基于VR技術的特種加工實驗教學改革探索

◇中國石油大學（華東）石油工業訓練中心 苗俊田 鹿德臺 劉冬冬 趙博 韓俊騰

當前特種加工技術的應用領域不斷拓展，特種加工專業人才缺口較大，高等學校作為特種加工復合型人才的培養機構面臨很大壓力。針對傳統特種加工實驗教學中存在的問題，構建一種基于VR技術的特種加工實驗教學系統研究。融合VR技術在圖形仿真、三維展示、后期維護及系統兼容性等方面的優勢，建立一種理論加實踐、線上加線下的新型特種加工實驗教學模式，系統平臺軟硬件基于Unity3D設計完成，并采用模塊化的組合連接方式；在圖形的3D模擬方面，基于UG技術的網格化管理方式實施特種仿真加工過程的3D建模，提升實驗教學過程的逼真度。VR技術在特種加工實驗教學中改革探索和應用創新，會提高特種加工理論教學與實踐教學結合的緊密度，獲得更好的實驗教學效果。

1 引言

伴隨著制造業的不斷向前發展及社會需求的日益增加，對加工難度、加工效率及加工精度，都提出了更全面的要求，這客觀上推進了制造業生產加工方式的多元化[1]。特種加工突破了原有機械加工的單一方式，而廣泛利用電、光、熱、化學等能源，多樣化地加工和處理原材料[2-4]，以達到不同的制造目的，滿足不同的加工需求。特種加工是數字信息產業高速發展及制造業高級化的必然產物，計算機科學技術、自動化控制技術及傳感網絡技術的成熟，為特種加工奠定的堅實的基礎[5-6]，同時特種加工也促進了制造業的變革，助力現代制造業向更高的層次發展。當前特種加工的應用范圍在不斷擴大，該領域的專業人才缺口也較大。高等學校工業訓練中心是培養特種加工人才主要機構之一，特種加工課程教學的主要目的是，使學生能夠掌握特種加工方式的基本原理與適用范圍，并熟練應用特種加工技能。但特種加工是一門以實驗教學為主的課程，知識跨度大、交融性強、涉及到的領域較多，需要學生具備一定思維拓展的能力和知識綜合運用的能力。

在特種實驗教學過程中，應將理論教學與實驗教學相結合，注重學生們的對于特種加工原理的理解，并建立一種更為直觀具體、交互性更強的教學模式，以提高學生群體的實踐應用能力。而當前高等學校特種加工實驗教學，在教學模式選擇、教育資源分配及教學效果評估等方面都存在一定問題，導致教學效果無法達到預期的目的，因此改善特種加工實驗教學效果，深化教學模式改革迫在眉睫。VR（虛擬現實）技術是上世紀末逐漸興起的一項實用技術[7]，VR集計算機網絡技術、虛擬仿真技術和電子信息技術于一身，通過三維立體仿真與顯示，而給使用者帶來真實的沉浸感[8]。構建基于VR技術的特種加工實驗教學系統，并將VR技術應用于特種加工實驗教學當中，既能夠解決當前高等學校特種實驗教學中教學資金、實驗設備與實驗器材短缺的現實問題，也能夠更直觀地展示出特種加工技術的基本原理和使用技巧，提升實驗教學的效果。

2 特種加工實驗教學中存在的問題剖析

2.1 課程抽象不易理解

特種加工多采用電子束、激光、離子束、化學能等方式加工材料，涉及到的學科與領域多且互有交叉，特種加工原理遠復雜于傳統機械加工，在加工中會受到多種不同因素的影響和制約，加工風險也顯著高于傳統方式。特種加工理論教學的課程內容過于抽象、不易理解，很難激發出學生的學習興趣。因此特種加工課程教學應以實驗教學為主，用具體可視化的實踐操作來鞏固相關理論知識。而從現有高等學校特種加工課程所使用的教材來分析，大多數是從理論的角度入手分析和研究，教材中涉及到實驗教學的內容過少。在學習過程中學生會接觸到各種復雜的加工原理和抽象的概念，基于二維平面的特種加工教材，難以給學生帶來特種加工直接和感性的認知，也就無法幫助學生扎實地掌握特種加工理論知識。

2.2 教學模式落后教育資源匱乏

從高等學校現有的特種加工實驗教學模式來看，多采用課上理論教學加實驗教學的模式，講授內容僅涉及到個別特種加工實例的羅列和講解，從總體上說實驗教學方式不系統、不完善、專業化的程度較低，也不具備讓每一個使用者親自操作的條件，這種實驗教學方式是一種單線的教學模式，如圖1所示。

