陳杰新 ，魏 安 ，陳海濱 ，張 杰 ，李伯棠

（廣州航海學院實驗中心，廣東 廣州 510700）

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術是一門綜合多媒體技術、計算機視覺、計算機圖形學、網(wǎng)絡技術、機械工程、人機交互技術以及人工智能技術等綜合研究領域的新興交叉學科，它的應用范圍越來越廣。虛擬現(xiàn)實技術三大特征包括想象性、交互性和沉浸感，其中沉浸感是最為主要的特征[1]。虛擬現(xiàn)實技術可以利用計算機技術營造一種逼真的模擬環(huán)境，借助傳感頭盔、數(shù)據(jù)手套等專業(yè)設備，可以讓人通過觸覺、聽覺和視覺等行為感知體會到逼真的沉浸感，如同身臨其境[2-3]。目前，虛擬現(xiàn)實技術越來越多地應用在高校實驗實訓教學當中。

當前，國外許多科研機構和科技公司對虛擬機床仿真技術開展了大量研究和實驗。比如日本Sony公司FREDAM的系統(tǒng)[4]，能夠對球頭銑刀加工自由曲面進行三維仿真。Winkes P A等[5]提供了一種用于裝配過程的故障檢測的虛擬現(xiàn)實的裝配規(guī)劃流程。Harun G?K?E[6]為數(shù)控車床的3D仿真軟件開發(fā)了對象建模和交互算法?；?D多邊形的建模用于對工件和切削工具進行建模。在旋轉掃掠二維工件模型的同時，對二維刀具的幾何形狀進行線性掃掠，得到3D圖像。國內起步較晚，很多高校及研究機構在虛擬金工設備也做了大量的研究，其中蔡寶等[7]提出了在 Unity3D下車床加工的仿真方法，開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實設備 zSpace 虛擬現(xiàn)實車床仿真系統(tǒng)，楊洋等[8]利用UG軟件建模，采用Unity 3D 開發(fā)引擎，開發(fā)了車床主軸箱虛擬拆裝系統(tǒng)，讓學生先按照車床

主軸箱正確的拆裝工藝進行模擬拆裝。林忠等[9]研究了基于圓臺離散的工件建模方法和實時仿真顯示技術，并使用OpenGL和VC++編程實現(xiàn)了數(shù)控車床的虛擬加工仿真過程。丁爽等[10]融合現(xiàn)代數(shù)學工具MATLAB、工程CAD/CAM軟件UG以及仿真軟件VERICUT設計并實踐基于實際制造過程的五軸數(shù)控機床虛擬加工實驗。楊勇[11]結合HTC VIVE虛擬設備，成功設計了一套全新的虛擬數(shù)控仿真系統(tǒng)，對該仿真系統(tǒng)的切削效率和仿真環(huán)境的真實感方面進行改進，極大地提高了交互效率。

1 虛擬現(xiàn)實技術在“金工實訓”教學中的意義

現(xiàn)代社會的發(fā)展要求高校不僅需要培養(yǎng)的專業(yè)技能人才，還需要培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新思維和實踐能力強的創(chuàng)新型人才。目前我國工程技術人員的專業(yè)基礎知識和基本理論比較扎實，但創(chuàng)新精神和綜合創(chuàng)新素質不高，原創(chuàng)創(chuàng)新成果少，工程技術上的模仿性創(chuàng)新也不夠，擁有知識產(chǎn)權核心技術的產(chǎn)品數(shù)量和發(fā)達國家相比差距較大?！敖鸸嵱枴笔菓眯透咝嶒灲虒W的重要一環(huán)。傳統(tǒng)的“金工實訓”課程教學存在資源利用率低、教學方式落后等問題，通過“金工實訓”課程改革，在課程中融入虛擬現(xiàn)實技術，可提高實訓教學質量，增強學生對課程的興趣，培養(yǎng)更多社會需求的技術型人才。

2 “金工實訓”教學中存在的問題

2.1 先進教學設備資源缺乏，資源利用率較低[12]

隨著社會發(fā)展，先進制造等智能制造實訓課程越來越多地出現(xiàn)在“金工實訓”當中。實訓基地投資較高，很多先進制造設備價格昂貴，需求量大，導致很多高等職業(yè)院校難以建設。此外，部分精密設備儀器設備稍有操作不當很容易出現(xiàn)刀具與工作臺發(fā)生碰撞導致刀具斷裂以及設備損壞等情況，要求操作者有較高熟練水平，如五軸數(shù)控加工中心。很多新手在沒有熟悉設備操作的情況下，不能親自動手操作。這些資源利用率受限無疑讓學生實訓能力不能得到很好的提升，也不利于師生之間交流。

2.2 傳統(tǒng)教學原理較為抽象，學生難以理解

傳統(tǒng)的多媒體基礎原理教學內容大多較枯燥，概念抽象且難以理解，不能充分調動學生在課堂中的積極性，無法形成良好的師生互動機制。學生在學習過程中對知識的缺乏理解，導致實訓教學質量不高。例如在機加工的工藝過程中，雖然一些復雜零件圖只有二維圖紙，但需要有較強的三維空間想象能力，而一些學生對機械零件的空間想象不足，不能很好地在二維和三維之間進行轉換。此外，一些學生對某些實習工種缺乏知識儲備，也是原因之一。

