◇中國石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心 苗俊田 鹿德臺 劉冬冬 趙博 韓俊騰

當(dāng)前特種加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，特種加工專業(yè)人才缺口較大，高等學(xué)校作為特種加工復(fù)合型人才的培養(yǎng)機構(gòu)面臨很大壓力。針對傳統(tǒng)特種加工實驗教學(xué)中存在的問題，構(gòu)建一種基于VR技術(shù)的特種加工實驗教學(xué)系統(tǒng)研究。融合VR技術(shù)在圖形仿真、三維展示、后期維護及系統(tǒng)兼容性等方面的優(yōu)勢，建立一種理論加實踐、線上加線下的新型特種加工實驗教學(xué)模式，系統(tǒng)平臺軟硬件基于Unity3D設(shè)計完成，并采用模塊化的組合連接方式；在圖形的3D模擬方面，基于UG技術(shù)的網(wǎng)格化管理方式實施特種仿真加工過程的3D建模，提升實驗教學(xué)過程的逼真度。VR技術(shù)在特種加工實驗教學(xué)中改革探索和應(yīng)用創(chuàng)新，會提高特種加工理論教學(xué)與實踐教學(xué)結(jié)合的緊密度，獲得更好的實驗教學(xué)效果。

1 引言

伴隨著制造業(yè)的不斷向前發(fā)展及社會需求的日益增加，對加工難度、加工效率及加工精度，都提出了更全面的要求，這客觀上推進了制造業(yè)生產(chǎn)加工方式的多元化[1]。特種加工突破了原有機械加工的單一方式，而廣泛利用電、光、熱、化學(xué)等能源，多樣化地加工和處理原材料[2-4]，以達到不同的制造目的，滿足不同的加工需求。特種加工是數(shù)字信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展及制造業(yè)高級化的必然產(chǎn)物，計算機科學(xué)技術(shù)、自動化控制技術(shù)及傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，為特種加工奠定的堅實的基礎(chǔ)[5-6]，同時特種加工也促進了制造業(yè)的變革，助力現(xiàn)代制造業(yè)向更高的層次發(fā)展。當(dāng)前特種加工的應(yīng)用范圍在不斷擴大，該領(lǐng)域的專業(yè)人才缺口也較大。高等學(xué)校工業(yè)訓(xùn)練中心是培養(yǎng)特種加工人才主要機構(gòu)之一，特種加工課程教學(xué)的主要目的是，使學(xué)生能夠掌握特種加工方式的基本原理與適用范圍，并熟練應(yīng)用特種加工技能。但特種加工是一門以實驗教學(xué)為主的課程，知識跨度大、交融性強、涉及到的領(lǐng)域較多，需要學(xué)生具備一定思維拓展的能力和知識綜合運用的能力。

在特種實驗教學(xué)過程中，應(yīng)將理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合，注重學(xué)生們的對于特種加工原理的理解，并建立一種更為直觀具體、交互性更強的教學(xué)模式，以提高學(xué)生群體的實踐應(yīng)用能力。而當(dāng)前高等學(xué)校特種加工實驗教學(xué)，在教學(xué)模式選擇、教育資源分配及教學(xué)效果評估等方面都存在一定問題，導(dǎo)致教學(xué)效果無法達到預(yù)期的目的，因此改善特種加工實驗教學(xué)效果，深化教學(xué)模式改革迫在眉睫。VR（虛擬現(xiàn)實）技術(shù)是上世紀末逐漸興起的一項實用技術(shù)[7]，VR集計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和電子信息技術(shù)于一身，通過三維立體仿真與顯示，而給使用者帶來真實的沉浸感[8]。構(gòu)建基于VR技術(shù)的特種加工實驗教學(xué)系統(tǒng)，并將VR技術(shù)應(yīng)用于特種加工實驗教學(xué)當(dāng)中，既能夠解決當(dāng)前高等學(xué)校特種實驗教學(xué)中教學(xué)資金、實驗設(shè)備與實驗器材短缺的現(xiàn)實問題，也能夠更直觀地展示出特種加工技術(shù)的基本原理和使用技巧，提升實驗教學(xué)的效果。

