虛擬技術在模具專業實踐教學中的應用探討

趙慶娟

摘 要：經濟社會發展需要創新應用型人才，這是人才培養的動力。因此改革傳統的實踐、實訓手段，優化實踐、實訓環境，是提高應用型人才培養質量的迫切要求。虛擬現實技術作為一種輔助教學手段，它改變了單一外部刺激的教學模式，有利于知識的獲取。本文簡述了虛擬現實技術特點，討論了將虛擬現實技術應用到理論及實踐教學環節中的優勢，并對虛擬現實技術在材料加工專業理論教學和實踐教學中的應用展開探討，這為提高材料加工專業的教學工作提供了一些可參照的思路。

關鍵詞：虛擬現實技術 材料加工 實踐教學

中圖分類號：TG76-4；G712 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（b）-0-03

Abstract：Economic and social development needs innovative and applied talents， which is the driving force of talent training. Therefore， it is urgent to reform the traditional practice and training methods and optimize the practice and training environment to improve the quality of applied talents training. Therefore， it is urgent to reform the traditional practice and training methods and optimize the practice and training environment to improve the quality of applied talents training. In this paper， the characteristics of virtual reality technology is briefly described， the advantages of applying virtual reality technology to theory and practice teaching is discussed， and the application of virtual reality technology in theory and practice teaching of material processing is also explored， which provides some references thought for improving the teaching work of material processing.

Key words：Virtual Reality Technology； Material Processing； Practical Teaching

隨著國際經濟秩序的變化和我國產業結構的調整，需要一大批具有實踐性、創造性能夠直接服務于經濟社會發展的應用型人才，市場需求是人才培養的導向。但傳統教育手段的落后和教學方法的單一，不能滿足經濟社會的快速發展。在傳統的教學手段教育下，學生不能充分調動積極性，也不能將教授的知識有效地轉化為能力，同時學生不能根據情境的特殊性和復雜性綜合地運用所學的知識和能力解決實際問題，導致“應用能力差，實踐能力薄弱”等當前高等教育和人才培養中普遍存在的問題。

虛擬現實技術是以現代的計算機技術為基礎，將多媒體、多傳感、智能技術等綜合起來的技術，利用特殊的輸入/輸出設備便可以進入虛擬空間，用戶成為虛擬環境中的一員，通過自然的方式和虛擬世界中的物體進行相互影響。給學習者提供視覺、聽覺等綜合體驗，可以突破時間和空間限制，創建真實感的學習環境、優化教學過程。該技術具有較高的資源利用率、阻隔性、安全性、兼容性，解決了教學過程中以前無法解決的一些難題，由于親身體驗遠比空洞抽象的說教更具說服力，尤其在科學研究、虛擬教學、虛擬實驗等方面的應用更具有廣泛性[1-2]。

1 虛擬現實技術的特點和基本類型

虛擬現實技術具有沉浸性、交互性和多感知性等特點。其中，沉浸性是指計算機操作人員作為人機環境的主導者全身心地沉浸在計算機所生成的三維虛擬環境中，人與環境融為一體產生身臨其境的感覺。交互性是指操作人員對虛擬環境內物體的可操作程度以及從環境中得到反饋的程度。多感知性指在虛擬環境中使用者可以通過虛擬現實系統中的傳感及反應裝置獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達到身臨其境的效果。

虛擬現實系統的主要類型有4類，其中包括了桌面虛擬現實系統、沉浸式虛擬現實系統、分布式虛擬現實系統、增強式虛擬現實系統增強式虛擬現實系統。其中，桌面虛擬現實系統是一套基于普通PC平臺的小型虛擬現實系統。利用中低端圖形工作站及立體顯示器產生虛擬場景，參與者使用位置跟蹤器、數據手套、力反饋器、三維鼠標、或其他手控輸入設備實現虛擬現實技術的重要技術特征。沉浸式虛擬現實系統利用頭盔顯示器將用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，產生一種身在虛擬環境中的錯覺。分布式虛擬現實系統是一個基于網絡的可供異地多用戶同時參與的分布式虛擬環境。增強式虛擬現實系統增強式虛擬現實系統也被稱之為混合現實。它是通過電腦技術，將虛擬的信息應用到真實世界，兩種信息相互補充、疊加，并同時存在于同一個畫面或者空間中。其目的在于通過把計算機生成的虛擬對象與真實環境融為一體的方式來增強用戶對真實環境的理解。

2 虛擬現實技術在材料加工實踐教學中的應用

虛擬現實技術可以應用在虛擬科學研究、虛擬教學、虛擬實驗等方面，可實現集教學、體驗、實踐等于一體的立體化教學，改革傳統教學模式，創新教學方法，達到培養創新型、實用型人才的目的[4]。虛擬現實技術在教學過程中應用具有以下幾個明顯的優勢：第一，虛擬現實技術能夠彌補遠程教學條件的不足。第二，虛擬現實系統可以避免真實實驗或操作所帶來的危險。第三，虛擬現實技術可以徹底打破空間、時間的限制。因此，將虛擬現實技術應用在材料加工實踐教學中，可以使實踐教學具有高效性、真實性、系統性和交互性等特點，能夠模擬真實情況，實現輔助教學、冷沖模和塑料模具設計、沖壓設備的操作、模具的拆裝實驗等。虛擬現實技術在實驗教學中的應用如下[5-8]。

