許文碩 王建軍 喬建委 王峰 盧云鵬

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，使用戶沉浸到三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真環(huán)境中。為提高測(cè)控技術(shù)課程教學(xué)中的體驗(yàn)感，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟件IdeaVR，結(jié)合《控制技術(shù)與系統(tǒng)》課程，設(shè)計(jì)了一套提高學(xué)生理論水平與實(shí)際設(shè)計(jì)及動(dòng)手能力的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了該三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的三維設(shè)計(jì)顯示及整體運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真與動(dòng)畫設(shè)計(jì)，并對(duì)如何提高《控制技術(shù)與系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）；三軸轉(zhuǎn)臺(tái)；課程設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)仿真

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）07-0119-02

Abstract： Virtual Reality （VR） technology is a computer simulation technology that can create and experience virtual worlds， and users can immerse in the system simulation environment of 3D dynamic vision and physical behavior. In order to improve the teaching and studying experience in the measurement and control technology course，we combined the virtual reality technology software IdeaVR into the "Control Technology and System" course， and designed a set of three-axis turntable to improve students' theoretical level and practical design ability. We realizedthe architecture design of a three-axis turntable show as well as the animation design of its overall motion trajectory. Finally， we analyzed how to improve the experimental teaching of the Control Technology and System course.

Key words： virtual reality （VR）； three-axis turntable； course design； motion simulation

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，廣角立體顯示技術(shù)，對(duì)觀察者頭、眼和手的跟蹤技術(shù)，以及觸覺(jué)/力覺(jué)反饋、立體聲、網(wǎng)絡(luò)傳輸、語(yǔ)音輸入輸出技術(shù)等的不斷研究，作為這幾種技術(shù)的綜合，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也開(kāi)始走進(jìn)課堂。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引進(jìn)對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式進(jìn)行了補(bǔ)充，在一定程度上促進(jìn)了傳統(tǒng)教學(xué)的改革，由此信息教育開(kāi)始了虛擬現(xiàn)實(shí)時(shí)代。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)授課中，一方面對(duì)于過(guò)程控制理論的教學(xué)，很多方面是一些相對(duì)落后的知識(shí)和重復(fù)性內(nèi)容介紹，缺乏對(duì)最新控制技術(shù)和控制理論的補(bǔ)充。另一方面對(duì)具體的應(yīng)用案例介紹得不夠充分，學(xué)生學(xué)習(xí)后，雖然對(duì)理論知識(shí)掌握較好，但如何實(shí)際應(yīng)用十分茫然，導(dǎo)致理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作有較嚴(yán)重的脫節(jié)。為了提高學(xué)生的認(rèn)識(shí)水平和實(shí)踐能力，適應(yīng)新時(shí)代的工作需要，我們對(duì)于《控制技術(shù)與系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，采用IdeaVR軟件進(jìn)行課堂教學(xué)，它不再試過(guò)去只能觀看模型的教學(xué)方式，而是采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)給學(xué)生演示模型的分解、實(shí)體展示等方式，讓學(xué)生深入了解課程，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合，目前很多學(xué)校對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)授課方式進(jìn)行了不同程度的探索及應(yīng)用。

1 IdeaVR軟件

IdeaVR軟件是全球首款異地多人協(xié)同平臺(tái)，IdeaVR解決了當(dāng)前VR實(shí)踐教學(xué)四大難題：1）通過(guò)多人協(xié)同功能，革新現(xiàn)有VR單人單視角教學(xué)模式局限；2）通過(guò)零編程的自助式內(nèi)容制作模式，解決教育行業(yè)VR內(nèi)容匱乏難題；3）通過(guò)硬件終端的自適應(yīng)性，解決VR硬件多樣化問(wèn)題；4）通過(guò)VR資源云平臺(tái)：素材庫(kù)、場(chǎng)景庫(kù)和VR視頻錄制，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容封閉現(xiàn)狀。VR軟件打破空間的局限，借助內(nèi)置強(qiáng)大的分布式多人協(xié)同系統(tǒng)，可快速構(gòu)建多人協(xié)同工作環(huán)境，讓所有使用者置身于同一個(gè)真實(shí)的場(chǎng)景中，真正實(shí)現(xiàn)了多人協(xié)同下的“教、學(xué)、演、練”。

