張科強，池雄飛

（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

近年來,隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展,虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校實訓(xùn)教學(xué)、科學(xué)研究、生產(chǎn)設(shè)計及安全培訓(xùn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 在高職院校中,供配電、汽修裝配等專業(yè)課程教學(xué)存在購置成本高、危險系數(shù)大、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、更新較快的問題,嚴重制約了這些專業(yè)的實踐教學(xué)效果,而虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以較好地解決這些難題,學(xué)生們可以在虛擬平臺上“身臨其境”的完成各類技能訓(xùn)練,提高實踐教學(xué)質(zhì)量。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高職實踐教學(xué)中應(yīng)用的必要性

在中高職學(xué)校的實踐性較強的課程教學(xué)中,受各種條件限制,學(xué)生只能接受靜態(tài)教學(xué),缺少實踐的臨場性,缺少實踐的互動性,如供配電實踐教學(xué)等。 主要原因是實踐教學(xué)所需的設(shè)備成本高,設(shè)備數(shù)量、設(shè)備放置場地不能滿足教學(xué)的要求,在電力設(shè)備運行時,電壓、電流較高,實踐操作可能會威脅到學(xué)生的人身安全。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立虛擬教學(xué)平臺可以較好地解決以上的問題。 學(xué)生在虛擬教學(xué)平臺上佩戴交互設(shè)備,可以在模擬的現(xiàn)實場景中,對設(shè)備的結(jié)構(gòu)和運行原理進行感知認識,提高學(xué)習(xí)的興趣。 將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到實踐教學(xué)中有著以下優(yōu)點［1］。

1.1 降低教學(xué)成本

虛擬現(xiàn)實教學(xué)平臺的教學(xué)運行成本比現(xiàn)實實踐設(shè)備的運行維護成本低。 以供配電實訓(xùn)室為例,一般配置2 臺高壓斷路器電柜,在做拆裝實訓(xùn)時,學(xué)生只能分組操作,如果一組有3 個學(xué)生,只夠6 個學(xué)生練習(xí),而實際教學(xué)班級人數(shù)至少在15 人以上,實際電氣設(shè)備滿足不了實訓(xùn)要求。 另外,由于斷路器設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,學(xué)生在拆裝實訓(xùn)時,容易造成設(shè)備損壞,導(dǎo)致后面的學(xué)生無法進行實訓(xùn)。 通過將虛擬現(xiàn)實教學(xué)軟件安裝在PC 機上,讓所有學(xué)生進行一對一的實踐操作,不僅可以提高學(xué)生實踐操作的感知和拆裝效率,而且不存在設(shè)備損壞的現(xiàn)象。

1.2 提高教學(xué)安全性

在實踐操作實訓(xùn)中,老師和學(xué)生經(jīng)常面臨人身安全問題。 比如10 kV 供配電操作,由于電壓比較高,學(xué)生如果不按照操作規(guī)程來操作,很有可能會發(fā)生觸電事故。 有些設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大,容易發(fā)生磕碰事故。 而虛擬現(xiàn)實教學(xué)軟件可以保證學(xué)生在“身臨其境”操作的同時避免出現(xiàn)安全事故。 因此,虛擬現(xiàn)實教學(xué)既可以保證學(xué)生完成實踐操作,又可以保障學(xué)生的人身安全。

1.3 提高實訓(xùn)升級改造能力

隨著國家制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級,生產(chǎn)設(shè)備也在進行升級,且升級時間間隔將越來越短,為了與實際崗位操作設(shè)備保持一致,實驗實訓(xùn)設(shè)備必須進行更換,而大部分學(xué)校由于費用等原因無法及時更換,導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)與實際操作要求相脫節(jié)。 而虛擬現(xiàn)實教學(xué)平臺可以做到實時設(shè)備更新,且成本相對較低。 因此,虛擬現(xiàn)實教學(xué)不僅可以提高教學(xué)與實際崗位操作的契合度,還能提高實訓(xùn)室升級改造的能力。

1.4 豐富教學(xué)模式

豐富教學(xué)模式是提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑之一。學(xué)生在虛擬現(xiàn)實教學(xué)平臺實訓(xùn)操作時,不會有人身安全和損壞設(shè)備的問題,可以提前在虛擬現(xiàn)實平臺上預(yù)習(xí)演練新課的內(nèi)容,發(fā)現(xiàn)自己存在的問題。 老師主要在課堂上解決學(xué)生的提問,這種授課模式就是“反轉(zhuǎn)課堂”,可以有效提高學(xué)生聽課質(zhì)量。 虛擬現(xiàn)實教學(xué)平臺不受時間、地點的限制,對頂崗實習(xí)學(xué)生和企業(yè)學(xué)生可以采用遠程線上教學(xué),學(xué)生一邊聽課一邊在虛擬現(xiàn)實平臺上操作,極大地降低了學(xué)校授課成本。

