何丹青

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在形式單一、時(shí)間空間受限、維運(yùn)成本高、缺乏情景感等缺點(diǎn)，本文提出了一種基于Unity的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，并以機(jī)械設(shè)計(jì)課程中的減速器教學(xué)單元為例，闡述平臺(tái)的開發(fā)技術(shù)體系和應(yīng)用于課堂教學(xué)的解決方案。經(jīng)測(cè)試，該平臺(tái)能顯著提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，具有良好的交互性、沉浸性，能夠較好地提升了課堂教學(xué)的實(shí)效性。

關(guān)鍵詞：Unity；虛擬現(xiàn)實(shí)；教學(xué)應(yīng)用；減速器；交互仿真

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）16-0036-02

信息技術(shù)與教育全過(guò)程的深度融合是教育教學(xué)改革的重要內(nèi)容，也是實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化的必由之路。必須高度重視信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展的革命性影響，構(gòu)建教育信息化體系，推動(dòng)教育思想和理念的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)教育內(nèi)容、教學(xué)手段和方法現(xiàn)代化，更好地支撐教育改革和發(fā)展。傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在許多不足之處：受限于設(shè)備、時(shí)間、場(chǎng)地等實(shí)訓(xùn)條件，不能開展重復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)；由于經(jīng)費(fèi)等原因，實(shí)驗(yàn)耗材、器件、模型等教學(xué)硬件資源不能支持全覆蓋教學(xué)內(nèi)容，其維護(hù)、更新、升級(jí)成本很高；機(jī)電一體化、自動(dòng)化等專業(yè)的一些實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目存在一定安全隱患，實(shí)訓(xùn)危險(xiǎn)系數(shù)較高；現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)模式單一，沉浸性、交互性、感知性差，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)時(shí)缺乏主動(dòng)性。虛擬仿真技術(shù)是近年信息技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一類試驗(yàn)研究的心技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)是虛擬仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向，它是一種先進(jìn)的人計(jì)算機(jī)接口技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)生成一種三維的、基于感知信息的模擬環(huán)境，并使用戶“進(jìn)入”到該環(huán)境中進(jìn)行行為控制，從而實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境的交互。VR技術(shù)最大特點(diǎn)就是用戶可以自然的與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行交互操作，可以實(shí)現(xiàn)人“身臨其境”的效果，有很強(qiáng)的沉浸感。VR技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)模擬手術(shù)、產(chǎn)品的模擬裝配、儀器設(shè)備的模擬使用等領(lǐng)域，并在近幾年逐步應(yīng)用于教育領(lǐng)域。

1 平臺(tái)簡(jiǎn)介和解決方案

VR技術(shù)具有3I特性，即交互特性（Interaction）、沉浸特性（Immersion）和想象特性（Imagination）。它的應(yīng)用研究包含了三維建模、人機(jī)交互、實(shí)驗(yàn)對(duì)象的虛擬仿真、圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)等方面內(nèi)容。本文通過(guò)Unity引擎實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的交互，并以機(jī)械設(shè)計(jì)課程的減速器單元為例，對(duì)基于Unity的虛擬仿真平臺(tái)的開發(fā)技術(shù)體系和流程做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1.1 Unity簡(jiǎn)介

Unity是一個(gè)用于創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的專業(yè)跨平臺(tái)開發(fā)引擎。

Unity的開發(fā)技術(shù)體系主要包含3D建模技術(shù)、UI技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)技術(shù)、Web開發(fā)技術(shù)和系統(tǒng)交互技術(shù)等。

Unity具有出色的跨平臺(tái)性，支持開發(fā)者跨越20余種不同平臺(tái)，包括WebGL、游戲主機(jī)、臺(tái)式機(jī)、VR設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備等。Unity圖像渲染引擎采用OpenGL、API和Direct3D，能支持Max、Maya、Lightwave、XSI、Pro-E等多種常用建模軟件輸出的模型文件。另外，強(qiáng)大易用的著色系統(tǒng)、地形編輯、物理特效、在線開發(fā)、項(xiàng)目發(fā)布和光影渲染等功能支撐，使得Unity具有簡(jiǎn)單易學(xué)、靈活便捷、高性能等特性。

