盧瑞光

隨著虛擬技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，虛擬教學(xué)系統(tǒng)成為一種有效的輔助教學(xué)手段。目前職業(yè)學(xué)校模具專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)主要以模具裝配檢修為主，但由于受到設(shè)備、場(chǎng)地等多種條件限制，學(xué)生不能很好地掌握模具裝配維修技能，降低了學(xué)生操作的安全性，再加上學(xué)校需要投入大量實(shí)習(xí)設(shè)備，大大增加了教學(xué)成本。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決了這些問(wèn)題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，它使用戶(hù)沉浸到該環(huán)境中，其核心就是利用一個(gè)虛擬系統(tǒng)去模仿真實(shí)系統(tǒng)。它具備可控制、無(wú)破壞性、消耗小、可重復(fù)利用等特點(diǎn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用還停留在初級(jí)層次，比如多媒體課件的開(kāi)發(fā)等，這些技術(shù)屬于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)利用個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站進(jìn)行仿真，計(jì)算機(jī)的屏幕用來(lái)作為用戶(hù)觀察虛擬境界的一個(gè)窗口，各種外部設(shè)備一般用來(lái)駕馭虛擬境界，輔助操縱在虛擬情景中的各種物體。這些外部設(shè)備包括鼠標(biāo)、追蹤球、力矩球等。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)要求參與者使用位置跟蹤器和另一個(gè)手控輸入設(shè)備，如鼠標(biāo)、追蹤球等，坐在監(jiān)視器前，通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕觀察360度范圍內(nèi)的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時(shí)參與者并不能完全投入，因?yàn)樽烂嫣摂M現(xiàn)實(shí)仍然會(huì)受到周?chē)F(xiàn)實(shí)環(huán)境的干擾。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)雖然缺乏完全投入的功能，但是由于其成本相對(duì)低一些，適用于教學(xué)過(guò)程中采用多媒體教學(xué)課件或教學(xué)軟件的應(yīng)用。本文采用的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要就是桌面虛擬現(xiàn)實(shí)。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中職實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的現(xiàn)實(shí)意義

在學(xué)校教育中，特別是職業(yè)技能類(lèi)教學(xué)中，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用較多。它不僅適用于課堂教學(xué)，也適合在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中使用。以前由于開(kāi)發(fā)難度較大、開(kāi)發(fā)成本較高，仿真技術(shù)系統(tǒng)一直集中在少數(shù)幾類(lèi)專(zhuān)業(yè)中使用。近年，隨著VR技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本越來(lái)越低，越來(lái)越多的職業(yè)技能學(xué)習(xí)可以使用計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)備來(lái)代替實(shí)際模具去完成教學(xué)任務(wù)。這樣，學(xué)生在教室就可以做各種實(shí)訓(xùn)，得到和真實(shí)實(shí)訓(xùn)同樣的體會(huì)，從而豐富了感性認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)知識(shí)的理解。

以往，對(duì)危險(xiǎn)操作的學(xué)習(xí)一般都是通過(guò)錄像教學(xué)，學(xué)生很難有真實(shí)的體會(huì)，但利用VR技術(shù)就可以避免真實(shí)操作帶來(lái)的各種危險(xiǎn)。例如，在模具維修實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生要面對(duì)各種復(fù)雜模具結(jié)構(gòu)，遇到加載預(yù)緊力的彈簧結(jié)構(gòu)時(shí)，如果操作不小心，就很可能帶來(lái)人身傷害。如果通過(guò)虛擬系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)的話(huà)，就可以避免學(xué)生因操作失誤而造成的人身事故。同時(shí)，學(xué)生還可以通過(guò)系統(tǒng)反復(fù)練習(xí)增加熟練程度，在現(xiàn)實(shí)中避免事故的發(fā)生。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以徹底打破空間的限制，大到宇宙天體、小至原子粒子，學(xué)生都可以貼近觀察，產(chǎn)生直觀體驗(yàn)。例如，在機(jī)修實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生可以“進(jìn)入”設(shè)備內(nèi)部觀察各個(gè)部件的工作狀態(tài)及各個(gè)部件間的聯(lián)系，從而了解機(jī)械的整個(gè)工作過(guò)程。而在傳統(tǒng)教學(xué)中，無(wú)論是運(yùn)用電視媒體還是實(shí)物媒體，都不可能實(shí)現(xiàn)這種效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以使抽象的概念直觀化、形象化、具體化，使學(xué)生進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)，這有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。例如，在講解傳動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)，教師可以讓學(xué)生在具體的機(jī)械設(shè)備中自己觀察和尋找相關(guān)部件。虛擬技術(shù)的交互性和沉浸性使學(xué)生全身心地投入學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在模具教學(xué)中的具體應(yīng)用