2 課程內(nèi)容與特點(diǎn)

《控制技術(shù)與系統(tǒng)》是測(cè)控專業(yè)一門專業(yè)性和實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)主干課，通過(guò)課程教學(xué)，使學(xué)生運(yùn)用自動(dòng)控制原理，結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程機(jī)理，利用自動(dòng)化儀表及裝置去從事生產(chǎn)過(guò)程的分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行與開(kāi)發(fā)研究工作?！犊刂萍夹g(shù)與系統(tǒng)》主要包括兩大部分的設(shè)計(jì)：計(jì)算與控制部分、執(zhí)行器部分。

控制技術(shù)在教學(xué)過(guò)程中，有些控制概念和方法比較抽象，采用實(shí)物難以展示，需要采用虛擬仿真技術(shù)來(lái)展示原理；控制器的設(shè)計(jì)采用軟件編程，難以實(shí)物展示；內(nèi)容多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主，且實(shí)驗(yàn)中學(xué)生概念模糊又很難動(dòng)手操作，需要老師在一旁進(jìn)行專門指導(dǎo)，造成理論與實(shí)踐在具體操作中難以緊密結(jié)合。綜合這些原因，我們開(kāi)始在《控制技術(shù)與系統(tǒng)》課程中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)授課方式是指教師事先對(duì)所講課件進(jìn)行3D模型構(gòu)建，在IdeaVR中導(dǎo)入相關(guān)模型進(jìn)行準(zhǔn)備，并在專門的VR實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行課堂授課，通過(guò)教師在IdeaVR中演示部件拆卸、部件移動(dòng)、部件復(fù)位、動(dòng)畫播放等相關(guān)功能，幫助學(xué)生理解掌握相關(guān)知識(shí)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)采用計(jì)算機(jī)與外部設(shè)施相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)模擬環(huán)境。VR是以新型人機(jī)對(duì)話為基礎(chǔ)的交互性技術(shù)，其最大優(yōu)勢(shì)在于構(gòu)建作品與參與者的對(duì)話，通過(guò)交互操作提高學(xué)生的認(rèn)識(shí)水平和實(shí)踐能力。該技術(shù)可打破制約傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)空間及人數(shù)的限制，實(shí)現(xiàn)VR設(shè)備的互聯(lián)互通，并實(shí)現(xiàn)多人對(duì)其進(jìn)行操作，提高了教學(xué)質(zhì)量，使理論與實(shí)踐緊密結(jié)合。

3 IdeaVR操作

從《控制技術(shù)與系統(tǒng)》課程教學(xué)中選出一節(jié)為例，對(duì)一種三軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真。設(shè)計(jì)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)，首先采用CATIA對(duì)其進(jìn)行三維模型構(gòu)建，然后利用IdeaVR軟件對(duì)其實(shí)現(xiàn)三維展示、視口類型、材質(zhì)選擇、運(yùn)動(dòng)模擬等教學(xué)。此教學(xué)將三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的零件結(jié)構(gòu)、工作原理及裝配過(guò)程以虛擬仿真的方式展示給學(xué)生，使學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作學(xué)習(xí)，更深入了解所學(xué)課程理論知識(shí)及提高了自身實(shí)踐操作能力。

3.1三維展示

在主菜單欄“文件”菜單項(xiàng)中，選擇“打開(kāi)工程”功能，進(jìn)入打開(kāi)工程對(duì)話框，選擇導(dǎo)入。編輯器中有兩種主要的視口類型：透視視口和正交視口。透視視口是場(chǎng)景的三維窗口。正交視口是順著每個(gè)坐標(biāo)軸（X、Y、Z）看到的二維窗口，包括主視圖、俯視圖和側(cè)視圖。

