摘要：活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是一種精細(xì)且重要的儀器，其制造、安裝和維護(hù)都需要高水平的技術(shù)和專業(yè)知識(shí)；同時(shí)，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的制造和維護(hù)也需要昂貴的設(shè)備。針對(duì)當(dāng)下現(xiàn)狀，文章基于虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)知的教學(xué)空間，利用VR技術(shù)模擬活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)過程，并提供用戶界面和交互功能，在虛擬環(huán)境中對(duì)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行認(rèn)知教學(xué)，從而解決對(duì)真實(shí)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的操作以及學(xué)習(xí)認(rèn)知方面存在的“三高四不”即高成本、高風(fēng)險(xiǎn)、高難度、不可逆轉(zhuǎn)、不易達(dá)到、不易實(shí)現(xiàn)、不可觸及的顯性問題。

關(guān)鍵詞：工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)；VR技術(shù)；虛擬教學(xué)

中圖分類號(hào)：TM391.9中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0引言

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)在教育、娛樂、醫(yī)療等方面的應(yīng)用都取得了令人矚目的成果。《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2021—2030年）》中也明確指出，深入推進(jìn)大數(shù)據(jù)、VR、人工智能等新技術(shù)在教育教學(xué)中的深入應(yīng)用，積極開展虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法［1］。在工程領(lǐng)域中，VR技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和維護(hù)等方面。而對(duì)于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)這種機(jī)械設(shè)備，使用VR技術(shù)進(jìn)行模擬、測(cè)試和培訓(xùn)等方面的應(yīng)用也逐漸受到廣泛關(guān)注。然而，目前對(duì)于基于VR技術(shù)的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備的認(rèn)知教學(xué)演習(xí)較少，因此文章旨在探討基于VR技術(shù)的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備對(duì)用戶認(rèn)知的影響。

在虛擬實(shí)驗(yàn)中，VR技術(shù)可以提供具有真實(shí)感的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，研究者可以在其中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，而無需花費(fèi)大量時(shí)間和成本進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)［2］。VR技術(shù)可以將計(jì)算機(jī)科學(xué)中的抽象概念和數(shù)據(jù)可視化為三維模型，讓學(xué)者更加直觀地理解和掌握所學(xué)內(nèi)容。在交互式學(xué)習(xí)方面，VR技術(shù)可以提供具有交互性和沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)者可以在其中進(jìn)行互動(dòng)式學(xué)習(xí)，例如：在虛擬場(chǎng)景中與人物或物品互動(dòng)、模擬現(xiàn)實(shí)情境中的決策等。VR技術(shù)還可以提供獨(dú)特的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，例如：在VR環(huán)境中進(jìn)行游戲式學(xué)習(xí)，通過沉浸式的方式增強(qiáng)學(xué)者的參與度和學(xué)習(xí)興趣［3］。

1活塞發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)面臨的問題

1.1傳統(tǒng)教學(xué)模式下教學(xué)的問題分析

目前，工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)展示圖大多為靜態(tài)的二維和三維圖紙，圖紙只能在有限的角度呈現(xiàn)，沒有辦法讓學(xué)者產(chǎn)生身臨其境的感覺，圖紙的制作方法相對(duì)陳舊，效果圖的制作欠缺真實(shí)感。傳統(tǒng)教學(xué)方法缺乏交互性，學(xué)生無法通過實(shí)際操作來深入理解活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)作原理。他們只能被動(dòng)接收信息，而缺少主動(dòng)參與的機(jī)會(huì)。

1.2主觀因素分析

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的操作和學(xué)習(xí)存在高成本、高風(fēng)險(xiǎn)、高難度等挑戰(zhàn)，需要一種更安全、便捷、實(shí)踐機(jī)會(huì)豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境。

高成本：實(shí)際操作和學(xué)習(xí)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)需要昂貴的設(shè)備和工具，例如：真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)和維修工具。這增加了教學(xué)成本，并限制了學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會(huì)。

高風(fēng)險(xiǎn)：在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，操作活塞發(fā)動(dòng)機(jī)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，特別是對(duì)于初學(xué)者而言。錯(cuò)誤的操作可能導(dǎo)致事故和損壞，增加了學(xué)習(xí)過程的風(fēng)險(xiǎn)和壓力。

