蔡寶 顧鴻良 孫張馳 朱文華

摘? 要 實踐教學(xué)一般具有危險性、復(fù)雜性等特點，特別是機(jī)械類、電子電路類的實踐課程。以機(jī)械類實踐課程為例，具體闡述虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實踐教學(xué)中應(yīng)用的可行性，分析對比各類虛擬現(xiàn)實設(shè)備在實踐教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢，簡述學(xué)校虛擬仿真實驗室現(xiàn)階段的主要研究成果，分析高校實踐教學(xué)進(jìn)行虛擬仿真研究的建設(shè)方向。

關(guān)鍵詞 實踐教學(xué);虛擬現(xiàn)實技術(shù);虛擬仿真實驗室;機(jī)械類實踐課程;zSpace;HTC頭盔;Holospace

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）04-0049-03

Application of Virtual Reality Technology in Practical Teaching in Colleges and Universities//CAI Bao， GU Hongliang， SUN Zhang-chi， ZHU WenhuaAbstract The content of practice teaching is generally characterized by danger and complexity， in particular， practical courses in mecha-nical and electronic circuits. Taking the practical course of machi-nery as an example， the feasibility of applying virtual reality techno-logy in practical teaching is expounded， the advantages of various virtual reality devices in practical teaching are analyzed and com-pared， the main research results of school virtual simulation labora-tory are briefly described， and the construction direction of virtual simulation for practical teaching in Colleges and universities is summarized.

Key words practice teaching; virtual reality technology; virtual simu-lation laboratory; practical course of machinery; zSpace; HTC hel-met; Holospace

1 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）已成為近年來發(fā)展的熱點技術(shù)[1]，它具有存在沉浸性、交互性、想象力、多感知性四大特點。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)根據(jù)用戶參與形式的不同，一般分為桌面式、沉浸式、分布式、增強(qiáng)式[2]。

桌面式虛擬現(xiàn)實利用個人計算機(jī)和低級工作站進(jìn)行仿真，通過外部輸入設(shè)備實現(xiàn)與虛擬現(xiàn)實世界的充分交互，外部輸入設(shè)備包括鼠標(biāo)、感應(yīng)筆等。桌面式虛擬現(xiàn)實受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾而降低參與者的真實感。

沉浸式虛擬現(xiàn)實提供完全沉浸的體驗，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器把參與者的視覺、聽覺和其他感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間。

分布式虛擬現(xiàn)實將多個用戶通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時參加一個虛擬空間，即多個用戶可通過網(wǎng)絡(luò)對同一虛擬世界進(jìn)行觀察和操作，以達(dá)到協(xié)同工作的目的。

增強(qiáng)現(xiàn)實式虛擬現(xiàn)實是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，利用它來增強(qiáng)參與者對真實環(huán)境的感受。

2 VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域越來越廣泛，2013年開始，教育部開始認(rèn)定國家級虛擬仿真實驗室建設(shè)成果[3-4]，大批高校開始虛擬仿真實驗室建設(shè)，例如：朱文華[5]開發(fā)了虛實結(jié)合的減速器學(xué)習(xí)系統(tǒng);郝翠霞[6]提出基于虛擬仿真技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人實訓(xùn)課程的教學(xué)方案;羅陸鋒[7]提出基于虛擬現(xiàn)實的實訓(xùn)類課程考評系統(tǒng)設(shè)計方法;夏曉靜[8]采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了藥物制劑實訓(xùn)在線考核系統(tǒng)。綜上所述，目前國內(nèi)高校在虛擬仿真實驗室建設(shè)方面取得豐碩成果，大部分高校都有針對性地進(jìn)行虛擬仿真研究，尤其是針對教學(xué)設(shè)備昂貴、操作具有危險性的實踐教學(xué)，采用虛擬仿真的手段進(jìn)行仿真教學(xué)。

上海第二工業(yè)大學(xué)針對機(jī)械類傳統(tǒng)實踐課程和智能制造實踐課程融入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，開發(fā)了一系列工程實踐虛擬仿真課程。

3 典型應(yīng)用成果

機(jī)械類實踐課程具有操作復(fù)雜性和危險性的特點[9]，目前國內(nèi)針對工程領(lǐng)域?qū)嵺`教學(xué)的仿真研究較多。以下是上海第二工業(yè)大學(xué)虛擬仿真實驗室根據(jù)傳統(tǒng)的機(jī)械實踐課程教學(xué)內(nèi)容開發(fā)的虛擬現(xiàn)實實踐課程系統(tǒng)。