2 特種加工實驗教學(xué)中存在的問題剖析

2.1 課程抽象不易理解

特種加工多采用電子束、激光、離子束、化學(xué)能等方式加工材料，涉及到的學(xué)科與領(lǐng)域多且互有交叉，特種加工原理遠復(fù)雜于傳統(tǒng)機械加工，在加工中會受到多種不同因素的影響和制約，加工風(fēng)險也顯著高于傳統(tǒng)方式。特種加工理論教學(xué)的課程內(nèi)容過于抽象、不易理解，很難激發(fā)出學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此特種加工課程教學(xué)應(yīng)以實驗教學(xué)為主，用具體可視化的實踐操作來鞏固相關(guān)理論知識。而從現(xiàn)有高等學(xué)校特種加工課程所使用的教材來分析，大多數(shù)是從理論的角度入手分析和研究，教材中涉及到實驗教學(xué)的內(nèi)容過少。在學(xué)習(xí)過程中學(xué)生會接觸到各種復(fù)雜的加工原理和抽象的概念，基于二維平面的特種加工教材，難以給學(xué)生帶來特種加工直接和感性的認知，也就無法幫助學(xué)生扎實地掌握特種加工理論知識。

2.2 教學(xué)模式落后教育資源匱乏

從高等學(xué)?，F(xiàn)有的特種加工實驗教學(xué)模式來看，多采用課上理論教學(xué)加實驗教學(xué)的模式，講授內(nèi)容僅涉及到個別特種加工實例的羅列和講解，從總體上說實驗教學(xué)方式不系統(tǒng)、不完善、專業(yè)化的程度較低，也不具備讓每一個使用者親自操作的條件，這種實驗教學(xué)方式是一種單線的教學(xué)模式，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)特種加工實驗教學(xué)模式

在當(dāng)前高等學(xué)校的特種加工實驗教學(xué)中，大都沒有詳盡地制定操作規(guī)程、細化加工步驟、編制安全作業(yè)流程及制作緊急預(yù)案措施，因此理論教學(xué)與實驗教學(xué)脫節(jié)，且實驗教學(xué)并沒有達到鞏固理論教學(xué)的目的，也沒有達到為特種加工培養(yǎng)優(yōu)秀人才的初衷。特種加工實驗教學(xué)的復(fù)雜性和難度遠非傳統(tǒng)加工實驗教學(xué)可比，簡單的單線教學(xué)方式，必定不能獲得良好的實驗教學(xué)效果。從教學(xué)資源的角度來考慮，特種加工實驗室的建設(shè)需要高等學(xué)校投入大量的資金、人力和物力，而資金緊張是大多數(shù)高等學(xué)校面臨的現(xiàn)實問題之一。在實驗室建設(shè)和實驗設(shè)備的選購方面，只能有選擇地購置一部實驗設(shè)備用于特種加工實驗教學(xué)，遠遠不能滿足大規(guī)模教學(xué)的需要，更無法顧及到每一個實驗的參與者。此外，現(xiàn)階段特種加工技術(shù)更新迭代的速度較快，高等學(xué)校財力有限且大批量地購買、更新和淘汰實驗用教學(xué)設(shè)備也不現(xiàn)實，特種加工教學(xué)資源匱乏已成為制約實驗教學(xué)的主要問題之一。

2.3 教學(xué)效果不易評估

高等學(xué)校特種加工實驗課程設(shè)置的目的，是要培養(yǎng)具有較強理論素養(yǎng)和實踐技能的綜合型領(lǐng)域人才，特種加工課程本身的特點及教學(xué)模式落后、教育資源短缺等現(xiàn)實問題，導(dǎo)致了無法對高等學(xué)校特種加工實驗教學(xué)的效果做出科學(xué)、準確的評估。傳統(tǒng)以書本知識為主體的理論考核模式，不能準確地反應(yīng)出真實的教學(xué)效果，也無法檢驗學(xué)生群體對于實踐技能的掌握程度。綜上分析，課程本身的難度、教學(xué)模式不適宜、及缺乏有效的教學(xué)評估措施等三個原因，導(dǎo)致了當(dāng)前高等學(xué)校特種加工實驗教學(xué)陷入困境。

3 VR技術(shù)的特點與優(yōu)勢

VR技術(shù)的產(chǎn)生和成熟標(biāo)志著人類對計算機視覺領(lǐng)域的研究進入了一個更為高級的發(fā)展階段。VR技術(shù)可以從三維立體化的視角分析和理解事物，與二維平面模式相比更為真實、直觀和易于理解，VR可視化技術(shù)還可以給使用者帶來一種身臨其境、沉浸其中、游走于虛擬現(xiàn)實之間的感受。目前3D電影、3D打印等技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于人們的工作、學(xué)習(xí)和生活當(dāng)中，給使用者帶來更為真實的三維體驗?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外已有基于VR技術(shù)的實驗教學(xué)案例，將VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于高等學(xué)校特種加工的實驗教學(xué)之中，具有可視化、便捷化、低投入、低運行成本等多方面的優(yōu)勢。