高難度：活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的操作和維護(hù)需要高水平的技術(shù)和專業(yè)知識(shí)，對(duì)學(xué)生而言是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，缺乏實(shí)踐機(jī)會(huì)和個(gè)性化指導(dǎo)使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程更加困難。

因此，VR技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)。（1）提高學(xué)習(xí)效果，VR技術(shù)可以為學(xué)生提供高度沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生更深入地理解和體驗(yàn)所學(xué)知識(shí)［4］。（2）增強(qiáng)趣味性。VR技術(shù)可以為學(xué)生提供具有趣味性和挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力［5］。（3）增加互動(dòng)性。VR技術(shù)可以提供更多的互動(dòng)機(jī)會(huì)和場(chǎng)景，使學(xué)者更加積極地參與到學(xué)習(xí)過程中，增強(qiáng)學(xué)習(xí)互動(dòng)性和社交性［6］。（4）實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)。VR技術(shù)可以幫助學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬，減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料的成本和限制，同時(shí)，降低了實(shí)驗(yàn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)和危險(xiǎn)。

2應(yīng)對(duì)教育挑戰(zhàn)：引入創(chuàng)新的基于VR的學(xué)習(xí)平臺(tái)

解決活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的操作和學(xué)習(xí)問題的關(guān)鍵在于提供一種新的教學(xué)方法，利用VR技術(shù)構(gòu)建一個(gè)安全、便捷、實(shí)踐機(jī)會(huì)豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境。文章以通用航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為例，通過建模軟件3D Max搭建發(fā)動(dòng)機(jī)模型，利用VR編輯引擎IdeaVR進(jìn)行腳本編輯實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)模擬爆炸拆解組裝等功能，內(nèi)置考題系統(tǒng)，形成了體系化的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬教學(xué)空間。

2.13D Max建模

3D Max是三維制作領(lǐng)域中最流行和廣泛使用的軟件之一，3D Max可以用于創(chuàng)建和編輯三維模型，支持多種建模工具和技術(shù)，例如：多邊形建模、曲面建模、NURBS建模等。3D Max還支持貼圖、材質(zhì)、照明、動(dòng)畫等多種功能，可以使用戶創(chuàng)建出逼真的三維場(chǎng)景和角色 。

通過3D Max三維建模軟件對(duì)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行建模，裝配活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)主要由氣缸、活塞、連桿、曲軸、氣門機(jī)構(gòu)、螺旋槳減速器、機(jī)匣等組成。文章對(duì)所建模型進(jìn)行簡化、減面等操作，保證后續(xù)交互仿真（拆解、認(rèn)知）的需要；采用“自下而上、自左而右”的裝配思路進(jìn)行裝配?；钊l(fā)動(dòng)機(jī)模型如圖1所示。在虛擬裝配過程中，模型參數(shù)以產(chǎn)品的裝配尺寸與規(guī)格為基準(zhǔn)。

2.2虛擬場(chǎng)景的構(gòu)造與搭建

2.2.1場(chǎng)景內(nèi)的燈光搭建

在VR虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建過程中，為使其更加接近于現(xiàn)實(shí)，文章需要添加IdeaVR光源庫的光源（定向光、全向光、聚向光、點(diǎn)光源）。虛擬光源庫如圖2所示。文章將場(chǎng)景模型部分材質(zhì)球添加烘焙光照貼圖，調(diào)整光源的分布數(shù)量與位置角度，避免同一材質(zhì)在不同位置的光照反射，多次改試燈光強(qiáng)度數(shù)值使得沉浸感受逼近于現(xiàn)實(shí)。

2.2.2活塞發(fā)動(dòng)機(jī)模型的導(dǎo)入與優(yōu)化

文章將3D max模型以FBX格式導(dǎo)出，在虛擬創(chuàng)世VR制作引擎中選擇資源導(dǎo)入命令。將模型逐一導(dǎo)入繼而搭建場(chǎng)景，如圖3所示。在導(dǎo)入過程中，面數(shù)、坐標(biāo)軸信息、模型的幾何度都得到了完整地保留。為了達(dá)到更真實(shí)的效果，文章還需要為導(dǎo)入的模型選擇合適的材質(zhì)，材質(zhì)貼圖可以在IdeaVR自帶的材質(zhì)庫中進(jìn)行選擇。