1.2 解決方案

基于開發(fā)技術(shù)體系，Unity的開發(fā)流程主要包括內(nèi)容導(dǎo)入、內(nèi)容編輯和內(nèi)容發(fā)布三個(gè)階段。其中，內(nèi)容導(dǎo)入階段包含3D模型、圖片、音效和視頻等素材的導(dǎo)入；內(nèi)容編輯階段包含VR開發(fā)引擎、插件、第三方服務(wù)器等步驟；內(nèi)容發(fā)布可以有應(yīng)用程序單機(jī)發(fā)布、在線發(fā)布、移動(dòng)設(shè)備發(fā)布等多種形式。開發(fā)完成后，支持VR外設(shè)，可以進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)。針對(duì)課堂教學(xué)，設(shè)計(jì)基于Unity的虛擬仿真平臺(tái)的系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

2 交互仿真測(cè)試

以機(jī)械設(shè)計(jì)課程中的減速器教學(xué)單元為例，測(cè)試基于Unity的VR技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)效。

2.1 教學(xué)內(nèi)容與要求

齒輪減速器教學(xué)內(nèi)容與要求包括：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與裝置原理講解、演示；減速器設(shè)計(jì)、計(jì)算與零件圖建模；減速器的測(cè)繪、裝配與調(diào)整等。本文選用典型齒輪減速箱作為交互仿真測(cè)試案例，如圖2所示。

2.2 交互仿真

經(jīng)過(guò)3D建模、內(nèi)容輸入、內(nèi)容編輯（交互操作等）、內(nèi)容發(fā)布等步驟，用Unity開發(fā)齒輪箱單元交互虛擬教學(xué)demo，如圖3所示。

該交互仿真包含知識(shí)點(diǎn)講解、零件拆解、動(dòng)態(tài)演示。相比一般的虛擬仿真，基于Unity的虛擬仿真加入了VR技術(shù)，可以讓學(xué)習(xí)者沉浸在真實(shí)的情景中，實(shí)現(xiàn)全方位的實(shí)驗(yàn)觀察；同時(shí)，學(xué)習(xí)者可以拆解裝配體，對(duì)零配件個(gè)體進(jìn)行觀察分析，整個(gè)過(guò)程無(wú)需考慮設(shè)備順壞和人身安全問(wèn)題；另外，可以直觀學(xué)習(xí)、理解、解析減速器的內(nèi)部工作狀態(tài)，這是在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

3 結(jié)語(yǔ)

加快推進(jìn)信息化教學(xué)進(jìn)程，促進(jìn)信息技術(shù)與教育全過(guò)程的深度融合，是實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化的必由之路。本文在研究基于Unity的VR技術(shù)的基礎(chǔ)之上，充分比較傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)與虛擬仿真實(shí)訓(xùn)之間的優(yōu)缺點(diǎn)，以減速器教學(xué)單元為例，闡明了基于Unity的虛擬仿真平臺(tái)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用思路和系統(tǒng)框架。該平臺(tái)具有以下特征：實(shí)驗(yàn)情境逼真，交互性強(qiáng)，顯著提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；學(xué)習(xí)不受時(shí)間、空間限制，資源可共享性強(qiáng)；有利于提高學(xué)生時(shí)間操作能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力；有效降低教學(xué)成本，節(jié)約教學(xué)資源，提高實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)安全系數(shù)；有助于提升課堂教學(xué)質(zhì)量，推動(dòng)教育教學(xué)改革。此外，該虛擬仿真平臺(tái)在交互體驗(yàn)、在線教學(xué)等方面有很大的提升空間。

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