石昌帥 祝效華 董亮亮 蔣發(fā)光

摘要：本文對傳統(tǒng)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(fā)學生創(chuàng)造力。虛擬現(xiàn)實實訓能夠直觀生動的講解抽象理論，實現(xiàn)更真實的仿真實訓。

關鍵詞：機械工程;虛擬現(xiàn)實;課堂知識傳遞效率;仿真實訓

1 引言

鉆完井井下作業(yè)與工具是機械工程專業(yè)井下作業(yè)與工具方向的一門主干專業(yè)課，系統(tǒng)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(yǎng)學生實際操作技能，最終培養(yǎng)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?guī)缀踔荒芡ㄟ^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(xiàn)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(yǎng)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(yè)的實踐教學方案。

虛擬仿真平臺即通過虛擬現(xiàn)實VR場景的展示，以產品全生命周期的相關數(shù)據(jù)為基礎，在計算機虛擬環(huán)境中，由數(shù)字化模型、方法和工具，構成綜合網(wǎng)絡，包含仿真和3D虛擬現(xiàn)實的可視化，形象、生動、清晰地展現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)教學不能形象生動的表達裝備的內部結構，傳統(tǒng)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(yè)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(fā)展到PPT/Flash動畫，再到3D虛擬仿真，以及現(xiàn)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(xiàn)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(guī)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(chuàng)新實訓：采用現(xiàn)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(xiàn)實、大屏交互、人機交互等數(shù)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(yōu)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(xié)作，也可以跨地域進行協(xié)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(xiàn)課堂當場實練、多角度展示、激發(fā)學生創(chuàng)造力。

在傳統(tǒng)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(huán)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(huán)境取代現(xiàn)實環(huán)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(tǒng)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(xiàn)創(chuàng)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）