虛擬現實技術在高校實踐教學中的應用探究

蔡寶 顧鴻良 孫張馳 朱文華

摘? 要 實踐教學一般具有危險性、復雜性等特點，特別是機械類、電子電路類的實踐課程。以機械類實踐課程為例，具體闡述虛擬現實技術在實踐教學中應用的可行性，分析對比各類虛擬現實設備在實踐教學中的應用優勢，簡述學校虛擬仿真實驗室現階段的主要研究成果，分析高校實踐教學進行虛擬仿真研究的建設方向。

關鍵詞 實踐教學;虛擬現實技術;虛擬仿真實驗室;機械類實踐課程;zSpace;HTC頭盔;Holospace

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）04-0049-03

Application of Virtual Reality Technology in Practical Teaching in Colleges and Universities//CAI Bao， GU Hongliang， SUN Zhang-chi， ZHU WenhuaAbstract The content of practice teaching is generally characterized by danger and complexity， in particular， practical courses in mecha-nical and electronic circuits. Taking the practical course of machi-nery as an example， the feasibility of applying virtual reality techno-logy in practical teaching is expounded， the advantages of various virtual reality devices in practical teaching are analyzed and com-pared， the main research results of school virtual simulation labora-tory are briefly described， and the construction direction of virtual simulation for practical teaching in Colleges and universities is summarized.

Key words practice teaching; virtual reality technology; virtual simu-lation laboratory; practical course of machinery; zSpace; HTC hel-met; Holospace

1 引言

隨著計算機技術的迅猛發展，虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）已成為近年來發展的熱點技術[1]，它具有存在沉浸性、交互性、想象力、多感知性四大特點。虛擬現實系統根據用戶參與形式的不同，一般分為桌面式、沉浸式、分布式、增強式[2]。

桌面式虛擬現實利用個人計算機和低級工作站進行仿真，通過外部輸入設備實現與虛擬現實世界的充分交互，外部輸入設備包括鼠標、感應筆等。桌面式虛擬現實受到周圍現實環境的干擾而降低參與者的真實感。

沉浸式虛擬現實提供完全沉浸的體驗，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。

分布式虛擬現實將多個用戶通過計算機網絡連接在一起，同時參加一個虛擬空間，即多個用戶可通過網絡對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協同工作的目的。

增強現實式虛擬現實是利用虛擬現實技術來模擬現實世界、仿真現實世界，利用它來增強參與者對真實環境的感受。

2 VR技術在教育領域的應用現狀

近年來，虛擬現實技術應用在教育領域越來越廣泛，2013年開始，教育部開始認定國家級虛擬仿真實驗室建設成果[3-4]，大批高校開始虛擬仿真實驗室建設，例如：朱文華[5]開發了虛實結合的減速器學習系統;郝翠霞[6]提出基于虛擬仿真技術的工業機器人實訓課程的教學方案;羅陸鋒[7]提出基于虛擬現實的實訓類課程考評系統設計方法;夏曉靜[8]采用虛擬現實技術開發了藥物制劑實訓在線考核系統。綜上所述，目前國內高校在虛擬仿真實驗室建設方面取得豐碩成果，大部分高校都有針對性地進行虛擬仿真研究，尤其是針對教學設備昂貴、操作具有危險性的實踐教學，采用虛擬仿真的手段進行仿真教學。

上海第二工業大學針對機械類傳統實踐課程和智能制造實踐課程融入虛擬現實技術，開發了一系列工程實踐虛擬仿真課程。

3 典型應用成果

機械類實踐課程具有操作復雜性和危險性的特點[9]，目前國內針對工程領域實踐教學的仿真研究較多。以下是上海第二工業大學虛擬仿真實驗室根據傳統的機械實踐課程教學內容開發的虛擬現實實踐課程系統。

1）zSpace桌面式虛擬現實應用。zSpace桌面式虛擬現實系統主要應用于單體機床的仿真學習，該虛擬仿真系統主要包括對機床結構、工作原理和操作方法的學習。如圖1所示，左下角是在zSpace虛擬現實設備，進行機床立體操作體驗;同時為了能夠分享演示成果，開發了裸眼立體擴展系統，可將教師機的操作畫面擴展至立體顯示器，同時進行現場教學。

