，可以節省大量的實訓耗材費用、降低風險，具有很高的實用性，同時也可以提高模具實訓的教學效果和教學質量。筆者將遵循探究式體驗教學模式（如圖1）進行具體應用。而虛擬現實技術則是從以下兩方面應用到實訓教學上。

第一，利用虛擬現實技術實現機床工作過程的三維演示。在傳統教學中，學生通過在書本上察看各種機械設備的平面圖形，或到實訓場地觀察實際的設備外形來獲得各種感性認識。書本上的平面圖形限制了學生的空間想象能力，實訓教學又無法兼顧理論知識的學習，而且又增加了學校的投入，這些都不利于學生學習質量的提高。筆者通過制作注塑模虛擬裝配過程來說明虛擬現實技術在模具實訓教學中的具體應用。首先，使用三維建模軟件對模具各個部分進行建模，然后，通過虛擬現實軟件設計具有交互模式的虛擬現實系統，此系統功能應具有可拆卸、可操控、可裝配、可維護等功能。使用者在使用系統的時候，將以第一人稱視角進入場景中，整個場景為三維建模而成，學生可圍繞一個模具進行觀察。鼠標單擊某個部件時，將顯示該部件的名稱和作用。鼠標右擊該配件時，將彈出菜單選項，內容包括提取部件、更換部件等，單擊提取部件時，整機的其他部分將隱藏，單獨顯示該部件，使用者可通過鼠標旋轉放大該部件。教師還可以為使用者預設多個模具故障，并規定檢修時間，使用者將以第一人稱視角進入場景中，按照設置好的步驟對模具進行檢查，模擬實際的檢修過程。只要進入這個虛擬現實系統，學生可以隨時隨地認識這些機械設備及其內部結構，感知設備運行狀況，增強學生理解能力，提高學習效果。

第二，利用虛擬現實技術進行模擬裝配、調試和維修教學。在教學中特別是實訓教學過程中，由于受價格的限制，許多昂貴的設備無法進行拆卸裝配教學，有許多實訓是無法實現的。如果利用虛擬現實技術建立虛擬系統，學生就可以“進入”這個虛擬系統，如身臨其境般操作虛擬設備，進行各種虛擬的拆卸與組裝。這種實訓既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復操作，直至學生學會為止。虛擬實驗室的另一個優點還在于其絕對的安全性，不會因操作失誤而造成安全事故，可有效滿足學校的實訓需求和學生的學習需求。

四、虛擬現實技術在我校模具教學中存在的問題

目前，根據學校的教學設備條件還無法完全實現課堂教學全過程的虛擬現實技術，但該研究在部分教學中已經取得很好的成果，如在模具結構的教學中。目前，我校的虛擬現實技術存在的問題主要表現在以下三個方面。

第一，虛擬系統有待進一步開發。要達到與課程目標完全一致的教學任務，就要根據學生學習程度的不同，不斷完善系統內容、優化系統結構。學校可在現有系統基礎上對系統內容加以擴充，達到資源最大化的合理利用。

第二，硬件環境還有待提高。桌面虛擬現實技術與沉浸系統相比，學生的體驗完全不同，要使體驗得到進一步提高，就必須開發沉浸系統，這就需要大量的硬件設備投入來建立虛擬現實實驗室。

第三，虛擬系統的三維模型太少。模具專業學生的主要培養方向是模具維護和加工，單一的設備只會禁錮學生的思維，在今后的系統建設上還需要更多的數據模型來充實系統內容。

（責編 黃紫鵑）