圖1 傳統特種加工實驗教學模式

在當前高等學校的特種加工實驗教學中，大都沒有詳盡地制定操作規程、細化加工步驟、編制安全作業流程及制作緊急預案措施，因此理論教學與實驗教學脫節，且實驗教學并沒有達到鞏固理論教學的目的，也沒有達到為特種加工培養優秀人才的初衷。特種加工實驗教學的復雜性和難度遠非傳統加工實驗教學可比，簡單的單線教學方式，必定不能獲得良好的實驗教學效果。從教學資源的角度來考慮，特種加工實驗室的建設需要高等學校投入大量的資金、人力和物力，而資金緊張是大多數高等學校面臨的現實問題之一。在實驗室建設和實驗設備的選購方面，只能有選擇地購置一部實驗設備用于特種加工實驗教學，遠遠不能滿足大規模教學的需要，更無法顧及到每一個實驗的參與者。此外，現階段特種加工技術更新迭代的速度較快，高等學校財力有限且大批量地購買、更新和淘汰實驗用教學設備也不現實，特種加工教學資源匱乏已成為制約實驗教學的主要問題之一。

2.3 教學效果不易評估

高等學校特種加工實驗課程設置的目的，是要培養具有較強理論素養和實踐技能的綜合型領域人才，特種加工課程本身的特點及教學模式落后、教育資源短缺等現實問題，導致了無法對高等學校特種加工實驗教學的效果做出科學、準確的評估。傳統以書本知識為主體的理論考核模式，不能準確地反應出真實的教學效果，也無法檢驗學生群體對于實踐技能的掌握程度。綜上分析，課程本身的難度、教學模式不適宜、及缺乏有效的教學評估措施等三個原因，導致了當前高等學校特種加工實驗教學陷入困境。

3 VR技術的特點與優勢

VR技術的產生和成熟標志著人類對計算機視覺領域的研究進入了一個更為高級的發展階段。VR技術可以從三維立體化的視角分析和理解事物，與二維平面模式相比更為真實、直觀和易于理解，VR可視化技術還可以給使用者帶來一種身臨其境、沉浸其中、游走于虛擬現實之間的感受。目前3D電影、3D打印等技術已經被廣泛地應用于人們的工作、學習和生活當中，給使用者帶來更為真實的三維體驗。現階段，國內外已有基于VR技術的實驗教學案例，將VR虛擬現實技術應用于高等學校特種加工的實驗教學之中，具有可視化、便捷化、低投入、低運行成本等多方面的優勢。

利用VR技術對高等學校特種加工傳統實驗教學方式進行改革，目的就是要利用虛擬現實系統仿真，而獲得與傳統實驗室相同甚至更好的教學效果，以更好地協助使用者掌握特種加工的理論知識與實踐技能。VR技術在特種加工實驗教學中的應用優勢主要表現在以下幾個方面：①VR技術具有十分強大的系統仿真功能，在計算機仿真環境下VR可以模擬電子束、激光束、離子束、化學能、熱能等多種特種加工方式，并能夠實現在線的參數調整與結果輸出，模擬場景能夠獲得真實條件下的特種加工效果，向實驗的參與者更真實地展示出特種加工的原理，以達到理論與實踐的結合。在真實的實驗室環境下是不可能在特定時間段同時操作多種特種加工作業，可見VR技術和VR仿真系統具有更強的業務拓展功能。②VR技術在知識的更新效率方面具有更大的優勢，基于VR技術的實驗教學系統是一個開放式的網絡平臺，通過互聯網、局域網與云端的數據庫、知識庫相連，并可以定期更新實驗教學系統的軟硬件和各級程序，保證特種加工實驗教學虛擬仿真系統平臺始終能夠應用到最新的虛擬特種加工技術，把最前沿的工藝和技術通過仿真平臺展現給使用者。由此可見，VR實驗教學系統具有實物實驗無法具有的知識與技術更迭效率。③虛擬仿真實驗教學系統也可以通過網絡實現遠程教學和在線指導，打破了傳統實驗室教學在空間理念上的束縛和限制，學生可以在其他非實驗教學課時間，通過網絡自主學習和交流，并可以通過網絡獲得教師的在線教學和指導。④基于VR技術的虛擬實驗教學系統和仿真平臺，在先期構建投入和后期運營維護成本方面更具優勢。由于特種加工實驗教學大部分是在虛擬仿真的環境下完成的，后期的維護主要是軟件系統的更新與升級，成本相對于傳統實驗室硬件投入要低得多。