利用VR技術(shù)對高等學(xué)校特種加工傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式進行改革，目的就是要利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)仿真，而獲得與傳統(tǒng)實驗室相同甚至更好的教學(xué)效果，以更好地協(xié)助使用者掌握特種加工的理論知識與實踐技能。VR技術(shù)在特種加工實驗教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①VR技術(shù)具有十分強大的系統(tǒng)仿真功能，在計算機仿真環(huán)境下VR可以模擬電子束、激光束、離子束、化學(xué)能、熱能等多種特種加工方式，并能夠?qū)崿F(xiàn)在線的參數(shù)調(diào)整與結(jié)果輸出，模擬場景能夠獲得真實條件下的特種加工效果，向?qū)嶒灥膮⑴c者更真實地展示出特種加工的原理，以達到理論與實踐的結(jié)合。在真實的實驗室環(huán)境下是不可能在特定時間段同時操作多種特種加工作業(yè)，可見VR技術(shù)和VR仿真系統(tǒng)具有更強的業(yè)務(wù)拓展功能。②VR技術(shù)在知識的更新效率方面具有更大的優(yōu)勢，基于VR技術(shù)的實驗教學(xué)系統(tǒng)是一個開放式的網(wǎng)絡(luò)平臺，通過互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)與云端的數(shù)據(jù)庫、知識庫相連，并可以定期更新實驗教學(xué)系統(tǒng)的軟硬件和各級程序，保證特種加工實驗教學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)平臺始終能夠應(yīng)用到最新的虛擬特種加工技術(shù)，把最前沿的工藝和技術(shù)通過仿真平臺展現(xiàn)給使用者。由此可見，VR實驗教學(xué)系統(tǒng)具有實物實驗無法具有的知識與技術(shù)更迭效率。③虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)也可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程教學(xué)和在線指導(dǎo)，打破了傳統(tǒng)實驗室教學(xué)在空間理念上的束縛和限制，學(xué)生可以在其他非實驗教學(xué)課時間，通過網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)和交流，并可以通過網(wǎng)絡(luò)獲得教師的在線教學(xué)和指導(dǎo)。④基于VR技術(shù)的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)和仿真平臺，在先期構(gòu)建投入和后期運營維護成本方面更具優(yōu)勢。由于特種加工實驗教學(xué)大部分是在虛擬仿真的環(huán)境下完成的，后期的維護主要是軟件系統(tǒng)的更新與升級，成本相對于傳統(tǒng)實驗室硬件投入要低得多。

4 基于VR技術(shù)的實驗教學(xué)改革

針對傳統(tǒng)特種加工實驗教學(xué)中教學(xué)模式落后、拓展性差、教學(xué)效果無法得到有效評估等弊端，本文基于VR技術(shù)對傳統(tǒng)特種加工實驗教學(xué)進行多方面的改革與探索，重點應(yīng)用VR技術(shù)構(gòu)建一種新型虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)和仿真實驗平臺，并逐步形成一種理論+實踐、線下+線上相融合的新型雙線特種加工實驗教學(xué)模式，具體模式如圖2所示。

圖2 基于VR技術(shù)的雙線教學(xué)模式

VR技術(shù)在特種加工實驗教學(xué)過程中的運用，一方面應(yīng)用虛擬現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)，完善了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的方式，也提高了實驗教學(xué)效率和效果；另一方法應(yīng)用VR技術(shù)也將特種加工實驗教學(xué)從線下教學(xué)轉(zhuǎn)變成為了線上與線下相結(jié)合的教學(xué)方式，更為靈活、更為高效。本文分別從實驗教學(xué)系統(tǒng)總體框架設(shè)計、仿真平臺及模塊設(shè)計、軟件及關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計等幾個方面予以系統(tǒng)闡述實驗教學(xué)改革的內(nèi)容。

4.1 VR實驗教學(xué)系統(tǒng)框架革新

基于VR技術(shù)的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，將現(xiàn)實中的實驗教學(xué)與VR技術(shù)下的虛擬教學(xué)相融合，并將線下的傳統(tǒng)課堂教學(xué)與云課堂教學(xué)結(jié)合起來，多渠道、多路徑實施特征加工實驗教學(xué)，這種虛實結(jié)合的實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計理念框架，如圖3所示。

