虛擬現實技術在產品實驗教學中的應用研究

黃楚峰?章文

摘 要：目前，在高校產品設計實驗教學中，通過將實際產品工藝與設計實踐相結合的方式，加強學生對設計實踐的理解。實驗室因受到空間條件與技術條件的限制，從而影響到實驗教學效果，而虛擬現實作為目前較為熱門的新技術，在計算機軟件與智能硬件的結合下，可以實現一些在實際情況中較難模擬的場景，用戶通過虛擬現實技術手段可以進行多種體驗，這對開展產品實驗教學工作有著積極的作用。

關鍵詞：虛擬現實;產品實驗教學;產品設計

傳統的產品設計實驗教學因手段落后、授課方式單一，不能很好地激發學生的主觀能動性，基本是以師徒制的方式教授車、銑、刨、磨等基本技能。而在實驗教學環節中引入虛擬現實技術，將擁有更豐富多樣的教學方式，能夠讓學生在虛擬的環境中體驗到產品設計的整個過程，比如產品的裝配、加工、工藝等，以及發現問題時應該如何避免、如何解決。同時，可以快速地切換教學場景，這種新的教學體驗不僅能激發學習的積極性，還能提高學習效率。本文對虛擬現實技術在產品實驗教學中的應用進行了探討，為產品設計實驗教學提供新思路。

1 虛擬現實技術特征

虛擬現實技術利用計算機技術搭建虛擬環境，用來模擬現實，通過多傳感器裝置讓用戶能夠與虛擬環境形成自然交互，而虛擬環境則是通過計算機制作的帶有貼圖的高精度模型，同時結合用來和虛擬環境交互的硬件設備。用戶通過操控設備來實現與虛擬環境的交互，增強用戶的虛擬體驗，達到身臨其境的效果。

要實現身臨其境的效果則需要滿足幾個特征。

第一，要滿足的就是沉浸感，用戶通過佩戴VR眼鏡置身于虛擬環境中，環境真實感的強弱取決于VR環境的場景設計，場景中增添一些合理的動效能夠增強用戶的沉浸感，比如一些暗示的動效、操作指引等，或者一些可以進行交互的動態環境，比如通過粒子特效制作煙霧等，用戶可以通過觸感技術浮動煙霧等，通過特效增強用戶的喜悅感。

第二，交互性操作是VR設備能夠被廣泛應用的關鍵，用戶通過計算機外設與環境相連，能夠對虛擬環境中的呈現物進行互動操作，為了實現對環境的真實模擬，VR虛擬現實需要結合多種傳感器來觸發虛擬環境的設計，比如聽覺，觸覺，甚至嗅覺等，增強用戶的真實體驗。

第三，要滿足自主性，虛擬世界的物體可以根據用戶的需求進行變動，學生以客觀世界的實際操作來模擬在虛擬環境中的動態，在虛擬現實中激發人的創造性，使沉浸在環境中的學生提高感性與理性的認識。

2 傳統實驗教學與虛擬現實技術應用教學的比較

2.1 傳統實驗教學的現狀

傳統產品實驗教學能從多方面提高學生對產品設計的認識，在設計實踐方面，能夠讓學生直接體驗到產品設計的一些制作環節，讓學生在認識材料工藝制作加工方面更加直觀，分組實驗能很好地增強團隊精神，尤其是進行試驗性測試與實際制作更能激發學生的探究精神，發揮他們的創意;在實踐教學方面，實驗室手工師傅能夠輔導學生如何使用各類工具，有操作不當的地方手工師傅能夠及時地指出并糾正，打下扎實的基礎。

