淺談VR技術(shù)在機電類專業(yè)中的應(yīng)用

方濤++梅曉榮

摘 要：目前VR技術(shù)在諸多社會領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其在職業(yè)教育教學(xué)領(lǐng)域中，VR技術(shù)所提供的直觀性、沉浸性、互動式的教學(xué)體驗，對依附于傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)施設(shè)備上的教學(xué)模式、教學(xué)手段和教學(xué)理念帶來了巨大的沖擊。本文對如何在機電類專業(yè)中利用VR技術(shù)進行教學(xué)改革，并對如何促進VR技術(shù)與機電類專業(yè)建設(shè)相結(jié)合進行了一些探討。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；機電類專業(yè)；理論教學(xué)；實訓(xùn)教學(xué)；實踐教學(xué)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.145

目前VR技術(shù)作為一種新型的教學(xué)手段已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于職業(yè)教育教學(xué)中，針對機電類專業(yè)教學(xué)中某些理論知識、結(jié)構(gòu)原理難懂難學(xué)，而學(xué)生基礎(chǔ)薄弱、學(xué)習(xí)積極性不足的矛盾，VR技術(shù)所具有的良好交互性、直觀性、場景逼真性等優(yōu)勢，很好地解決了教與學(xué)面臨的困境；同時VR技術(shù)也能一定程度上解決機電類專業(yè)實訓(xùn)實踐內(nèi)容對場地、材料、設(shè)施設(shè)備、人員等的限制性要求，這對專業(yè)建設(shè)面臨資金不足、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備不夠完善的學(xué)校提供了解決方案。

1 VR技術(shù)概述

1.1 VR技術(shù)概念與特征

VR技術(shù)集成計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)，是計算機產(chǎn)生的一種人為虛擬的環(huán)境，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用。

VR技術(shù)具有以下主要特征：

（1）沉浸性 使用者完全融入虛擬環(huán)境，并且認為該環(huán)境是真實的，自己就是該環(huán)境的一個組成部分，使用者由觀察者的角色轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訁⑴c者，具有主導(dǎo)性。

（2）交互性 改變傳統(tǒng)人機交互利用鼠標(biāo)和鍵盤的一維、二維交互模式，利用人在客觀世界中的實際動作，借助特殊虛擬現(xiàn)實設(shè)備進行交互，產(chǎn)生和真實世界一樣的感知。

（3）想象性 虛擬現(xiàn)實不僅僅是一個軟件一個平臺，其能突破時間和空間，進入宏觀或者微觀世界，讓使用者完成在現(xiàn)實中由于各種條件制約而難以完成的事情。

1.2 VR技術(shù)分類

根據(jù)用戶參與虛擬現(xiàn)實的不同形式以及沉浸的程度不同，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可分為三類。

（1）桌面式 利用個人計算機或圖形工作站等設(shè)備，產(chǎn)生虛擬場景，通過位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、力反饋器、三維鼠標(biāo)或其它手控輸入設(shè)備，將計算機的屏幕作為觀察虛擬世界的一個窗口，在一些專業(yè)軟件的幫助下，參與者可以在仿真過程中設(shè)計各種環(huán)境。

（2）沉浸式 通常采用頭盔式顯示器、洞穴式立體顯示等設(shè)備，利用空間位置跟蹤定位設(shè)備、數(shù)據(jù)手套、其他手控輸入設(shè)備、聲音設(shè)備讓使用者沉入其中。

（3）共享式 是一種基于網(wǎng)絡(luò)連接的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它將多個用戶通過計算機網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時參加一個虛擬空間，達到協(xié)同工作的目的。

2 VR技術(shù)在機電類專業(yè)中的應(yīng)用

2.1 理論教學(xué)中的應(yīng)用---VR課堂

理論課堂教學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要途徑，VR技術(shù)應(yīng)用于機電類課堂教學(xué)主要是依據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容而采取不同的實現(xiàn)形式。

（1）VRPPT應(yīng)用 機電類專業(yè)課程中，如機械原理、液壓與氣動原理等涉及原理、概念等的內(nèi)容，如果依據(jù)傳統(tǒng)的課件、視頻學(xué)生難以理解，借助VRPPT使老師從傳統(tǒng)的二維PPT教學(xué)轉(zhuǎn)化成3D 教學(xué)，依托桌面虛擬顯示平臺與3D 投影相結(jié)合，讓平面物體可視化，這樣學(xué)生和老師就能真實感受機械系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理及實踐應(yīng)用，能促進學(xué)生對理論知識的理解和掌握。