圖3 V R特種加工教學(xué)系統(tǒng)總體框架

VR特種加工教學(xué)系統(tǒng)總體上基于Unity3D設(shè)計完成，為更加立體化、多功能地展現(xiàn)出特種加工實驗仿真過程，首先建立3D虛擬加工環(huán)境和系統(tǒng)仿真平臺，以模擬特種加工過程的各個模塊和加工工具的運動過程模型，再根據(jù)設(shè)計好的數(shù)學(xué)模型，對特種加工過程中發(fā)生的各種機械、物理和化學(xué)變化進行模擬仿真，在系統(tǒng)操作的過程中利用平臺的輸入端，還能夠仿真參數(shù)設(shè)置的過程，虛擬實驗教學(xué)的過程與真實的特種加工實驗教學(xué)相近。

4.2 教學(xué)仿真平臺的創(chuàng)新設(shè)計與探索

Unity3D提供了多種功能強大的模型動態(tài)虛擬仿真方法，特種加工實驗教學(xué)平臺改革與探索也基于Unity3D軟件設(shè)計完成。仿真平臺的功能豐富，具有三維動畫展示、聲音模擬、過程回放、慢動作操作、及各種人機交互的功能，通過軟件設(shè)置能夠滿足不同種類特種加工的要求。

圖4 VR特種加工實驗教學(xué)仿真平臺設(shè)計

除此之外Unity3D還具有良好的兼容性，在特種加工實驗教學(xué)平臺上還可以運行AUTO CAD、CAXA、3D MAX等其他主流工程設(shè)計軟件，以實現(xiàn)教學(xué)軟件在功能上的互補，VR實驗教學(xué)仿真平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，如上圖所示。

基于VR技術(shù)的實驗教學(xué)平臺構(gòu)成包括Unity3D基礎(chǔ)框架、功能模塊拓展和文件配置模塊，其中基于Unity3D的平臺基礎(chǔ)框架提供了底層代碼編譯、文件預(yù)置等基礎(chǔ)性的功能，仿真教學(xué)平臺將原有Unity3D API中的各種基礎(chǔ)性仿真功能都融入其中。VR特種加工實驗教學(xué)平臺采用了模塊化的設(shè)計方式，通過語義識別出用戶在輸入端的需求，實現(xiàn)對各類特種加工過程的虛擬仿真輸出。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺也采用了高兼容性平臺接口，保證在三維圖像立體化輸出中的真實性和平順性，Unity3D軟件在底層語言基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計、程序的編輯和調(diào)用方面靈活、高效，輸入輸入文件的系統(tǒng)配置功能完善，可以實現(xiàn)一些更高級、功能更為復(fù)雜的組合效果。

在平臺仿真功能實現(xiàn)方面，由于采用了模塊化的設(shè)計方式，平臺操作者通過鼠標(biāo)拖拽、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換或索引調(diào)用等方式，可以直接使用各種功能模塊搭建不同類別的特種加工場景。虛擬仿真平臺的功能模塊均采用分類放置的方式以方便隨時調(diào)用與參數(shù)更新，也便于后續(xù)系統(tǒng)的維護和功能選項的增加。平臺下屬的各功能模塊相對獨立，且可以通過底層代碼的更新獨立地實現(xiàn)參數(shù)的更新與功能程序的修正，調(diào)整特種加工中各虛擬零部件的行進速度、角度、方向及時長。平臺各功能模塊的組合與調(diào)用按照平臺既定邏輯規(guī)則進行，并形成一個系統(tǒng)化仿真功能庫，其中每一個功能模塊都被賦予一種面向?qū)ο蟮腎D索引。當(dāng)選擇不同類別的特種加工項目時，只需調(diào)用與其相關(guān)的索引ID，就能夠從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相關(guān)的數(shù)據(jù)，顯著提高了教學(xué)效率。

4.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與通信連接的實現(xiàn)

在基于VR技術(shù)的特種加工實驗教學(xué)系統(tǒng)中，采用了UG幾何混合建模技術(shù)實現(xiàn)對特種加工。UG技術(shù)的場景逼真度高、兼容性強、交互性更好，其還提供了3D網(wǎng)格化的系統(tǒng)模型優(yōu)化功能，結(jié)合模型的頂點數(shù)據(jù)、三角面數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的空間存儲功能，不斷地調(diào)整和優(yōu)化模型的三維虛擬演示功能。此外系統(tǒng)模型采用多邊可編輯指令，簡化模型的復(fù)雜度并以紋理映射展現(xiàn)出模型的細節(jié)特征，提高在特種加工虛擬展示中的逼真度。在光源設(shè)定和三維圖像的紋理展示中，系統(tǒng)模型還應(yīng)用了區(qū)域光源和聚焦光源等工具，多角度地渲染出特種加工場景，Unity3D建模在圖像紋理設(shè)計和構(gòu)建方法也能提供更為真實的效果，使軟件系統(tǒng)的使用在實驗室中能夠獲得更為真實的教學(xué)體驗。