在視口中，對(duì)導(dǎo)入的工程圖進(jìn)行相關(guān)導(dǎo)航操作，具體導(dǎo)航操作動(dòng)作為調(diào)整視角角度、拉伸視角遠(yuǎn)近、視角平移、視角向前移動(dòng)、視角向左移動(dòng)、視角向后移動(dòng)、視角向右移動(dòng)、視角向下移動(dòng)、視角向上移動(dòng)，其對(duì)應(yīng)的操作為鼠標(biāo)左鍵+拖拽、鼠標(biāo)右鍵+拖拽、鼠標(biāo)中鍵+拖拽、鍵盤W、鍵盤A、鍵盤S、鍵盤D、鍵盤Q、鍵盤E。

3.2材質(zhì)選擇

工程打開(kāi)后，IdeaVR提供材質(zhì)修改，在主菜單欄中的“編輯”標(biāo)簽頁(yè)中，選擇“材質(zhì)”功能，進(jìn)入材質(zhì)面板。在左側(cè)的材質(zhì)列表中選擇一種材質(zhì)，勾選面板上“拾取面”，再點(diǎn)擊左上方的“賦材質(zhì)”功能，將鼠標(biāo)移動(dòng)至修改項(xiàng)點(diǎn)擊即可修改材質(zhì)，如圖1所示。

3.3運(yùn)動(dòng)模擬

在主菜單欄中的“動(dòng)畫”標(biāo)簽頁(yè)中，選擇“動(dòng)畫編輯器”功能，進(jìn)入動(dòng)畫編輯面板。設(shè)定總時(shí)長(zhǎng)，選中四個(gè)操作對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)方向設(shè)定，規(guī)定其旋轉(zhuǎn)角度和位置移動(dòng)，具體設(shè)定如圖2所示。其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為平面鏡在X軸、Y軸旋轉(zhuǎn)7度，四個(gè)桿端球頭軸承上下移動(dòng)相對(duì)應(yīng)的數(shù)值，從而帶動(dòng)反射鏡旋轉(zhuǎn)。根據(jù)設(shè)定，進(jìn)行相關(guān)模擬運(yùn)行。

4 存在的問(wèn)題

1）在VR實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行授課時(shí)，教師在前期需要一直面對(duì)大屏幕進(jìn)行講解演示，因佩戴專門的3D眼鏡，故無(wú)法實(shí)時(shí)確保學(xué)生的上課集中性，學(xué)生有可能出現(xiàn)開(kāi)小差現(xiàn)象。關(guān)于這個(gè)為題，教師可以后期設(shè)立助理崗位進(jìn)行課堂授課輔助。

2）在后期學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)貪玩的心思，進(jìn)行無(wú)關(guān)學(xué)習(xí)的事情，沒(méi)有按照課程進(jìn)行學(xué)習(xí)與練習(xí)，從而在相關(guān)知識(shí)的掌握上出現(xiàn)問(wèn)題。關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，教師需提前做好學(xué)習(xí)方面的疏導(dǎo)，讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，自覺(jué)學(xué)習(xí)，發(fā)揮學(xué)生的自我獨(dú)立。

3）實(shí)驗(yàn)室授課時(shí)學(xué)生人數(shù)不宜太多，因操作手柄數(shù)量的限制，故實(shí)際操作時(shí)，無(wú)法滿足多人進(jìn)行操作。關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，因硬件限制，可協(xié)調(diào)好學(xué)生的人數(shù)，協(xié)調(diào)好時(shí)間，提高授課效率。

4）授課前的課件準(zhǔn)備需要教師提前進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，這些課件需要教師不斷更新優(yōu)化，與時(shí)代相結(jié)合，緊跟科技發(fā)展的腳步。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)IdeaVR軟件將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與控制技術(shù)與系統(tǒng)課程結(jié)合，在教學(xué)中使學(xué)生不再局限于實(shí)體操作中拆卸、放大、移動(dòng)等問(wèn)題，通過(guò)虛擬環(huán)境中工程圖展示，使得學(xué)生能夠?qū)嶋H模擬操作，達(dá)到對(duì)其有更詳細(xì)的認(rèn)知。合理運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行課堂教學(xué)，一方面可以一定程度上改進(jìn)了傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，另一方面為了積極探索課堂教學(xué)的新方式，使得課堂教學(xué)與時(shí)俱進(jìn)，學(xué)生學(xué)習(xí)方式多樣化。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】