趙慶娟

摘 要：經(jīng)濟社會發(fā)展需要創(chuàng)新應(yīng)用型人才，這是人才培養(yǎng)的動力。因此改革傳統(tǒng)的實踐、實訓(xùn)手段，優(yōu)化實踐、實訓(xùn)環(huán)境，是提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的迫切要求。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種輔助教學(xué)手段，它改變了單一外部刺激的教學(xué)模式，有利于知識的獲取。本文簡述了虛擬現(xiàn)實技術(shù)特點，討論了將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到理論及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的優(yōu)勢，并對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在材料加工專業(yè)理論教學(xué)和實踐教學(xué)中的應(yīng)用展開探討，這為提高材料加工專業(yè)的教學(xué)工作提供了一些可參照的思路。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù) 材料加工 實踐教學(xué)

中圖分類號：TG76-4；G712 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（b）-0-03

Abstract：Economic and social development needs innovative and applied talents， which is the driving force of talent training. Therefore， it is urgent to reform the traditional practice and training methods and optimize the practice and training environment to improve the quality of applied talents training. Therefore， it is urgent to reform the traditional practice and training methods and optimize the practice and training environment to improve the quality of applied talents training. In this paper， the characteristics of virtual reality technology is briefly described， the advantages of applying virtual reality technology to theory and practice teaching is discussed， and the application of virtual reality technology in theory and practice teaching of material processing is also explored， which provides some references thought for improving the teaching work of material processing.

Key words：Virtual Reality Technology； Material Processing； Practical Teaching

隨著國際經(jīng)濟秩序的變化和我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，需要一大批具有實踐性、創(chuàng)造性能夠直接服務(wù)于經(jīng)濟社會發(fā)展的應(yīng)用型人才，市場需求是人才培養(yǎng)的導(dǎo)向。但傳統(tǒng)教育手段的落后和教學(xué)方法的單一，不能滿足經(jīng)濟社會的快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的教學(xué)手段教育下，學(xué)生不能充分調(diào)動積極性，也不能將教授的知識有效地轉(zhuǎn)化為能力，同時學(xué)生不能根據(jù)情境的特殊性和復(fù)雜性綜合地運用所學(xué)的知識和能力解決實際問題，導(dǎo)致“應(yīng)用能力差，實踐能力薄弱”等當(dāng)前高等教育和人才培養(yǎng)中普遍存在的問題。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以現(xiàn)代的計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，將多媒體、多傳感、智能技術(shù)等綜合起來的技術(shù)，利用特殊的輸入/輸出設(shè)備便可以進入虛擬空間，用戶成為虛擬環(huán)境中的一員，通過自然的方式和虛擬世界中的物體進行相互影響。給學(xué)習(xí)者提供視覺、聽覺等綜合體驗，可以突破時間和空間限制，創(chuàng)建真實感的學(xué)習(xí)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程。該技術(shù)具有較高的資源利用率、阻隔性、安全性、兼容性，解決了教學(xué)過程中以前無法解決的一些難題，由于親身體驗遠比空洞抽象的說教更具說服力，尤其在科學(xué)研究、虛擬教學(xué)、虛擬實驗等方面的應(yīng)用更具有廣泛性[1-2]。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點和基本類型

