孫治博，史成坤，李瑞豪，潘卓午，張夢森

（北京航空航天大學 工程訓練中心，北京 102206）

工程訓練中心是本科生教育的最大實踐課程教學平臺，系統(tǒng)地開展培養(yǎng)學生自主學習能力、創(chuàng)新能力、實踐能力、團隊協(xié)作能力的實踐教學環(huán)節(jié)[1-4]?！半p一流”建設方案中提到要培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神和實踐能力的各類創(chuàng)新型、應用型、復合型優(yōu)秀人才，加強創(chuàng)新實踐教育，大力推進個性化培養(yǎng)是推動“雙一流”建設的必要舉措[5-6]。2018 年 4 月 3 日，教育部印發(fā)了關于《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》的通知，虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）技術作為人工智能創(chuàng)新行動的一部分被列入其中，這對于推廣和促進虛擬現(xiàn)實技術和工程實踐教學的結合有著十分重要的作用[7]。

虛擬現(xiàn)實利用計算機模擬產(chǎn)生出一個三維空間的虛擬環(huán)境，使用者通過使用傳感設備與虛擬環(huán)境中的對象進行實時交互、感知，獲得視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬信息刺激，產(chǎn)生身臨其境的感受和體會。將VR 技術應用于工程訓練類教學領域能夠彌補傳統(tǒng)訓練設備不足、場地不夠、訓練不充分等問題，讓學生在虛擬環(huán)境中通過充分的練習和訓練，在提高實訓效果的同時降低訓練成本[8-12]。

本文旨在結合高校自身特色與理論實踐教學，為解決工程實踐教學量大面廣對應的設備與師資問題，提出一種基于虛擬現(xiàn)實技術的輔助教學模式，搭建虛擬訓練操作教學平臺。教師在對學生進行實際訓練指導之前，讓學生體驗虛擬操作，起到熟悉操作流程、避免錯誤操作與危險操作的作用，同時減少學生實踐操作摸索的時間，以達到緩解教師教學壓力、提高實踐教學課程效率的目的。

1 工程實踐教學虛擬現(xiàn)實平臺的構建基礎

1.1 虛擬現(xiàn)實技術高校中的應用

目前，虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)走進國內(nèi)多所高校，如天津大學基于VRML 國際標準，利用SGI 硬件平臺，開發(fā)出了虛擬校園。浙江大學在國家“863”成果展上也展示了該校設計的虛擬校園。中央廣播電視大學遠程教育學院采用基于 Internet 的游戲圖形引擎，并且將網(wǎng)絡學院的實際功能與圖形引擎進行了結合，突破了虛擬現(xiàn)實技術在校園瀏覽上的功能作用，實現(xiàn)了VR技術在基礎平臺上的大規(guī)模運用。南京理工大學工程訓練中心建設了“現(xiàn)代制造企業(yè)虛擬仿真實驗教學中心”，仿真現(xiàn)代制造企業(yè)生產(chǎn)運作與管理模式，開發(fā)基于Windchill 平臺的教學系統(tǒng)，讓學生體驗產(chǎn)品全生命周期管理[13]。現(xiàn)階段高校中VR 的應用更側(cè)重于效果體驗，而本文所創(chuàng)新的教學模式更側(cè)重實踐與理論的教學講解、虛擬環(huán)境操作的討論與測評，以及虛擬環(huán)境的項目設計。

1.2 虛擬現(xiàn)實平臺的硬件設備與軟件環(huán)境

虛擬訓練操作教學開源平臺的構建依賴于開源的軟件環(huán)境與匹配的硬件設備。為了實現(xiàn)開源平臺建設，選擇Unreal Engine（虛幻引擎，簡稱UE）作為平臺開發(fā)的軟件引擎。該引擎能夠提供一個完全開源的編程環(huán)境，學生可以借助此平臺進行系統(tǒng)的進一步開發(fā)，同時在虛擬環(huán)境搭建上，UE 能夠呈現(xiàn)更逼真的渲染效果，提升學生體驗虛擬現(xiàn)實內(nèi)容的沉浸感。

HTC Vive 是由HTC 與Valve 聯(lián)合開發(fā)的一款虛擬現(xiàn)實頭戴式顯示器產(chǎn)品，該設備能夠?qū)崿F(xiàn)精準的定位效果，有較高的分辨率（1 280×1 080 像素），能夠有效地降低網(wǎng)格效應（screen door effect）。同時，UE能夠提供對HTC Vive 設備的良好支持。

