基于虛擬仿真平臺的機械工程實踐教學探討

石昌帥 祝效華 董亮亮 蔣發光

摘要：本文對傳統機械工程教學中的不足進行了分析，并提出虛擬仿真平臺實踐教學方案，具有360°旋轉縮放，立體直觀，耳眼手腦并用，深刻記憶等特點。采用虛擬仿真平臺實踐教學預實訓更熟練，降低損耗，突破屏幕限制，安全可逆。本文旨在改善虛課堂知識傳遞效率問題，課堂當場實練，直觀教學，多角度展示，激發學生創造力。虛擬現實實訓能夠直觀生動的講解抽象理論，實現更真實的仿真實訓。

關鍵詞：機械工程;虛擬現實;課堂知識傳遞效率;仿真實訓

1 引言

鉆完井井下作業與工具是機械工程專業井下作業與工具方向的一門主干專業課，系統地講述多種常用井下工具的用途、結構、工作原理及存在問題，培養學生實際操作技能，最終培養一批高素質人才。結合虛擬仿真技術這一科技熱點，將虛擬仿真技術在高職教育教學中推廣應用，有助于教師信息化教學能力提升。

目前學生對石油裝備的了解較少，且幾乎只能通過教科書學習，很少有機會接觸到實物，對于新型鉆井設備更少有機會看到。機械工程對結構的要求高，學生僅僅通過圖片與視頻學習，而在理論課程之前安排的現場課程實習，也不能清楚看到工具內部具體結構和裝配形式，因此學生對課程的理解較難。為了改善目前教學中的不足，提升課程質量，提高課程知識吸收率，培養學生實際操作能力，本文提出了基于虛擬仿真平臺的機械工程專業的實踐教學方案。

虛擬仿真平臺即通過虛擬現實VR場景的展示，以產品全生命周期的相關數據為基礎，在計算機虛擬環境中，由數字化模型、方法和工具，構成綜合網絡，包含仿真和3D虛擬現實的可視化，形象、生動、清晰地展現工具的工作原理、內部結構和裝配關系等，加深學生對知識的理解。

2 傳統教學的不足與分析

機械設備結構復雜，零部件很多，工作原理難以理解，并且通過圖片只能看見機械裝備的外觀，不能看見內部結構和裝配。為提高學生對知識的吸收率，非常有必要采用虛擬仿真教學平臺。該課程目前存在以下幾類問題：

2.1 傳統教學的不足

教學內容抽象、不易理解：機械設備結構復雜，傳統教學不能形象生動的表達裝備的內部結構，傳統教學主要通過書本、圖片教學，學生不易理解，對課程內容的吸收率較低。

教學形式枯燥、缺乏興趣：鉆完井井下作業與工具課程主要是通過PPT、視頻等方式教學，學生很少有機會見到真實的裝備，因此學生很難理解課程，常常感覺課程枯燥，缺乏興趣。

實訓設備昂貴、損耗嚴重：實訓設備昂貴，若大量購買成本太高，并且實訓練設備的損耗嚴重，在學習理論課程過程中學生常常對知識理解不清。

2.2 課堂演示教學趨勢

隨著時代的進步，人們一直在追求更高效能解決課堂知識傳遞效率低的解決方案，從板書發展到PPT/Flash動畫，再到3D虛擬仿真，以及現在全新的教學演示VR方案。學生佩戴3D眼鏡，主要能通過三維表現讓教學內容更加立體形象，省去了學生自行想象去構建輪廓，是新一代教學教具。

3 建設虛擬仿真平臺

依托核心光學定位相機，智慧VR虛擬仿真中心解決方案，涵蓋以大屏交互為核心大屏交互智慧教學，全景教學智慧課堂，大空間VR多人互動實訓室，提供從知識認知-教學-教學演練-探究實訓全鏈條教學實訓方案，讓教學更有效率，學習更有樂趣。

3.1 建設理念

以人為本：堅持整體規劃以學生的需求為導向，重點解決實驗項目條件不具備或實際運行困難等問題，點燃學生的求知欲。

創新實訓：采用現代信息技術融入實驗教學項目中，拓展實驗教學內容廣度和速度，延申實驗教學時間和空間，倡導探究式學習實訓。

技術融合：應用多媒體、虛擬現實、大屏交互、人機交互等數字化、智能化技術手段，提高實驗教學的吸引力和教學效果。

3.2 虛擬仿真優勢

360°旋轉縮放，立體直觀。耳眼手腦并用，深刻記憶。預實訓更熟練，降低損耗。突破屏幕限制，安全可逆。

3.3 虛擬仿真平臺建設

硬件系統的構成主要有投影儀及幕布、紅外線信號同步器、圖形工作站、動捕服務器、數據交互機、VR頭盔、同步播放LED屏、虛幻引擎、背包電腦等。軟件系統主要有VR實訓軟件、VR鉆完井井下工具模型。

輔助設計，對于復雜的大型三維素材進行超大畫面顯示，能即時預覽、修改內容信息，可以支持多人不同平臺（電腦、VR頭盔、AR眼鏡）同步協作，也可以跨地域進行協作。

4 平臺功能與意義

虛擬仿真教學平臺解決了課堂知識傳遞效率低的問題，能夠實現課堂當場實練、多角度展示、激發學生創造力。

在傳統實訓中，受場地、資金、安全性的限制，很難做到高效實訓，通過VR交互大屏讓學生通過便捷的操作，在虛擬環境中進行，提高學習效率，且不受時間與空間的限制。將虛擬環境取代現實環境、虛擬物件取代實體物件、虛擬操作取代實體操作，讓他們獲得一種身臨其境的三維立體視聽影像和交互感受。

5 結語

虛擬仿真平臺有效解決了傳統實驗室面臨的訓練機會少、設備損耗嚴重、形式枯燥、實訓操作危險等難題，實現創新的“VR教學”+“互動探索”+“仿真實訓”的一體化教學模式，輔助理論教學，直觀生動的講解抽象理論。

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（作者單位：西南石油大學 機電工程學院）