1）zSpace桌面式虛擬現(xiàn)實應(yīng)用。zSpace桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要應(yīng)用于單體機(jī)床的仿真學(xué)習(xí)，該虛擬仿真系統(tǒng)主要包括對機(jī)床結(jié)構(gòu)、工作原理和操作方法的學(xué)習(xí)。如圖1所示，左下角是在zSpace虛擬現(xiàn)實設(shè)備，進(jìn)行機(jī)床立體操作體驗;同時為了能夠分享演示成果，開發(fā)了裸眼立體擴(kuò)展系統(tǒng)，可將教師機(jī)的操作畫面擴(kuò)展至立體顯示器，同時進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)。

目前，該套設(shè)備已運(yùn)用在日常教學(xué)中，學(xué)生首先進(jìn)行虛擬仿真實踐學(xué)習(xí)，之后進(jìn)入實際車間進(jìn)行機(jī)床實操學(xué)習(xí)。

2）HTC頭盔沉浸式虛擬現(xiàn)實應(yīng)用。HTC頭盔是市場上較為成熟的產(chǎn)品，其最大的教學(xué)優(yōu)勢是在多人協(xié)同方面。在實際教學(xué)中，多名學(xué)生佩戴頭盔在同一虛擬環(huán)境中協(xié)調(diào)完成同一學(xué)習(xí)任務(wù)。如圖2所示，三名學(xué)生在虛擬車間中完成自行車虛擬裝配工藝學(xué)習(xí)。

3）增強(qiáng)現(xiàn)實+觸屏式虛擬現(xiàn)實應(yīng)用。移動設(shè)備和大屏觸摸顯示器組合使用，可實現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實的分享學(xué)習(xí)，既增強(qiáng)了互動性，又有很好的展示性能。如圖3所示，移動端掃描特征圖進(jìn)行AR識別，大屏幕可將識別內(nèi)容展示出來進(jìn)行課堂教學(xué)，大大豐富了實踐教學(xué)內(nèi)容。

4）Holospace分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用。五通道分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可進(jìn)行大工程生產(chǎn)實踐教學(xué)，落地式大屏幕VR顯示系統(tǒng)可1：1還原生產(chǎn)制造實況。系統(tǒng)由前幕、左幕和地幕組成，其中前幕和地幕由兩臺計算機(jī)進(jìn)行控制，左幕由一臺計算機(jī)單獨控制，最終的立體畫面為五臺投影機(jī)拼接而成。

如圖4所示，Holospace分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可用于智能制造車間生產(chǎn)實踐使用，由于車間生產(chǎn)設(shè)備較多，不局限于對單個設(shè)備進(jìn)行仿真，系統(tǒng)仿真可基于車間大環(huán)境，讓學(xué)生更加真實地體驗生產(chǎn)實踐概況，大大增強(qiáng)學(xué)習(xí)感受。

近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)井噴趨勢，大量的虛擬現(xiàn)實設(shè)備被應(yīng)用在游戲外的諸多領(lǐng)域。目前，虛擬現(xiàn)實設(shè)備的開發(fā)主要以Unity 3D軟件作為支撐[10]，開發(fā)技術(shù)難度大大降低，開發(fā)內(nèi)容可根據(jù)學(xué)校具體專業(yè)需求制作。

4 虛擬仿真實驗室建設(shè)分析

從實驗室建設(shè)的特點、虛擬技術(shù)的優(yōu)勢及建設(shè)經(jīng)濟(jì)成本角度展開分析。

超強(qiáng)的通用性? 虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為虛擬仿真領(lǐng)域一個重點方向，技術(shù)本身發(fā)展已較為成熟，可將其應(yīng)用在各個行業(yè)領(lǐng)域，尤其是在實際操作難實現(xiàn)、有危險的情況下。

良好的系統(tǒng)層次性? 運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行仿真教學(xué)時，制作內(nèi)容可分專業(yè)、分模塊，能夠很好地區(qū)分難易程度，尤其是專業(yè)基礎(chǔ)課和通識基礎(chǔ)課教學(xué)內(nèi)容能夠進(jìn)行分層次教學(xué)。

良好的經(jīng)濟(jì)建設(shè)性? 目前成熟的虛擬現(xiàn)實設(shè)備成本相差較大，HTC沉浸式虛擬現(xiàn)實一套僅需幾千元，增強(qiáng)現(xiàn)實+觸屏式虛擬現(xiàn)實建設(shè)成本需數(shù)萬元，zSpace桌面式虛擬現(xiàn)實建設(shè)成本則為十幾萬元，而分布式虛擬現(xiàn)實則高達(dá)數(shù)百萬元，實際操作中需根據(jù)學(xué)校情況和經(jīng)費決定。

5 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的工程應(yīng)用越來越廣泛，工程實踐教育課程作為大多數(shù)高校的必修課程，運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)改變教學(xué)方式是大勢所趨。上海第二工業(yè)大學(xué)虛擬仿真實驗室建設(shè)概況供其他學(xué)校參考。

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