張香云

摘 要：計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展催生了各式各樣的新式的技術(shù)，這些新的技術(shù)手段為一些學(xué)科的發(fā)展提供了測試條件，成為促進(jìn)學(xué)科發(fā)展的有效手段。虛擬實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)快速發(fā)展的產(chǎn)物，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過三維的模擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對機(jī)械部件機(jī)械仿真，這樣的技術(shù)對于機(jī)械制造以及機(jī)械控制工程中的教學(xué)可以起到很大的作用。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；機(jī)械控制工程；基礎(chǔ)教學(xué)；應(yīng)用研究

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概述以及在機(jī)械控制工程基礎(chǔ)教學(xué)中使用的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種利用電腦建立三維模型從而對機(jī)械組件進(jìn)行模擬，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以對視覺世界就像模擬，而且可以給使用者提供聽覺、觸覺等感覺的模擬效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中有三個(gè)極為重要的要素：沉浸性、交互性、構(gòu)想性，這三個(gè)要素可以評判虛擬環(huán)境模擬真實(shí)場景的效果。其中沉浸性是建立的虛擬世界帶給使用者相當(dāng)?shù)恼鎸?shí)性，使用者在虛擬的環(huán)境中有在真實(shí)世界的感覺，對人類來說有一定的迷惑性。交互性是指在虛擬環(huán)境中使用者對虛擬對象的可操作性，使用者可以通過傳感設(shè)備對虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行操作，交互性體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人機(jī)交互的功能。

虛擬世界的構(gòu)想性是指虛擬世界可以開拓使用者的思維和想象力，提高用戶的創(chuàng)造力。而虛擬實(shí)驗(yàn)是一種在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境，在模擬的環(huán)境下通過人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)對虛擬世界中的物體以及模型進(jìn)行一定的操作，從而進(jìn)行低成本、高效率、可重復(fù)、可補(bǔ)救的實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)依據(jù)不同的沉浸程度主要分為桌面式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、分布式虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和增強(qiáng)型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等。虛擬實(shí)驗(yàn)在高校的機(jī)械相關(guān)專業(yè)中涉及精密的機(jī)械控制操作，這些相關(guān)的操作涉及多種復(fù)雜系統(tǒng)。只通過人類的大腦難以完成對實(shí)驗(yàn)的完全理解，通過計(jì)算機(jī)的模擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真可以優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)培訓(xùn)領(lǐng)域的使用為學(xué)生提供了一個(gè)相對自由的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況以及學(xué)習(xí)目標(biāo)對資源進(jìn)行良好有效的應(yīng)用。虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)際的教學(xué)中的使用可以使學(xué)生更加具象化的理解所學(xué)的內(nèi)容，虛擬實(shí)驗(yàn)可以模擬一些真實(shí)場景可以使學(xué)生有身臨其境感覺的同時(shí)避免了真實(shí)環(huán)境可能造成的安全事故。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械控制工程中的使用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械控制工程中的應(yīng)用是解決真實(shí)世界中無法進(jìn)行一些危險(xiǎn)性較大的實(shí)驗(yàn)的問題，對于一些危險(xiǎn)性較大的實(shí)驗(yàn)難以獲批進(jìn)行，而且對實(shí)驗(yàn)者、操作人員的生命安全進(jìn)行保障。虛擬現(xiàn)實(shí)是由計(jì)算機(jī)生成的三維模擬環(huán)境，虛擬現(xiàn)實(shí)目前在航空航天、工程技術(shù)、件數(shù)設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)手術(shù)、藝術(shù)設(shè)計(jì)、軍事模擬等領(lǐng)域中都有非常重要的作用。機(jī)械加工模擬環(huán)境可以對各種設(shè)備、廠房、周圍環(huán)境等內(nèi)容進(jìn)行模擬，通過一些模擬仿真軟件可以完成一些車床、流水線模型的制作。虛擬實(shí)驗(yàn)一般是利用一些建模軟件建立一些機(jī)械模型，在建立模型時(shí)可以對實(shí)際的模型進(jìn)行一些簡化操作。對于模型的美化處理可以使模型更加易于識別，利用Photoshop制作場景的貼圖以及材質(zhì)的紋理，最后利用這些貼圖對模型進(jìn)行貼圖處理，可以增強(qiáng)模擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性。機(jī)械加工虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一種對真實(shí)的機(jī)床加工過程的模擬，對機(jī)械運(yùn)行過程進(jìn)行模擬可以解決機(jī)械研發(fā)過程中的具體情況，不需要再現(xiàn)實(shí)世界中建立真實(shí)的設(shè)備就可以對設(shè)計(jì)好的設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行，查看運(yùn)行的順利程度。機(jī)械加工虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模式的搭建可以將模擬的過程記錄下來、忽略現(xiàn)實(shí)世界不可控因素的影響、減少實(shí)驗(yàn)的投資等，同時(shí)模擬真實(shí)的場景的過程可以用計(jì)算機(jī)教學(xué)記錄，留下完整的模擬記錄。模擬實(shí)驗(yàn)可以建立視頻播放的模式、全局觀摩的模式對實(shí)驗(yàn)的操作流程進(jìn)行研究。機(jī)械加工虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)首先應(yīng)該建立三維實(shí)體模型，對于機(jī)械的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分裂，分部進(jìn)行制作，然后組裝各部分零件模型。將整個(gè)模型導(dǎo)入到3D max中進(jìn)行材質(zhì)貼圖渲染，最后利用專業(yè)的軟件合成三維虛擬實(shí)體以及虛擬的模擬環(huán)境，對實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)對象進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染。模擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開發(fā)通過建模、渲染導(dǎo)入、交互設(shè)計(jì)、功能檢測這四個(gè)階段開發(fā)出完整的模擬實(shí)驗(yàn)體系。