基于VR技術(shù)的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，利用局域以太網(wǎng)實現(xiàn)教學(xué)用數(shù)據(jù)的傳輸與存儲，為保證系統(tǒng)的安全性，使用者進入虛擬仿真系統(tǒng)后要經(jīng)過管理員的授權(quán)，或通過動態(tài)通信密鑰完成身份的驗證。用戶通過本地瀏覽器調(diào)用程序，輸入登錄信息和密碼進入系統(tǒng)。建模完成后用戶可以將模型存儲與本地數(shù)據(jù)庫，如果文件較大也可在云端存儲，方便后續(xù)的對文件的調(diào)用、修改和完善。

5 VR技術(shù)在實驗教學(xué)中的作用體現(xiàn)

針對傳統(tǒng)以真實實驗教學(xué)為主的特種加工實驗?zāi)Ｊ降娜秉c和弊端，利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真的特種加工實驗教學(xué)系統(tǒng)，VR系統(tǒng)在實驗教學(xué)中的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）基于VR技術(shù)的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)使門類多、復(fù)雜度較高的實驗過程空間展現(xiàn)成為可能。特種加工工藝本身的復(fù)雜度和難度均較高，由于受制于實驗室空間、設(shè)備購置成本、及技術(shù)的更新迭代效率等問題，特種加工實驗室教學(xué)一直是高等學(xué)校教學(xué)的重點和難點問題之一，實驗教學(xué)效果也無法得到有效的保證。而利用計算機虛擬仿真技術(shù)，在計算機網(wǎng)絡(luò)平臺下可以搭建一種模擬真實場景的實驗教學(xué)環(huán)境，通過計算機三維立體圖像的展示，達到特種加工實驗教學(xué)的目的。VR虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)還可以實現(xiàn)線上教學(xué)與線下教學(xué)的融合，用戶通過網(wǎng)絡(luò)授權(quán)能夠在實驗課程之外的時間，進入系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)，促進特種加工理論教學(xué)與實驗教學(xué)更好地結(jié)合。以特種加工中的激光切割為例，基于VR技術(shù)的虛擬仿真實驗教學(xué)過程，如圖5所示。

圖5 特種加工虛擬仿真環(huán)境與工作仿真

（2）VR特種加工實驗教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建成本、運營成本和后期的維護成本均較低，隨著特種加工日趨復(fù)雜，這對于高等學(xué)校特種加工實驗教學(xué)意義重大。當(dāng)VR系統(tǒng)硬件部分構(gòu)建完成后，后期僅需對軟件部分做常規(guī)升級，無需過大的投入。VR特種加工實驗教學(xué)系統(tǒng)資源與云端連接，知識更新的效率更高。

（3）基于VR虛擬仿真技術(shù)打造特種加工實驗教學(xué)平臺，將更有助提高高等學(xué)校特種加工課程的實驗教學(xué)水平。在基于VR技術(shù)實驗教學(xué)系統(tǒng)中，理論教學(xué)與實踐教學(xué)結(jié)合得更為緊密，特種加工理論教學(xué)的效果能夠得到保證。傳統(tǒng)實驗教學(xué)中由于受到實驗教學(xué)模式和實驗資源的限制，教學(xué)效果不易評估，而在VR實驗教學(xué)系統(tǒng)中每一個實驗參與者都有更多的時間操作機會，對于實驗教學(xué)而言更能夠量化考核使用者對于特種加工理論知識與實踐應(yīng)用的掌握程度。

6 結(jié)束語

隨著計算機軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展與VR技術(shù)的不斷成熟，將VR技術(shù)應(yīng)用于高等學(xué)校教學(xué)領(lǐng)域，必將成為一種發(fā)展趨勢。而針對特種加工實驗的教學(xué)特點，利用VR技術(shù)對原有傳統(tǒng)的教學(xué)模式實施改革，可以使實驗教學(xué)與理論教學(xué)效果得到本質(zhì)的提升，特種加工實驗教學(xué)方法的革新，將更有助于培養(yǎng)學(xué)生的理論知識學(xué)習(xí)能力、實踐操作能力和自主學(xué)習(xí)能力，以興趣為導(dǎo)向、以VR技術(shù)為工具，才能夠達到特種加工實踐教學(xué)的最終目的。