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有沉浸性、交互性和多感知性等特點。其中，沉浸性是指計算機操作人員作為人機環(huán)境的主導(dǎo)者全身心地沉浸在計算機所生成的三維虛擬環(huán)境中，人與環(huán)境融為一體產(chǎn)生身臨其境的感覺。交互性是指操作人員對虛擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度以及從環(huán)境中得到反饋的程度。多感知性指在虛擬環(huán)境中使用者可以通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的傳感及反應(yīng)裝置獲得視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，從而達到身臨其境的效果。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的主要類型有4類，其中包括了桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。其中，桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一套基于普通PC平臺的小型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。利用中低端圖形工作站及立體顯示器產(chǎn)生虛擬場景，參與者使用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、力反饋器、三維鼠標(biāo)、或其他手控輸入設(shè)備實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要技術(shù)特征。沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)利用頭盔顯示器將用戶的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的錯覺。分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一個基于網(wǎng)絡(luò)的可供異地多用戶同時參與的分布式虛擬環(huán)境。增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)也被稱之為混合現(xiàn)實。它是通過電腦技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，兩種信息相互補充、疊加，并同時存在于同一個畫面或者空間中。其目的在于通過把計算機生成的虛擬對象與真實環(huán)境融為一體的方式來增強用戶對真實環(huán)境的理解。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在材料加工實踐教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以應(yīng)用在虛擬科學(xué)研究、虛擬教學(xué)、虛擬實驗等方面，可實現(xiàn)集教學(xué)、體驗、實踐等于一體的立體化教學(xué)，改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，創(chuàng)新教學(xué)方法，達到培養(yǎng)創(chuàng)新型、實用型人才的目的[4]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)過程中應(yīng)用具有以下幾個明顯的優(yōu)勢：第一，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠彌補遠程教學(xué)條件的不足。第二，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以避免真實實驗或操作所帶來的危險。第三，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以徹底打破空間、時間的限制。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在材料加工實踐教學(xué)中，可以使實踐教學(xué)具有高效性、真實性、系統(tǒng)性和交互性等特點，能夠模擬真實情況，實現(xiàn)輔助教學(xué)、冷沖模和塑料模具設(shè)計、沖壓設(shè)備的操作、模具的拆裝實驗等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用如下[5-8]。

2.1 知識的學(xué)習(xí)

在材料加工類專業(yè)學(xué)習(xí)過程中，是以專業(yè)理論知識學(xué)習(xí)和實踐教學(xué)相結(jié)合的方法，使學(xué)生理解并應(yīng)用所學(xué)的知識，最終轉(zhuǎn)化為學(xué)生內(nèi)在的能力。其中實踐教學(xué)是學(xué)生獲得感性認(rèn)識的一個非常重要的環(huán)節(jié)，因此學(xué)生可以利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)，獲得實際生活中無法觀察到的事物的變化過程和規(guī)律，為學(xué)生提供生動、逼真的感性學(xué)習(xí)材料，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的知識難點。例如在冷沖壓沖裁實驗中，板坯將經(jīng)歷從彈性變形階段、塑性變形階段和斷裂分離階段3個變形過程，整個過程涉及到晶格畸變、位錯運動、裂紋萌生以及裂紋擴展，直至板坯斷裂沖裁結(jié)束都可以實現(xiàn)可視化展示。

2.2 虛擬設(shè)計

材料加工專業(yè)課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計是專業(yè)理論知識強化和融會貫通的一個必要過程。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，一般情況下設(shè)計一套模具（注塑模具及冷沖壓模具）需要經(jīng)過零件集合形狀測量和結(jié)構(gòu)分析、材料的選擇、模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計等眾多步驟，需要花費大量的時間，設(shè)計出來的模具往往會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理，模具無法實現(xiàn)成形功能等問題。虛擬現(xiàn)實技術(shù)則可以對學(xué)生所提出的各種設(shè)計方案進行模擬，通過虛擬系統(tǒng)便可直觀地觀察到這一設(shè)計所產(chǎn)生的結(jié)果或效果，簡化很多工序，學(xué)生可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行探索學(xué)習(xí)，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.3 虛擬實驗室