2 虛擬現(xiàn)實案例開發(fā)總體設(shè)計

本文以高壓開關(guān)柜的高壓斷路器操作實訓(xùn)為例,陳述虛擬現(xiàn)實高壓斷路器操作實訓(xùn)案例的開發(fā)流程。開發(fā)分為軟件和硬件兩部分,軟件主要包括用3DMAX等軟件開發(fā)設(shè)備模型,用Unreal Engine 軟件開發(fā)虛擬場景、互動操作等功能。 硬件包括頭盔顯示器、圖形工作站、大型顯示器等,硬件系統(tǒng)直接選型選用使操作者體會到虛擬現(xiàn)實體驗的效果。 通過軟件開發(fā)和佩戴硬件完成一個交互性強、沉浸感體驗好的教學(xué)案例。

為了使學(xué)生全面掌握高壓開關(guān)柜的高壓斷路器的主要結(jié)構(gòu)和操作規(guī)程,本案例的功能結(jié)構(gòu)分為結(jié)構(gòu)演示模塊、結(jié)構(gòu)拆裝模塊和手動模擬操作模塊。 學(xué)生可以在3 個模塊之間任意切換,自由選擇學(xué)習(xí)。 結(jié)構(gòu)演示模塊通過爆炸圖或語音完成高壓斷路器的主要結(jié)構(gòu)及功能的講解。 結(jié)構(gòu)拆裝模塊通過對設(shè)備有序的分解和組合展示高壓斷路器拆裝流程。 手動模擬操作模塊是教學(xué)案例的核心功能模塊,學(xué)生沉浸在與實際工作相近的場景中,模擬體驗設(shè)備操作,并能無限次的模擬操作,極大地提高了學(xué)生操作的感知體驗感,有效提高了學(xué)生的實際操作能力。

3 虛擬現(xiàn)實案例開發(fā)流程

系統(tǒng)開發(fā)流程可以分為以下階段: 建立優(yōu)化模型、場景搭建和模型渲染階段、設(shè)備結(jié)構(gòu)展示、拆裝和手動模擬操作等交互性功能開發(fā)階段。

3.1 建立優(yōu)化模型

建立優(yōu)化模型,主要工作是建立設(shè)備模型和對設(shè)備模型的處理。 三維建模軟件有Pro/E,UG,Maya 等,這些軟件建立的模型,很多時候內(nèi)存較大,如果直接導(dǎo)入UE 軟件中,會導(dǎo)致虛擬現(xiàn)實案例運行出現(xiàn)卡頓、丟幀等現(xiàn)象,影響學(xué)生操作的體驗感。 所以模型不能直接導(dǎo)入UE 軟件中,在導(dǎo)入之前,需要用3DMAX 軟件對模型進行一些處理［2］。

(1) 優(yōu)化模型。 原始設(shè)備模型一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜,面數(shù)、線數(shù)多。 在虛擬現(xiàn)實案例運行時,會影響處理器的速度,出現(xiàn)卡頓、掉幀等問題,影響學(xué)生操作的體驗感,所以原始設(shè)備模型要在不影響設(shè)備功能和結(jié)構(gòu)的前提下進行減面、減線處理,縮小模型的容量。

(2) 模型UV 展開。 當(dāng)設(shè)備表面的紋理和圖案比較復(fù)雜時,需要對模型進行UV 展開,將一個三維模型展開成一張二維平面,將一張貼圖放置在二維平上,通過調(diào)整二維平在貼圖上的位置,展示設(shè)備表面的紋理和圖案,從而提升設(shè)備外形或場景的逼真度。 將處理好的模型以FBX 格式文件導(dǎo)入UE 軟件。

3.2 場景搭建和模型渲染

(1) 場景搭建。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中最大的優(yōu)勢是讓學(xué)生在虛擬的場景中完成教學(xué)。 所以虛擬現(xiàn)實案例需要模擬出一個高壓開關(guān)柜的高壓斷路器操作的虛擬場景,與真實的高壓開關(guān)柜的高壓斷路器所處的配電室場景比較接近,這樣學(xué)生在操作時,能夠感覺自己在真實的配電室操作,使學(xué)生獲得更好的感知體驗。

(2) 光照設(shè)置。 UE 軟件的光照設(shè)置會極大影響虛擬現(xiàn)實場景的虛擬體驗效果。 對于供配電室的虛擬場景,使用直射的人造燈作為光源,使供配電室的采光效果優(yōu)于其他位置,更好的模擬出真實的供配電室的光影效果。

(3) 材質(zhì)包制作。 模型材質(zhì)會影響設(shè)備外形材質(zhì)的真實感,會影響設(shè)備或構(gòu)件的虛擬的體驗效果。 為了提升學(xué)生實訓(xùn)對設(shè)備的操作或視覺體驗效果,可以從實際設(shè)備上提取材質(zhì)貼圖或自己制作材質(zhì)［3］。