（2）VR視頻應(yīng)用 機電類課程涉及到實物展示、加工維修、拆裝等內(nèi)容通常利用圖片、視頻或者真實物體來進行教學(xué)，例如機械制圖課程中組合體讀圖、零件結(jié)構(gòu)認知、裝配結(jié)構(gòu)認知等，由于學(xué)生位置角度和參與度或者實物不方便拆卸等因素的限制使教學(xué)效果大打折扣。通過VR技術(shù)，構(gòu)建一個與實物同樣的三維物體，如可采用3dsMAX建模，在VRML播放器中使用，或者利QUICKTIME VR等進行形象、生動、直觀的教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣會有極大提升。

一般而言，傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)中利用VR技術(shù)進行輔助教學(xué)，要課程資源兼容普通電腦和VR 設(shè)備，教師可通過普通電腦進行編輯，然后導(dǎo)出編輯內(nèi)容到VR 設(shè)備，即可實現(xiàn)VR 課堂從編輯到授課。

2.2 實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用----VR實訓(xùn)室

VR技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用是該技術(shù)和職業(yè)教育相結(jié)合的最主要表現(xiàn)形式。VR實訓(xùn)室依托虛擬現(xiàn)實設(shè)施設(shè)備以及配套的機電類專業(yè)課程實訓(xùn)VR 軟件，可以完成傳統(tǒng)實訓(xùn)難以達成的一些項目并取得良好效果。

（1）彌補資金不足，實訓(xùn)設(shè)備陳舊落后。機電類專業(yè)的特殊性，導(dǎo)致實訓(xùn)設(shè)施設(shè)備價格高昂，占地面積巨大，學(xué)校資金不足，不能及時更新?lián)Q代導(dǎo)致學(xué)非所用，學(xué)校甚至租用、借用設(shè)施設(shè)備進行實訓(xùn)教學(xué)，嚴重影響了教學(xué)效果。利用VR技術(shù)創(chuàng)造生產(chǎn)現(xiàn)場模擬的實踐環(huán)境，實訓(xùn)教學(xué)不再受場地、設(shè)備限制，滿足教學(xué)的實際需求。

（2）突破時空限制，實訓(xùn)更形象直觀。機電類實訓(xùn)過程中，采用VR技術(shù)可以打破時間和空間的限制，模擬還原某個情境或者場景。例如，電工課程中的，觸電急救課程，在現(xiàn)實條件下無法完成，學(xué)生通過操作VR 設(shè)備，可以進行現(xiàn)場虛擬實訓(xùn)，作為真正實訓(xùn)前的“預(yù)實訓(xùn)”。

（3）學(xué)生自主選擇，實訓(xùn)可重復(fù)。利用VR技術(shù)，學(xué)生自助選擇實訓(xùn)模塊及次數(shù)，增強實訓(xùn)效果，不產(chǎn)生耗材成本問題。例如大型機械的拆裝，利用VR技術(shù)不僅實現(xiàn)產(chǎn)品模型以裝配圖和爆炸圖的形式出現(xiàn)， 同時又能滿足機械維修訓(xùn)練， 實現(xiàn)產(chǎn)品的反復(fù)拆裝模擬。

（4）避免風(fēng)險，實訓(xùn)更安全 。VR技術(shù)可以避免實訓(xùn)環(huán)節(jié)中的危險風(fēng)險，提升實訓(xùn)效率，同時節(jié)約實訓(xùn)成本。例如，電工電子實訓(xùn)中，電流熱效應(yīng)帶來的爆燃，學(xué)生誤操作導(dǎo)致設(shè)備損壞、觸電風(fēng)險等。在焊工實訓(xùn)中，不需要真實焊機的情況下，VR設(shè)施設(shè)備將焊接演練過程中焊槍的位置、速度和角度等進行采集處理，并實時生成虛擬焊縫。

2.3 實踐教學(xué)中的應(yīng)用----實訓(xùn)基地

VR實訓(xùn)基地的打造，可以解決機電類專業(yè)面臨的校內(nèi)外實訓(xùn)基地數(shù)量不足、質(zhì)量不高，校企合作很難實質(zhì)性融入，學(xué)校投入難、學(xué)生實踐管理難等問題。機電類VR實訓(xùn)基地是一個集多個專業(yè)的教學(xué)實訓(xùn)、VR 資源開發(fā)、VR 人才培訓(xùn)、參觀體驗展示四大功能于一體的基地。