3活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的編輯交互

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)做工的交互制作

在構(gòu)建VR活塞發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)平臺(tái)的過程中，研究者應(yīng)首要考慮活塞發(fā)動(dòng)機(jī)模型的制作和動(dòng)畫效果?；钊l(fā)動(dòng)機(jī)模型的制作需要經(jīng)過多個(gè)環(huán)節(jié)，包括骨骼創(chuàng)建、蒙皮、權(quán)重繪制、控制器綁定以及關(guān)鍵幀動(dòng)畫等。這些步驟設(shè)置的目的在于創(chuàng)建一個(gè)逼真且流暢的動(dòng)畫，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的互動(dòng)交互功能。以活塞模型為例，首先需要將活塞模型導(dǎo)入IdeaVR引擎中，并為其創(chuàng)建1個(gè)AnimationPlayer節(jié)點(diǎn)。然后，將AnimationPlayer節(jié)點(diǎn)作為動(dòng)畫數(shù)據(jù)的容器，其能夠存放多組動(dòng)畫數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)各種簡單或復(fù)雜的動(dòng)畫效果。最后，在為活塞模型建立動(dòng)畫播放器的過程中，需要在動(dòng)畫軌道上為節(jié)點(diǎn)的特定屬性設(shè)置關(guān)鍵幀，以定義節(jié)點(diǎn)屬性在某一時(shí)間點(diǎn)的值。這樣，文章通過設(shè)置關(guān)鍵幀，即可實(shí)現(xiàn)活塞模型在虛擬環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)畫形式的做工交互效果。

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)知模塊的交互

在虛擬場(chǎng)景中，UI界面扮演著不可或缺的角色，其不僅能夠讓用戶在航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)做功的過程中獲得沉浸式體驗(yàn)，還能夠通過UI界面呈現(xiàn)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)零件介紹、配置參數(shù)、型號(hào)等重要信息。文章通過將三維模型交互與UI界面的文字資料相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了圖文并茂的展示方式，為用戶提供了更深入、全面、沉浸式的認(rèn)知維度。

在場(chǎng)景中，UI界面的設(shè)計(jì)與觸發(fā)顯得尤為關(guān)鍵。首先，用戶通過點(diǎn)擊UI畫布，在菜單窗口中選擇快速創(chuàng)建平面控件，從而創(chuàng)建一個(gè)紋理圖作為UI畫布下的子節(jié)點(diǎn)。接著，用戶在場(chǎng)景面板中找到平面控件的子節(jié)點(diǎn)TextureRect，在其屬性面板中導(dǎo)入所需的圖片紋理。由于UI界面的節(jié)點(diǎn)具有位置和大小屬性，同時(shí)也具備錨點(diǎn)和邊距，通過定義節(jié)點(diǎn)的錨點(diǎn)，用戶可以確定節(jié)點(diǎn)的位置和大小，進(jìn)一步在布局按鈕中選擇保持長寬比的設(shè)置，然后在屬性欄中對(duì)UI組件矩形進(jìn)行調(diào)試，以確保畫布可以鋪滿整個(gè)屏幕。最后，以TextureRect為節(jié)點(diǎn)，研究者創(chuàng)建一個(gè)Button組件，通過連接信號(hào)到Button來實(shí)現(xiàn)用戶觸發(fā)按鈕的交互操作，為用戶帶來更人性化的交互體驗(yàn)。這種高端大氣的表達(dá)方式不僅使得用戶能夠在虛擬場(chǎng)景中輕松瀏覽活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)信息，同時(shí)也增加了用戶與虛擬環(huán)境的互動(dòng)性，提升了整體的用戶體驗(yàn)［7］。