3.3 人機交互功能的開發(fā)

3.3.1 虛擬現(xiàn)實人機交互設(shè)計思路

虛擬現(xiàn)實人機交互設(shè)計的核心是將操作者虛擬到虛擬場景中,將操作者的動作在虛擬場景中表現(xiàn)出來,并且讓操作者體驗到操作的效果［4］。

虛擬交互設(shè)計。 定義操作體驗者的虛擬化身,同時將硬件的虛擬頭盔和虛擬手柄綁定后,虛擬化身集成操作體驗者所使用的頭盔、手柄具有的“上下、左右、前后”的移動和轉(zhuǎn)動；操作體驗者利用虛擬現(xiàn)實手柄向虛擬現(xiàn)實環(huán)境發(fā)送操作指令,使虛擬場景按指令發(fā)生變化。 虛擬化身將虛擬場景變化實時傳輸給體驗者,從而實現(xiàn)操作體驗者與虛擬現(xiàn)實環(huán)境的交互。

操作體驗者的虛擬漫游功能設(shè)計。 虛擬現(xiàn)實體驗者在虛擬環(huán)境中上下、左右、前后移動,這種位置改變定義為虛擬漫游。 在虛擬現(xiàn)實場景中,虛擬漫游有平動和瞬間跳躍兩種。 平動功能以虛擬化身的視角正前方為基準,從前后、上下、左右6 個方向進行平移。 本漫游方式最大的特點是體驗者可以移動到虛擬場景中的任何位置,所以具有很好的移動能力,但缺點是使操作體驗者有不舒服的感覺,比如有的體驗者會感到“頭暈”。 虛擬漫游的另一種移動是瞬間跳躍,這是最常見的人物運動方式之一,它最大的優(yōu)點是跳躍前后,人物瞬間的位置發(fā)生變化,這種位置的移動方式能夠有效避免平動漫游使體驗者感覺不舒服的問題。 在虛擬現(xiàn)實設(shè)計系統(tǒng)時,根據(jù)不同的情況,將兩種漫游功能配合使用,以便體驗者獲得最佳體驗感。

3.3.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)展示功能設(shè)計

在虛擬現(xiàn)實場景中通過爆炸圖來展示設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)。 爆炸圖根據(jù)結(jié)構(gòu)順序依次爆炸展示,可以結(jié)合文字或語音講解,使實訓(xùn)操作者詳細了解設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)和運行原理。 實訓(xùn)操作者也可以通過漫游移動方式到設(shè)備前仔細觀察或直接進入設(shè)備內(nèi)部更詳細地了解設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)。

3.3.3 設(shè)備拆裝功能設(shè)計

在裝配設(shè)備時,實訓(xùn)操作者通過手柄指向要裝配的部件,部件成亮度狀態(tài),實訓(xùn)操作者按住手柄扳機選中部件,并按裝配的方向?qū)Σ考M行移動,直到部件到達裝配位置,松開手柄扳機,完成一次裝配。 實訓(xùn)操作者按照裝配手冊依次組裝部件。 在以上裝配過程中部件以自由移動模式裝配。 在裝配訓(xùn)練時,若部件裝配的要求是按軸線裝配,就要沿坐標軸移動模式進行裝配。 沿坐標軸移動模式裝配:手柄射線指向要移動的部件時,按下手柄上規(guī)定的按鍵后再按下手柄扳機,這時在部件中心位置會顯示自身直角坐標軸,此時,該部件不再進行自由移動,將手柄射線指向某一坐標軸方向,按下手柄扳機對部件進行拖拉,部件將沿指定的坐標軸移動。 沿坐標軸移動模式是模擬吊車、起重機等設(shè)備的工業(yè)裝配的操作。

3.3.4 手動模擬操作設(shè)計

為了模擬設(shè)備的裝配或操作順序,設(shè)計設(shè)置了設(shè)備各部件的裝配順序或設(shè)備操作順序,實訓(xùn)操作者必須按照裝配或操作順序來操作,如果操作有誤,會出現(xiàn)文字或語音等提示。 實訓(xùn)操作者通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以無限制的模擬訓(xùn)練裝配或操作技術(shù),極大地提高了實訓(xùn)操作的安全性和有效性。

4 結(jié)語

本文講述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高職實踐教學(xué)中應(yīng)用的必要性。 對虛擬現(xiàn)實案例的開發(fā)總體設(shè)計和案例實際開發(fā)過程,特別是設(shè)備結(jié)構(gòu)展示、拆裝、手動模擬操作等設(shè)計進行詳細論述。

通過虛擬現(xiàn)實案例可以使操作者實訓(xùn)操作的安全性和學(xué)習(xí)效率得到很大的提高。