目前，該套設備已運用在日常教學中，學生首先進行虛擬仿真實踐學習，之后進入實際車間進行機床實操學習。

2）HTC頭盔沉浸式虛擬現實應用。HTC頭盔是市場上較為成熟的產品，其最大的教學優勢是在多人協同方面。在實際教學中，多名學生佩戴頭盔在同一虛擬環境中協調完成同一學習任務。如圖2所示，三名學生在虛擬車間中完成自行車虛擬裝配工藝學習。

3）增強現實+觸屏式虛擬現實應用。移動設備和大屏觸摸顯示器組合使用，可實現增強現實的分享學習，既增強了互動性，又有很好的展示性能。如圖3所示，移動端掃描特征圖進行AR識別，大屏幕可將識別內容展示出來進行課堂教學，大大豐富了實踐教學內容。

4）Holospace分布式虛擬現實系統應用。五通道分布式虛擬現實系統可進行大工程生產實踐教學，落地式大屏幕VR顯示系統可1：1還原生產制造實況。系統由前幕、左幕和地幕組成，其中前幕和地幕由兩臺計算機進行控制，左幕由一臺計算機單獨控制，最終的立體畫面為五臺投影機拼接而成。

如圖4所示，Holospace分布式虛擬現實系統可用于智能制造車間生產實踐使用，由于車間生產設備較多，不局限于對單個設備進行仿真，系統仿真可基于車間大環境，讓學生更加真實地體驗生產實踐概況，大大增強學習感受。

近年來，虛擬現實技術發展呈現井噴趨勢，大量的虛擬現實設備被應用在游戲外的諸多領域。目前，虛擬現實設備的開發主要以Unity 3D軟件作為支撐[10]，開發技術難度大大降低，開發內容可根據學校具體專業需求制作。

4 虛擬仿真實驗室建設分析

從實驗室建設的特點、虛擬技術的優勢及建設經濟成本角度展開分析。

超強的通用性? 虛擬現實技術作為虛擬仿真領域一個重點方向，技術本身發展已較為成熟，可將其應用在各個行業領域，尤其是在實際操作難實現、有危險的情況下。

良好的系統層次性? 運用虛擬現實技術進行仿真教學時，制作內容可分專業、分模塊，能夠很好地區分難易程度，尤其是專業基礎課和通識基礎課教學內容能夠進行分層次教學。

良好的經濟建設性? 目前成熟的虛擬現實設備成本相差較大，HTC沉浸式虛擬現實一套僅需幾千元，增強現實+觸屏式虛擬現實建設成本需數萬元，zSpace桌面式虛擬現實建設成本則為十幾萬元，而分布式虛擬現實則高達數百萬元，實際操作中需根據學校情況和經費決定。

5 結語

隨著科技的發展，虛擬現實技術的工程應用越來越廣泛，工程實踐教育課程作為大多數高校的必修課程，運用先進的科學技術改變教學方式是大勢所趨。上海第二工業大學虛擬仿真實驗室建設概況供其他學校參考。

參考文獻

[1]王爽，陳永當，孔繁錦，等.虛擬現實技術概論[J].科技視界，2016（11）：129，153.

[2]李巍.虛擬現實技術的分類及應用[J].無線互聯科技，2018，15（8）：138-139.

[3]王森，李平.2014年國家級虛擬仿真實驗教學中心分析[J].實驗室研究與探索，2016，35（4）：82-86.

[4]祖強，魏永軍.國家級虛擬仿真實驗教學中心建設現狀探析[J].實驗技術與管理，2015，32（11）：156-158.

[5]朱文華，蔡寶，石坤舉，等.虛實結合的減速器拆裝的研究[J].實驗室研究與探索，2017，36（11）：98-102.

[6]郝翠霞，葉暉.工業機器人實訓課程的虛擬仿真教學研究[J].實驗技術與管理，2018（6）：144-146.

[7]羅陸鋒，孫爽，李國琴，等.虛擬現實技術在技能實訓教學考評中的應用研究[J].中國現代教育裝備，2016（21）：89-91.

[8]夏曉靜，胡英.基于虛擬現實技術的實訓在線考核系統設計與實現：以藥物制劑綜合技能訓練課程為例[J].中國現代教育裝備，2014（11）：119-121，128.

[9]葉萍.“危險”的教科書[J].江蘇教育，2013（16）：32.

[10]陳曉青，王少偉.基于Unity的虛擬現實技術在教育中的應用[J].軟件導刊：教育技術，2011，10（12）：76-78.