3.3考試系統(tǒng)的搭建

為了形成活塞發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)習(xí)、認(rèn)知、演習(xí)和考試的閉環(huán)，該系統(tǒng)創(chuàng)建加入了考試復(fù)盤系統(tǒng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)首次進(jìn)入場(chǎng)景樹時(shí)，用戶利用IdeaVR可視化腳本進(jìn)行編輯交互，利用模塊化的藍(lán)圖搭建主任務(wù)，通過每幀循環(huán)調(diào)用設(shè)置按下鍵盤“K”時(shí)發(fā)出答題面板，此過程需要在IdeaVR里建立動(dòng)畫播放器實(shí)現(xiàn)，其中，按鈕Fution是切換到考試場(chǎng)景的媒介，復(fù)制考試場(chǎng)景在軟件當(dāng)中的路徑，調(diào)用場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)答題場(chǎng)景的跳轉(zhuǎn)。答題場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)腳本編輯交互的呈現(xiàn)如圖4所示。

4結(jié)語

文章通過建模與VR技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種活塞發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)知模塊，旨在提供一種交互式的學(xué)習(xí)環(huán)境，以幫助用戶更深入地理解活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。文章首先利用3D建模軟件搭建了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的精細(xì)模型，確保模型的準(zhǔn)確性和真實(shí)感。然后，通過VR技術(shù)，將活塞發(fā)動(dòng)機(jī)模型導(dǎo)入虛擬環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)部件的高精度還原。與此同時(shí)，文章引入了答題系統(tǒng)，通過學(xué)習(xí)—認(rèn)知—考試的閉環(huán)方式增加用戶對(duì)VR認(rèn)知教學(xué)的興趣，加深對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的理解。用戶可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬操作，拆解和組裝活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，從而實(shí)踐所學(xué)知識(shí)。最后，文章考慮了場(chǎng)景的合理搭建與環(huán)境化渲染，以提供更真實(shí)的虛擬體驗(yàn)，從而提高培訓(xùn)效率。

未來，文章計(jì)劃將研究范圍擴(kuò)展至其他專業(yè)的高精度工業(yè)設(shè)備，進(jìn)一步優(yōu)化解決實(shí)際存在的“高風(fēng)險(xiǎn)、高難度、低效率”問題，以使操作與實(shí)驗(yàn)變得更加“可逆轉(zhuǎn)”“可到達(dá)”“可觸及”，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)”結(jié)合，提高用戶在工業(yè)設(shè)備操作認(rèn)知和實(shí)踐能力方面的水平。

參考文獻(xiàn)

［1］范麗麗.VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展下的家具設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐［J］.家具，2024（2）：109-113.

［2］江玉珍.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)組裝教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2020（16）：209-210，215.

［3］魏胡.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.集成電路應(yīng)用，2022（10）：128-129.

［4］朱繼華，于賀春，王進(jìn).基于IdeaVR技術(shù)的車床虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)現(xiàn)［J］.輕工科技，2022（6）：34-36，39.

［5］周建釗，王宇.VR技術(shù)在機(jī)械虛擬訓(xùn)練的應(yīng)用研究［J］.中國設(shè)備工程，2022（12）：26-29.

［6］耿凱輝.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的特種發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

［7］謝偉龍，王慧，劉奇，等.VR技術(shù)在動(dòng)物園科普平臺(tái)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)［J］.無線互聯(lián)科技，2023（1）：86-89.

（編輯王永超編輯）

Construction of cognitive teaching space for piston engines based on VR technology

GUO" Yanan， WANG Hui*， XIE" Weilong

（Erdos College of Applied Technology， Erdos 017000， China）

Abstract：" Reciprocating engine is a precise and important instrument， and its manufacture， installation and maintenance require a high level of technical and professional knowledge， while the manufacture and maintenance of reciprocating engine also require expensive equipment. In view of the current situation， this article designs and implements a reciprocating engine teaching space based on Virtual Reality （VR） technology， using VR technology to simulate the structure and operation of reciprocating engine， and provide user interface and interactive functions to teach reciprocating engine in a virtual environment， to deal with the operational and cognitive aspects of real aviation reciprocating engine， which are high cost， high risk， high difficulty and irreversible， an explicit problem that is not easy to achieve.

Key words： industrial engine; VR technology; virtual teaching