傳統產品實驗教學也有一些弊端，由于產品設計是一門實踐性較強的學科，且產業發展速度快，通過文檔視頻學習到的知識比較淺，還需實踐才能更好理解。但學校很難滿足因產業不斷升級需購置相關教學設備的要求，同時增加設備需定期保養維護，成本較高。由于學校場地有限，一些實驗需要較大場地，比如一些大型模具制作設備演示、機器噴涂等工藝，不能直接讓學生進行操作學習，只能通過參觀工廠實地觀摩等方式進行學習。對于機器的操作需要有豐富的經驗，學生初次實踐難免會出現一些錯誤操作，有可能對學生造成危險，對設備也會有損傷。實習工位與指導老師的配比低，由于學校設備數量有限，實訓工位與實訓師傅數量不足一直是普遍存在的問題，大部分都是分組先后操作進行學習，間斷性學習導致對知識的掌握不牢。

2.2 虛擬現實在產品實驗教學中的優勢

虛擬現實的技術特性能在很大程度上彌補傳統實驗教學的不足，產品實驗室所需的一些教學大型展示設備，可以通過計算機創建一個虛擬的環境，在其中對實驗的技術進行反復操練。在高校產品實驗教學中引入虛擬現實技術具有以下優點：

安全性高。產品設計實驗教學是一門需要動手實踐的課程，部分操作具有一定的危險性，比如金工實習的車、銑、磨、刨以及數控這些，如果操作不當易引發危險，虛擬仿真可以讓學生在實操前進行虛擬練習，同時在系統中設置考核機制，考核通過才可實操，這樣實驗的安全規范從理論到實踐多了一個緩沖環節，可以大大減少實驗的誤操作。

豐富教學手段。在傳統的產品實驗教學中，基礎知識的學習較枯燥，導致學生積極性不高，而理論的不扎實對后續大型機臺的實操造成安全隱患。雖然部分設備在實驗教學中很少對學生開放，但虛擬仿真讓實驗教學的交互性更加豐富，比如實驗教師可以通過虛擬設備教授學生如何操作機器，學生可以放心上機，可以通過虛擬仿真技術深入了解機器的運作原理，可放大實際產品內部，進入產品內部空間觀測產品結構，虛擬現實可以通過觸感感應裝置模擬五感，這種真實感也讓學生對實驗印象深刻。

實驗管理更高效。部分產品設計實驗室的設備數量多、更新慢，利用虛擬現實環境可以通過及時更新數據來展示學習的設備，比如各類產品模型樣機展示、新材料的加工與制造等。通過虛擬仿真減少實驗設備管理與維護工作，有效地安排實驗任務，讓實驗管理更便捷。

3 影響虛擬現實在產品實驗教學中的因素

3.1 虛擬現實設備目前價格昂貴

高校要想構建一個高品質的虛擬現實系統，就需要購買一批高分辨率的頭戴式顯示器、空間定位器、數據手套等設備。同時，還需要高性能的計算機以及相應的軟件。目前，在高校普及還有一定的難度，且智能硬件更新速度快，高校的實驗建設更新速度也很難和市場同步，這也會導致軟件內容無法及時得到更新。

3.2 實驗內容不完善

虛擬仿真主要是內容的呈現，VR虛擬仿真目前還沒有針對高校產品實驗室來專門構建一套完整的課程數據體系，因此，想要將實驗內容在VR虛擬現實中進行展現教學目前還比較困難，其中VR虛擬現實的場景與模型制作，需要根據產品實驗教學所涉及的內容構建相應的三維數據，這是一個較為龐大的工程，需要專門針對高校產品設計專業實驗課程開始進行VR環境開發，同時需要大量的數據模型來滿足教學需求，對于VR模型制作可以根據高校各自的需求開設相關的VR制作課程，自行開發所需的模型。

3.3 虛擬現實設備維護與管理

實驗室構建虛擬現實仿真系統，需要較多的硬件支持，這也要求實驗教師系統掌握虛擬仿真使用與維護的知識，由于不同人的體質適應能力不同，虛擬現實的沉浸式體驗會有讓人產生眩暈等情況，針對這類情況要有完整的安全措施。在實驗記錄與實驗考核方面也需要根據VR虛擬現實的特性進行相應的調整，以往我們的實驗記錄均是紙質版填寫，而VR虛擬仿真部分內容是在虛擬環境中完成的，因此，可以設置一套電腦管理系統，進行實驗的記錄管理與考核。