2 基于VR 的鉆床操作系統(tǒng)設計與構建

鉆床是工程實踐訓練教學中最簡單的操作平臺，也是我校機械制造訓練實踐課程中不可缺少的一部分。搭建一套VR 的操作系統(tǒng)可以將鉆床操作的基本教學與虛擬現(xiàn)實技術相結合，讓學生可以通過 VR 切實體驗鉆床加工的過程，降低了機床操作的門檻，保障了操作人員的自身安全，節(jié)省了成本和空間，同時提高了授課的趣味性。

虛擬鉆床操作平臺系統(tǒng)設計與搭建的流程如圖 1所示。結合實際鉆床的操作環(huán)境，了解鉆床的結構并掌握鉆床的操作規(guī)程，以此為基礎在 Pro/E 環(huán)境下建立鉆床的虛擬樣機模型，模擬實訓的操作環(huán)境，主要包括工作臺和操作規(guī)程語音講解。將以上虛擬樣機模型以及操作環(huán)境導入Unreal Engine 環(huán)境中，根據(jù)操作規(guī)程在 UE 環(huán)境下編譯來實現(xiàn)虛擬樣機的運動關系。完成運動編譯以后，還需要結合HTC Vive 設備進行操作調(diào)試，根據(jù)正常的操作習慣，實現(xiàn)操作功能。通過調(diào)試后，讓參與鉆床實訓的學生進行VR 操作體驗，對該平臺進行評價與反饋，用于平臺的進一步改善。

圖1 虛擬鉆床操作平臺系統(tǒng)設計與搭建流程

3 輔助教學內(nèi)容的開發(fā)與實踐

3.1 虛擬環(huán)境下的理論課程講解

鉆床虛擬現(xiàn)實操作平臺旨在輔助鉆床操作的工程實踐教學，該輔助教學內(nèi)容由兩大部分組成，如圖 2 所示：①VR 動畫與教學音頻指導；②VR 鉆床操作教學。

在VR 動畫與教學音頻指導部分，指導教師會將鉆床的操作流程與規(guī)范錄制成音頻，作為虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的指導旁白，鉆床在虛擬環(huán)境中會配合音頻的講解通過相應的運動動畫予以體現(xiàn)，如圖 2(b)所示。在整個過程中，學生需要佩戴VR 眼鏡、耳機，操作手柄僅用于調(diào)整場景的視角，并不能夠操作平臺，如圖2(a)所示。該環(huán)節(jié)時長約3 min，目的是讓學生了解鉆床的操作規(guī)程。

圖2 VR 動畫與教學音頻指導環(huán)節(jié)

3.2 虛擬環(huán)境下的鉆床操作實踐環(huán)境開發(fā)

在VR 鉆床操作教學部分，學生開始在虛擬環(huán)境中進行操作，該環(huán)節(jié)目前設計為單一的零件鉆孔加工，具體操作過程包括虎鉗的定位、零件的夾緊、機床的開關、鉆頭的進給4 部分內(nèi)容。整個操作過程按照一定的順序進行編排，如圖3 所示，只有完成之前的內(nèi)容，才會觸動下一部分內(nèi)容的進行。對于操作規(guī)程中提到的危險操作，一旦有學生發(fā)生誤操作，系統(tǒng)會給出嚴重的警告，從而避免在實際工程實踐中由于誤操作而帶來的危險。

該項輔助教學內(nèi)容安排在實踐教學之前，只有學生在虛擬環(huán)境中完成了項目的演練操作后，再由指導教師安排去進行實際的工程實踐訓練，完成項目的實際操作。該內(nèi)容的設計將虛擬環(huán)境中總結出來的經(jīng)驗帶入到實踐操作中，節(jié)約成本，釋放了教師的壓力，真正體現(xiàn)虛實結合的優(yōu)勢。

圖3 VR 鉆床操作過程

4 結語

基于VR 的鉆床工程實踐教學輔助系統(tǒng)提高了學生的學習興趣與自主學習熱情，保障了操作人員的自身安全，節(jié)省了成本和空間。目前該系統(tǒng)處于試運行階段，有29 名學生、15 名工訓教師進行了平臺體驗，所有教師與學生都認可該平臺的價值，并提出了改進建議。將該系統(tǒng)應用到教學環(huán)節(jié)，未來還需要做到以下幾點：①在加工過程中體現(xiàn)出加工精度。②擴展加工設備，增加工程實踐的種類。③增設討論、協(xié)作與互動環(huán)節(jié)。④以項目的形式帶入VR 環(huán)境，豐富加工內(nèi)容。

隨著平臺的不斷開發(fā)與完善，該教學模式可以應用到更多的實踐類課程中，拓展實踐環(huán)境，增強課程項目的復雜性與綜合性，為廣大師生提供便捷的課程服務。該教學模式的推廣對于工程實踐類教學課程內(nèi)容的豐富以及實踐類教學的不斷改進將起到重要作用。