2.3 具有一定危險性，消耗大量材料

每年“金工實訓”課程中，由于學生數(shù)量多，實習的工種多，需要消耗大量的金屬材料。并且在機加工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)清除鐵屑無專用工具，操作者未戴護目鏡，發(fā)生刺割事故及崩傷眼球，或者防護保險裝置、防護欄、保護蓋不全或維修不及時，造成人身傷害，或者由于操作不當損壞機器設備等[13]。

3 虛擬現(xiàn)實技術在“金工實訓”教學中應用優(yōu)勢

與國外的一些發(fā)達國家相比，我國的虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展相對較晚，正因如此，國內一些科研機構及重點高校，在虛擬現(xiàn)實技術領域作了大量的研究，尤其是將VR技術應用到“金工實訓”教育相關領域。VR技術在“金工實訓”教學中的應用在一些場地受限、高端設備較少的高校當中有著明顯的優(yōu)點。

3.1 節(jié)約成本，不受時間、場所及設備限制

在傳統(tǒng)上的“金工實訓”教學中，部分高校由于高端設備昂貴、設備數(shù)量受限以及實訓材料消耗較大，學生大部分時間都在學習理論知識，或者觀摩指導老師操作設備，親自動手操作的時間和機會較少，導致學生在掌握理論知識后不能及時操作訓練，影響其實操能力的提升。相對傳統(tǒng)的實訓模式，通過計算機模擬出來的虛擬實訓情景，學生可以隨時隨地不受限制地在虛擬環(huán)境中進行重復操作，大大增加了實訓時間和機會，從而提高實訓效果。此外，虛擬仿真加工系統(tǒng)引入，一定程度上節(jié)約了購買高端設備和新建實訓場所的成本[14]。

3.2 增強立體感，提高學生對課程的興趣

相對傳統(tǒng)教學，虛擬現(xiàn)實技術優(yōu)勢明顯，利用其沉浸式特點可以營造一個逼真的3D學習環(huán)境，使得學生操作如身臨其境，有利于師生互動，極大提高學習的積極性。借助虛擬現(xiàn)實技術，可以很好地開展探究性教學工作，在教師引導、組織和服務教學過程的基礎上，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，讓學生真正成為課堂教學活動的主導者和參與者。在虛擬環(huán)境中，通過構建高逼真度的虛擬模型，學生可以隨意通過人機交互的方式以局部、旋轉等視角觀察機件運轉全過程，還能拆解和裝配虛擬機器設備各個部件，尤其對一些復雜結構的部件反復剖析研究，加深了解機器設備工作原理，提高了學生對課程的興趣從而大大提高實訓的效果。

3.3 有利于培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維

在“金工實訓”當中，一些項目由教師示范，學生觀摩學習，缺乏親自動手過程，學生被動接受知識，學生的創(chuàng)造性思維得不到很好的提高。虛擬現(xiàn)實技術運用在“金工實訓”中，其想象性的特征能突破傳統(tǒng)培訓的教學思維。在虛擬空間中，可以突破環(huán)境的束縛，拓寬認知范圍，結合書本的理論知識操作虛擬模型，還能根據(jù)所學習吸收的知識，發(fā)散拓寬思維，對實訓項目進行升級改造，提高實訓效果。

3.4 真實模擬高端設備操作，降低實操可能出現(xiàn)的風險

針對一些初學者，對高端設備了解較少，對如五軸數(shù)控加工中心等操作不熟練。經(jīng)常因為對編程代碼不熟練，或者對機器設備缺乏操作經(jīng)驗，引起刀具磨損、機床損壞的風險，嚴重時甚至造成人身生命安全問題。虛擬仿真系統(tǒng)可以有效解決這個難題，初學者可以事先把編好的加工程序在虛擬系統(tǒng)中運行，通過數(shù)據(jù)手套和傳感頭盔模擬操作真實的實訓情景，經(jīng)過反復操作訓練確認無誤后，再到真實設備中進行操作，提高初學者實操水平，大大降低了操作風險。

4 結語

隨著社會的發(fā)展和科技的不斷進步，作為一項新興技術，虛擬現(xiàn)實技術將越來越成 熟，應用范圍將越來越廣，它能夠突破時間和空間限制，讓學生隨時隨地獲得沉浸式的體驗與更直觀的感受。合理利用并融合到“金工實訓”教學當中，它能彌補傳統(tǒng)教學中存在的一些不足，加強資源優(yōu)化共享，提高“金工實訓”訓練效果。在未來的“金工實訓”教學當中，應突破傳統(tǒng)教學思維，合理利用虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢，優(yōu)化和改革“金工實訓”教學模式，培養(yǎng)更多應用型創(chuàng)新型人才。