基地大致布局為：圍繞綜合功能分區(qū)、硬件建設(shè)及VR 教學(xué)實訓(xùn)軟件與配套教學(xué)資源的安裝與部署等建設(shè)需求，含六大區(qū)域，即專題展示區(qū)、全景教學(xué)區(qū)、桌面實訓(xùn)區(qū)、沉浸體驗區(qū)、體感交互區(qū)及虛擬仿真區(qū)。

基地基礎(chǔ)功能是：

（1）多專業(yè)綜合實踐平臺 基地根據(jù)不同課程配備相適應(yīng)的桌面式、頭盔式、體感式等各類虛擬交互設(shè)備，以各專業(yè)人才培養(yǎng)方案為依據(jù)定制開發(fā)VR 軟件、資源等內(nèi)容，可全面滿足機電類專業(yè)的實踐需求。

（2）VR 人才培訓(xùn)平臺 結(jié)合機電類專業(yè)教師資源、課程資源，可承接周邊院校學(xué)生及社會人士的VR 技術(shù)技能培訓(xùn)，不斷滿足社會對VR 領(lǐng)域人才的需求。

（3）VR 資源開發(fā)平臺 基地和校企合作單位、VR技術(shù)開發(fā)企業(yè)等合作開發(fā)VR 教學(xué)資源，老師參與共同研發(fā)VR 軟件和配套資源及承接相關(guān)VR 資源開發(fā)需求；學(xué)生可獲得實習(xí)實踐崗位。

（4）VR展示體驗平臺 基地對本地中小學(xué)生、企事業(yè)單位開放，學(xué)校對VR 技術(shù)應(yīng)用、實踐的成果展示，作為學(xué)校創(chuàng)新職業(yè)教育發(fā)展品牌的傳播窗口。

3 VR技術(shù)對機電類專業(yè)建設(shè)的要求

（1）教育教學(xué)理念轉(zhuǎn)變 教師要對VR新技術(shù)的應(yīng)用有積極的態(tài)度，要不斷更新和完善人才培養(yǎng)方案，能把新技術(shù)融入到人才培養(yǎng)的知識目標(biāo)、技能目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)中。特別是要善于將機電類專業(yè)知識、資源等通過VR技術(shù)進行轉(zhuǎn)化，不斷發(fā)現(xiàn)和研究實踐中遇到的問題，把教師在傳統(tǒng)設(shè)施設(shè)備上依附的演示者角色向VR技術(shù)中要求的指導(dǎo)者角色轉(zhuǎn)換，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識、創(chuàng)新意識。

（2）教育教學(xué)內(nèi)容重構(gòu) 根據(jù)VR技術(shù)的特點重新架構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，一般而言，機電類專業(yè)涉及到的理論、原理等復(fù)雜深奧的知識或者機械加工技能訓(xùn)練、機械裝置拆裝技能訓(xùn)練等課程可以采用桌面式設(shè)施設(shè)備進行教學(xué)，對于因時間、空間限制無法講清的內(nèi)容，可采用沉浸式設(shè)施設(shè)備進行講授等，通過教師參與設(shè)計教學(xué)資源，選擇恰當(dāng)?shù)奶摂M現(xiàn)實設(shè)施設(shè)備，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案。

（3）教育教學(xué)管理創(chuàng)新 VR技術(shù)應(yīng)用使得傳統(tǒng) “師生互動、生生互動”課堂結(jié)構(gòu)增加了兩個變量“教師與設(shè)備互動、學(xué)生與設(shè)備互動”，這對教師的教學(xué)管理提出了更高的要求，如何使學(xué)生適應(yīng)并善于利用VR技術(shù)進行有別于傳統(tǒng)教學(xué)模式的學(xué)習(xí)實踐亟待探索。

總之，VR技術(shù)應(yīng)用于職業(yè)教育當(dāng)中是信息技術(shù)和職業(yè)教育相融合的未來趨勢，其直觀、互動、沉浸和可重復(fù)性等特性易于教師教學(xué)、易于學(xué)生學(xué)習(xí)，是機電類專業(yè)教學(xué)改革、創(chuàng)新發(fā)展的必由之路。

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