4 基于VR技術的實驗教學改革

針對傳統特種加工實驗教學中教學模式落后、拓展性差、教學效果無法得到有效評估等弊端，本文基于VR技術對傳統特種加工實驗教學進行多方面的改革與探索，重點應用VR技術構建一種新型虛擬實驗教學系統和仿真實驗平臺，并逐步形成一種理論+實踐、線下+線上相融合的新型雙線特種加工實驗教學模式，具體模式如圖2所示。

圖2 基于VR技術的雙線教學模式

VR技術在特種加工實驗教學過程中的運用，一方面應用虛擬現實教學系統，完善了傳統實驗教學的方式，也提高了實驗教學效率和效果；另一方法應用VR技術也將特種加工實驗教學從線下教學轉變成為了線上與線下相結合的教學方式，更為靈活、更為高效。本文分別從實驗教學系統總體框架設計、仿真平臺及模塊設計、軟件及關鍵技術設計等幾個方面予以系統闡述實驗教學改革的內容。

4.1 VR實驗教學系統框架革新

基于VR技術的虛擬仿真實驗教學系統，將現實中的實驗教學與VR技術下的虛擬教學相融合，并將線下的傳統課堂教學與云課堂教學結合起來，多渠道、多路徑實施特征加工實驗教學，這種虛實結合的實驗教學系統設計理念框架，如圖3所示。

圖3 V R特種加工教學系統總體框架

VR特種加工教學系統總體上基于Unity3D設計完成，為更加立體化、多功能地展現出特種加工實驗仿真過程，首先建立3D虛擬加工環境和系統仿真平臺，以模擬特種加工過程的各個模塊和加工工具的運動過程模型，再根據設計好的數學模型，對特種加工過程中發生的各種機械、物理和化學變化進行模擬仿真，在系統操作的過程中利用平臺的輸入端，還能夠仿真參數設置的過程，虛擬實驗教學的過程與真實的特種加工實驗教學相近。

4.2 教學仿真平臺的創新設計與探索

Unity3D提供了多種功能強大的模型動態虛擬仿真方法，特種加工實驗教學平臺改革與探索也基于Unity3D軟件設計完成。仿真平臺的功能豐富，具有三維動畫展示、聲音模擬、過程回放、慢動作操作、及各種人機交互的功能，通過軟件設置能夠滿足不同種類特種加工的要求。

圖4 VR特種加工實驗教學仿真平臺設計

除此之外Unity3D還具有良好的兼容性，在特種加工實驗教學平臺上還可以運行AUTO CAD、CAXA、3D MAX等其他主流工程設計軟件，以實現教學軟件在功能上的互補，VR實驗教學仿真平臺結構設計，如上圖所示。

基于VR技術的實驗教學平臺構成包括Unity3D基礎框架、功能模塊拓展和文件配置模塊，其中基于Unity3D的平臺基礎框架提供了底層代碼編譯、文件預置等基礎性的功能，仿真教學平臺將原有Unity3D API中的各種基礎性仿真功能都融入其中。VR特種加工實驗教學平臺采用了模塊化的設計方式，通過語義識別出用戶在輸入端的需求，實現對各類特種加工過程的虛擬仿真輸出。虛擬仿真實驗教學平臺也采用了高兼容性平臺接口，保證在三維圖像立體化輸出中的真實性和平順性，Unity3D軟件在底層語言基礎結構設計、程序的編輯和調用方面靈活、高效，輸入輸入文件的系統配置功能完善，可以實現一些更高級、功能更為復雜的組合效果。

在平臺仿真功能實現方面，由于采用了模塊化的設計方式，平臺操作者通過鼠標拖拽、坐標系轉換或索引調用等方式，可以直接使用各種功能模塊搭建不同類別的特種加工場景。虛擬仿真平臺的功能模塊均采用分類放置的方式以方便隨時調用與參數更新，也便于后續系統的維護和功能選項的增加。平臺下屬的各功能模塊相對獨立，且可以通過底層代碼的更新獨立地實現參數的更新與功能程序的修正，調整特種加工中各虛擬零部件的行進速度、角度、方向及時長。平臺各功能模塊的組合與調用按照平臺既定邏輯規則進行，并形成一個系統化仿真功能庫，其中每一個功能模塊都被賦予一種面向對象的ID索引。當選擇不同類別的特種加工項目時，只需調用與其相關的索引ID，就能夠從數據庫中調取相關的數據，顯著提高了教學效率。