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)模擬真實(shí)的模具，可以節(jié)省大量的實(shí)訓(xùn)耗材費(fèi)用、降低風(fēng)險(xiǎn)，具有很高的實(shí)用性，同時(shí)也可以提高模具實(shí)訓(xùn)的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。筆者將遵循探究式體驗(yàn)教學(xué)模式（如圖1）進(jìn)行具體應(yīng)用。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是從以下兩方面應(yīng)用到實(shí)訓(xùn)教學(xué)上。

第一，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作過(guò)程的三維演示。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生通過(guò)在書(shū)本上察看各種機(jī)械設(shè)備的平面圖形，或到實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地觀察實(shí)際的設(shè)備外形來(lái)獲得各種感性認(rèn)識(shí)。書(shū)本上的平面圖形限制了學(xué)生的空間想象能力，實(shí)訓(xùn)教學(xué)又無(wú)法兼顧理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，而且又增加了學(xué)校的投入，這些都不利于學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的提高。筆者通過(guò)制作注塑模虛擬裝配過(guò)程來(lái)說(shuō)明虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的具體應(yīng)用。首先，使用三維建模軟件對(duì)模具各個(gè)部分進(jìn)行建模，然后，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件設(shè)計(jì)具有交互模式的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，此系統(tǒng)功能應(yīng)具有可拆卸、可操控、可裝配、可維護(hù)等功能。使用者在使用系統(tǒng)的時(shí)候，將以第一人稱(chēng)視角進(jìn)入場(chǎng)景中，整個(gè)場(chǎng)景為三維建模而成，學(xué)生可圍繞一個(gè)模具進(jìn)行觀察。鼠標(biāo)單擊某個(gè)部件時(shí)，將顯示該部件的名稱(chēng)和作用。鼠標(biāo)右擊該配件時(shí)，將彈出菜單選項(xiàng)，內(nèi)容包括提取部件、更換部件等，單擊提取部件時(shí)，整機(jī)的其他部分將隱藏，單獨(dú)顯示該部件，使用者可通過(guò)鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)放大該部件。教師還可以為使用者預(yù)設(shè)多個(gè)模具故障，并規(guī)定檢修時(shí)間，使用者將以第一人稱(chēng)視角進(jìn)入場(chǎng)景中，按照設(shè)置好的步驟對(duì)模具進(jìn)行檢查，模擬實(shí)際的檢修過(guò)程。只要進(jìn)入這個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地認(rèn)識(shí)這些機(jī)械設(shè)備及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，感知設(shè)備運(yùn)行狀況，增強(qiáng)學(xué)生理解能力，提高學(xué)習(xí)效果。

第二，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行模擬裝配、調(diào)試和維修教學(xué)。在教學(xué)中特別是實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中，由于受價(jià)格的限制，許多昂貴的設(shè)備無(wú)法進(jìn)行拆卸裝配教學(xué)，有許多實(shí)訓(xùn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。如果利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬系統(tǒng)，學(xué)生就可以“進(jìn)入”這個(gè)虛擬系統(tǒng)，如身臨其境般操作虛擬設(shè)備，進(jìn)行各種虛擬的拆卸與組裝。這種實(shí)訓(xùn)既不消耗器材，也不受場(chǎng)地等外界條件限制，可重復(fù)操作，直至學(xué)生學(xué)會(huì)為止。虛擬實(shí)驗(yàn)室的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)還在于其絕對(duì)的安全性，不會(huì)因操作失誤而造成安全事故，可有效滿(mǎn)足學(xué)校的實(shí)訓(xùn)需求和學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我校模具教學(xué)中存在的問(wèn)題

目前，根據(jù)學(xué)校的教學(xué)設(shè)備條件還無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)全過(guò)程的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，但該研究在部分教學(xué)中已經(jīng)取得很好的成果，如在模具結(jié)構(gòu)的教學(xué)中。目前，我校的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

第一，虛擬系統(tǒng)有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。要達(dá)到與課程目標(biāo)完全一致的教學(xué)任務(wù)，就要根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)程度的不同，不斷完善系統(tǒng)內(nèi)容、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。學(xué)?？稍诂F(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)內(nèi)容加以擴(kuò)充，達(dá)到資源最大化的合理利用。

第二，硬件環(huán)境還有待提高。桌面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與沉浸系統(tǒng)相比，學(xué)生的體驗(yàn)完全不同，要使體驗(yàn)得到進(jìn)一步提高，就必須開(kāi)發(fā)沉浸系統(tǒng)，這就需要大量的硬件設(shè)備投入來(lái)建立虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室。

第三，虛擬系統(tǒng)的三維模型太少。模具專(zhuān)業(yè)學(xué)生的主要培養(yǎng)方向是模具維護(hù)和加工，單一的設(shè)備只會(huì)禁錮學(xué)生的思維，在今后的系統(tǒng)建設(shè)上還需要更多的數(shù)據(jù)模型來(lái)充實(shí)系統(tǒng)內(nèi)容。

（責(zé)編 黃紫鵑）