機(jī)械加工虛擬實(shí)驗(yàn)室的建立依仗強(qiáng)大的交互引擎和建模軟件，通過對行為機(jī)械編程使得交互動(dòng)作順利實(shí)現(xiàn)。在建模完成以及貼圖渲染完成之后還需要對場景中物體的燈光、物體間的從屬關(guān)系、物體與人之間的交互設(shè)計(jì)、場景的視角等方面進(jìn)行調(diào)整，而且為了使用戶有一個(gè)良好的代入感，就必須設(shè)計(jì)便于使用的系統(tǒng)界面。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械控制工程的基礎(chǔ)教學(xué)中的具體應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要是面向?qū)W生開發(fā)的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)目前融合了衛(wèi)星通信、數(shù)字化信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、新媒體技術(shù)等多種技術(shù)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺在系統(tǒng)中融合了專業(yè)的理論指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)世界的各種原則，通過教學(xué)設(shè)計(jì)挑選合適的機(jī)械模型，建立合適的理論探究過程，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)到體系化的、實(shí)例性的專業(yè)化知識。而且通過虛擬技術(shù)搭建的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺來說，其優(yōu)點(diǎn)是在教學(xué)實(shí)踐中可以多次使用，教學(xué)中產(chǎn)生的失誤和學(xué)生操作中產(chǎn)生的問題在這個(gè)平臺上都可以重新復(fù)位，不會(huì)出現(xiàn)浪費(fèi)資源的情況。而且虛擬實(shí)驗(yàn)平臺由于其有趣的界面，以及新奇的教學(xué)方式會(huì)引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于學(xué)生自覺的教學(xué)學(xué)習(xí)，使專業(yè)知識的學(xué)習(xí)成為一件快樂的事情。而且虛擬實(shí)驗(yàn)在機(jī)械控制工程基礎(chǔ)教學(xué)中的使用可以重復(fù)多次，為學(xué)生熟練的掌握操作技巧提供了良好的條件，老師也可以及時(shí)的對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行記錄、糾正。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的交互性強(qiáng)，學(xué)生可以通過傳感器與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交流，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際體驗(yàn)感。虛擬教學(xué)平臺還可以根據(jù)學(xué)生的個(gè)人特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)別教育，提供合適的培養(yǎng)機(jī)制，而且先進(jìn)的模擬設(shè)計(jì)可以拓展學(xué)生的思維，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)造力。

四、小結(jié)

綜上所述，虛擬實(shí)驗(yàn)在機(jī)械控制工程中具有良好的應(yīng)用前景，具有可重復(fù)、交互性、沉浸性等一系列優(yōu)勢。當(dāng)今機(jī)械設(shè)備成本較高，虛擬實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供一個(gè)低成本的、豐富的、交互性良好的、高效的學(xué)習(xí)平臺，系統(tǒng)可以依據(jù)學(xué)生的個(gè)性化特點(diǎn)制定不同的教育方式提高學(xué)生的學(xué)習(xí)的效率。

參考文獻(xiàn)

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[2]聶學(xué)俊，杜敏杰.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016，（15）：4-6.

（作者單位：長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院）