4.3 系統關鍵技術與通信連接的實現

在基于VR技術的特種加工實驗教學系統中，采用了UG幾何混合建模技術實現對特種加工。UG技術的場景逼真度高、兼容性強、交互性更好，其還提供了3D網格化的系統模型優化功能，結合模型的頂點數據、三角面數據與數據的空間存儲功能，不斷地調整和優化模型的三維虛擬演示功能。此外系統模型采用多邊可編輯指令，簡化模型的復雜度并以紋理映射展現出模型的細節特征，提高在特種加工虛擬展示中的逼真度。在光源設定和三維圖像的紋理展示中，系統模型還應用了區域光源和聚焦光源等工具，多角度地渲染出特種加工場景，Unity3D建模在圖像紋理設計和構建方法也能提供更為真實的效果，使軟件系統的使用在實驗室中能夠獲得更為真實的教學體驗。

基于VR技術的虛擬仿真實驗教學平臺，利用局域以太網實現教學用數據的傳輸與存儲，為保證系統的安全性，使用者進入虛擬仿真系統后要經過管理員的授權，或通過動態通信密鑰完成身份的驗證。用戶通過本地瀏覽器調用程序，輸入登錄信息和密碼進入系統。建模完成后用戶可以將模型存儲與本地數據庫，如果文件較大也可在云端存儲，方便后續的對文件的調用、修改和完善。

5 VR技術在實驗教學中的作用體現

針對傳統以真實實驗教學為主的特種加工實驗模式的缺點和弊端，利用VR技術構建虛擬仿真的特種加工實驗教學系統，VR系統在實驗教學中的作用主要表現在以下幾個方面。

（1）基于VR技術的虛擬仿真實驗教學系統使門類多、復雜度較高的實驗過程空間展現成為可能。特種加工工藝本身的復雜度和難度均較高，由于受制于實驗室空間、設備購置成本、及技術的更新迭代效率等問題，特種加工實驗室教學一直是高等學校教學的重點和難點問題之一，實驗教學效果也無法得到有效的保證。而利用計算機虛擬仿真技術，在計算機網絡平臺下可以搭建一種模擬真實場景的實驗教學環境，通過計算機三維立體圖像的展示，達到特種加工實驗教學的目的。VR虛擬仿真教學系統還可以實現線上教學與線下教學的融合，用戶通過網絡授權能夠在實驗課程之外的時間，進入系統自主學習，促進特種加工理論教學與實驗教學更好地結合。以特種加工中的激光切割為例，基于VR技術的虛擬仿真實驗教學過程，如圖5所示。

圖5 特種加工虛擬仿真環境與工作仿真

（2）VR特種加工實驗教學系統的構建成本、運營成本和后期的維護成本均較低，隨著特種加工日趨復雜，這對于高等學校特種加工實驗教學意義重大。當VR系統硬件部分構建完成后，后期僅需對軟件部分做常規升級，無需過大的投入。VR特種加工實驗教學系統資源與云端連接，知識更新的效率更高。

（3）基于VR虛擬仿真技術打造特種加工實驗教學平臺，將更有助提高高等學校特種加工課程的實驗教學水平。在基于VR技術實驗教學系統中，理論教學與實踐教學結合得更為緊密，特種加工理論教學的效果能夠得到保證。傳統實驗教學中由于受到實驗教學模式和實驗資源的限制，教學效果不易評估，而在VR實驗教學系統中每一個實驗參與者都有更多的時間操作機會，對于實驗教學而言更能夠量化考核使用者對于特種加工理論知識與實踐應用的掌握程度。

6 結束語

隨著計算機軟硬件技術的快速發展與VR技術的不斷成熟，將VR技術應用于高等學校教學領域，必將成為一種發展趨勢。而針對特種加工實驗的教學特點，利用VR技術對原有傳統的教學模式實施改革，可以使實驗教學與理論教學效果得到本質的提升，特種加工實驗教學方法的革新，將更有助于培養學生的理論知識學習能力、實踐操作能力和自主學習能力，以興趣為導向、以VR技術為工具，才能夠達到特種加工實踐教學的最終目的。