材料加工作為工科類專業(yè)，要求學(xué)生要具有很強的動手能力，并通過實際操作強化理論知識。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)上課時間比較固定，時間和空間受到限制。并且遇到實驗設(shè)備昂貴或者實驗中存危險等問題時，學(xué)生不能全面使用和操作甚至無法直接參與其中。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)虛擬教學(xué)情境，為學(xué)習(xí)者親身實踐提供了可能性。例如，虛擬力學(xué)實驗室、虛擬沖壓實驗室等，打破傳統(tǒng)教學(xué)中時間、空間等限制，學(xué)生只要在安裝有虛擬實驗室的設(shè)備上即可進行實驗操作，在很大程度上提高了學(xué)習(xí)的自由度。在仿真環(huán)境下，借助Unity3D、Cult3D等軟件來完成實驗操作，避免在進行一些有安全隱患的危險實驗時因操作不當(dāng)造成的不可預(yù)料的后果，保障學(xué)習(xí)者的人身安全。具有交互功能的虛擬實驗室能夠表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，不用考慮時間、地點及實驗過程中各種危險對人造成的傷害，獲得與現(xiàn)實中的實驗一樣的體驗效果，提高對學(xué)習(xí)內(nèi)容的感性認(rèn)識，加深對實驗教學(xué)內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。

2.4 虛擬實驗

在機械制造的這個領(lǐng)域中，往往要將成千上萬的零件裝配到一起組成機械產(chǎn)品，然而機械產(chǎn)品的配合設(shè)計、可裝配性的錯誤，往往在最后的裝配階段才能發(fā)現(xiàn)。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬裝配一臺機械產(chǎn)品，產(chǎn)品設(shè)計的精度不同、形狀不同，所模擬的產(chǎn)品的裝配過程也不同，用戶可以通過交互的方式，進行機械產(chǎn)品的模擬裝配，因此在材料加工實踐教學(xué)中我們可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立各種虛擬實驗室例。例如，學(xué)生在虛擬設(shè)計、裝配及操作“實驗室”里，學(xué)生可以自由地做各種實驗。在虛擬實驗室里，學(xué)生不但可以看到曲柄壓力機工作及分解的展示，也可以在虛擬環(huán)境拾取坯料，在沖壓模具上進行沖裁、拉深等基本實驗操作，還可以對不同類型模具（例如簡單工序模、復(fù)合模、級進模等）進行拆分、測量，并完成繪制圖紙等任務(wù)。在裝配結(jié)束以后，虛擬仿真系統(tǒng)能夠記錄裝配過程的所有信息，并生成評審報告、視頻錄像等供學(xué)生隨后的檢查、分析和評價使用。

2.5 技能訓(xùn)練

虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性，使學(xué)生能夠在虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去，這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練。由于這些虛擬的訓(xùn)練系統(tǒng)無危險，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，直至掌握操作技能為止。例如：在虛擬的模具拆裝訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)生可以反復(fù)對各種類型模具進行分解和組裝的操作拆裝模具設(shè)備，這使得學(xué)生對模具的結(jié)構(gòu)以及分類有更清楚地認(rèn)知，了解和學(xué)習(xí)各種不同那類型模具的組成及結(jié)構(gòu)特點，通過拆裝訓(xùn)練可以達到了解模具結(jié)構(gòu)，區(qū)分不同模具結(jié)構(gòu)特點，從而加深學(xué)生對該部分知識的認(rèn)識和掌握。

3 結(jié)語

綜上所述，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在材料加工專業(yè)實踐教學(xué)中能夠全面提高專業(yè)教學(xué)效率。通過虛擬教學(xué)、虛擬實驗、配套虛擬實驗室能夠使學(xué)生獲得真實的情境體驗。虛擬實驗具有生動、直觀、安全等優(yōu)點，有利于學(xué)生理解和掌握抽象概念、模具制造與裝配工藝、設(shè)備結(jié)構(gòu)與使用操作，有利于激發(fā)學(xué)生獲取知識的積極性及創(chuàng)新思維，有利于面向?qū)W生開展創(chuàng)新實踐活動。虛擬現(xiàn)實技術(shù)為教育領(lǐng)域創(chuàng)新提供了技術(shù)支持，虛擬現(xiàn)實教育將作為創(chuàng)新教學(xué)的改革方式，因此虛擬現(xiàn)實技術(shù)必將為教育的改革與發(fā)展注入生機與活力。

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