4 虛擬現實技術在產品實驗教學中的應用

利用虛擬現實技術進行產品實驗教學，可以加強學生的理論學習，對新事物理解更加透徹，鍛煉學生的操作能力，了解產品的結構、原理、性能、工藝、材料等多個方面。在實驗課中使用比較多的是模型制作、五金實訓實習、產品結構原理、材料與制造這一類的實驗課程環節。

4.1 模型制作實驗

模型制作主要是讓學生了解產品的形態，以及產品樣機的制作手段有哪些，熟悉各類手板制作工序，了解不同材料特性，根據不同的產品需求來制作產品模型，比如cnc機床加工制作、木材彎曲制作、玻璃鋼翻模等。虛擬仿真可以讓學生在學習如何制作之前，在虛擬環境中操作使用不同的材料進行不同的模型制作加工，熟悉模型從制作到成型的過程，由于實驗課程的時間受限，不能將所有的模型制作方式都實驗制作一遍，因此，虛擬仿真是一個不錯的選擇，既可以讓學生加強理論學習，又可以彌補課程中實踐的不足。

4.2 五金實訓虛擬實驗

五金實訓課程是產品設計實驗課中的重要環節，需要學習車工、銑工、線切割、數控等各類實踐環節的內容，是一門綜合性強的理論應用型課程，虛擬仿真可以加強學生對于理論的應用能力，虛擬仿真不僅可以交互性地進行操作，而且可以從多個角度展示機器的工作原理，了解設備如何運行，交互特性讓學生能更有興趣參與實踐，為學生進行實地實操打下堅實的基礎。

4.3 產品結構原理實驗

產品結構原理是讓學生對各類產品的結構進行了解，熟悉各類新工藝新材料，包括一些設計工程知識。虛擬仿真技術則可讓學生對產品結構的了解更透徹，比如可以提供扳手、鉗子等各類拆裝工具，下載大量的仿真模型進行拆裝。實驗教師可以在虛擬環境中對學生進行講解，尤其是體量較大的產品，比如汽車總成拆裝與零部件拆裝，虛擬仿真可以更高效安全地進行實驗教學。在工藝與制造方面，虛擬仿真可以以更加生動的方式展現制造工藝的特點，比如注塑機如何工作，模具如何運動等。

4.4 校企合作實踐教學

校企合作實踐教學是為企業提供人才的最佳方案，以往的校企合作很多不能很好地進行人才產出，在校企合作項目上很難產生商業價值，一個很重要的原因是企業與學校的對接不流暢，企業給出的項目課題有一定的技術難度，這個時候需要企業項目負責人與教師經常指導學校工作室學生，同時也需要一個即時性溝通的工具，而虛擬現實技術可以在一定程度上讓設計溝通更加便利，在協同虛擬環境下進行合作研究、遠程實驗等，比如在虛擬空間中展示設計方案，互相探討，提出意見，及時修改，確保項目的時效性，以及能讓項目產生商業價值，校企合作也能更加緊密。

5 結語

虛擬現實技術雖然在應用方面有很好的前景，并且在不少領域也得到了很好的認可，但是產品設計實驗教學這一塊還是空白區域，期望能結合不同專業領域為產品設計實驗教學提供一套完整的VR虛擬仿真方案，利用多媒體、虛擬現實構建仿真實驗室，以更生動、更安全的方式激發學生積極性，培養創造性思維。

參考文獻：

[1] 胡小強.虛擬現實技術[M].北京郵電大學出版社，2005.

[2] 王佳.基于虛擬現實技術VR-Platform平臺的產品展示研究[D].太原理工大學，2013.

[3] 陸榮鈞.金工實習教學改革的研究與實踐[J].職業教育研究，2006.