2.1 知識的學習

在材料加工類專業學習過程中，是以專業理論知識學習和實踐教學相結合的方法，使學生理解并應用所學的知識，最終轉化為學生內在的能力。其中實踐教學是學生獲得感性認識的一個非常重要的環節，因此學生可以利用虛擬現實系統進行學習，獲得實際生活中無法觀察到的事物的變化過程和規律，為學生提供生動、逼真的感性學習材料，幫助學生解決學習中的知識難點。例如在冷沖壓沖裁實驗中，板坯將經歷從彈性變形階段、塑性變形階段和斷裂分離階段3個變形過程，整個過程涉及到晶格畸變、位錯運動、裂紋萌生以及裂紋擴展，直至板坯斷裂沖裁結束都可以實現可視化展示。

2.2 虛擬設計

材料加工專業課程設計及畢業設計是專業理論知識強化和融會貫通的一個必要過程。在傳統的教學模式下，一般情況下設計一套模具（注塑模具及冷沖壓模具）需要經過零件集合形狀測量和結構分析、材料的選擇、模具結構的設計等眾多步驟，需要花費大量的時間，設計出來的模具往往會出現結構不合理，模具無法實現成形功能等問題。虛擬現實技術則可以對學生所提出的各種設計方案進行模擬，通過虛擬系統便可直觀地觀察到這一設計所產生的結果或效果，簡化很多工序，學生可以利用虛擬現實技術進行探索學習，有利于激發學生的創造性思維，培養學生的創新能力。

2.3 虛擬實驗室

材料加工作為工科類專業，要求學生要具有很強的動手能力，并通過實際操作強化理論知識。傳統的實驗教學上課時間比較固定，時間和空間受到限制。并且遇到實驗設備昂貴或者實驗中存危險等問題時，學生不能全面使用和操作甚至無法直接參與其中。通過虛擬現實技術可以創設虛擬教學情境，為學習者親身實踐提供了可能性。例如，虛擬力學實驗室、虛擬沖壓實驗室等，打破傳統教學中時間、空間等限制，學生只要在安裝有虛擬實驗室的設備上即可進行實驗操作，在很大程度上提高了學習的自由度。在仿真環境下，借助Unity3D、Cult3D等軟件來完成實驗操作，避免在進行一些有安全隱患的危險實驗時因操作不當造成的不可預料的后果，保障學習者的人身安全。具有交互功能的虛擬實驗室能夠表現出獨特的優勢，不用考慮時間、地點及實驗過程中各種危險對人造成的傷害，獲得與現實中的實驗一樣的體驗效果，提高對學習內容的感性認識，加深對實驗教學內容的理解，培養學習興趣。

2.4 虛擬實驗

在機械制造的這個領域中，往往要將成千上萬的零件裝配到一起組成機械產品，然而機械產品的配合設計、可裝配性的錯誤，往往在最后的裝配階段才能發現。采用虛擬現實技術虛擬裝配一臺機械產品，產品設計的精度不同、形狀不同，所模擬的產品的裝配過程也不同，用戶可以通過交互的方式，進行機械產品的模擬裝配，因此在材料加工實踐教學中我們可以利用虛擬現實技術，建立各種虛擬實驗室例。例如，學生在虛擬設計、裝配及操作“實驗室”里，學生可以自由地做各種實驗。在虛擬實驗室里，學生不但可以看到曲柄壓力機工作及分解的展示，也可以在虛擬環境拾取坯料，在沖壓模具上進行沖裁、拉深等基本實驗操作，還可以對不同類型模具（例如簡單工序模、復合模、級進模等）進行拆分、測量，并完成繪制圖紙等任務。在裝配結束以后，虛擬仿真系統能夠記錄裝配過程的所有信息，并生成評審報告、視頻錄像等供學生隨后的檢查、分析和評價使用。

2.5 技能訓練

虛擬現實的沉浸性和交互性，使學生能夠在虛擬的學習環境中扮演一個角色，全身心地投入到學習環境中去，這非常有利于學生的技能訓練。由于這些虛擬的訓練系統無危險，學生可以反復練習，直至掌握操作技能為止。例如：在虛擬的模具拆裝訓練系統中，學生可以反復對各種類型模具進行分解和組裝的操作拆裝模具設備，這使得學生對模具的結構以及分類有更清楚地認知，了解和學習各種不同那類型模具的組成及結構特點，通過拆裝訓練可以達到了解模具結構，區分不同模具結構特點，從而加深學生對該部分知識的認識和掌握。

3 結語

綜上所述，將虛擬現實技術應用在材料加工專業實踐教學中能夠全面提高專業教學效率。通過虛擬教學、虛擬實驗、配套虛擬實驗室能夠使學生獲得真實的情境體驗。虛擬實驗具有生動、直觀、安全等優點，有利于學生理解和掌握抽象概念、模具制造與裝配工藝、設備結構與使用操作，有利于激發學生獲取知識的積極性及創新思維，有利于面向學生開展創新實踐活動。虛擬現實技術為教育領域創新提供了技術支持，虛擬現實教育將作為創新教學的改革方式，因此虛擬現實技術必將為教育的改革與發展注入生機與活力。

參考文獻

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