張科強(qiáng)，池雄飛

（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)、科學(xué)研究、生產(chǎn)設(shè)計(jì)及安全培訓(xùn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 在高職院校中,供配電、汽修裝配等專業(yè)課程教學(xué)存在購置成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、更新較快的問題,嚴(yán)重制約了這些專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)效果,而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以較好地解決這些難題,學(xué)生們可以在虛擬平臺(tái)上“身臨其境”的完成各類技能訓(xùn)練,提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的必要性

在中高職學(xué)校的實(shí)踐性較強(qiáng)的課程教學(xué)中,受各種條件限制,學(xué)生只能接受靜態(tài)教學(xué),缺少實(shí)踐的臨場(chǎng)性,缺少實(shí)踐的互動(dòng)性,如供配電實(shí)踐教學(xué)等。 主要原因是實(shí)踐教學(xué)所需的設(shè)備成本高,設(shè)備數(shù)量、設(shè)備放置場(chǎng)地不能滿足教學(xué)的要求,在電力設(shè)備運(yùn)行時(shí),電壓、電流較高,實(shí)踐操作可能會(huì)威脅到學(xué)生的人身安全。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬教學(xué)平臺(tái)可以較好地解決以上的問題。 學(xué)生在虛擬教學(xué)平臺(tái)上佩戴交互設(shè)備,可以在模擬的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中,對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理進(jìn)行感知認(rèn)識(shí),提高學(xué)習(xí)的興趣。 將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)中有著以下優(yōu)點(diǎn)［1］。

1.1 降低教學(xué)成本

虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)運(yùn)行成本比現(xiàn)實(shí)實(shí)踐設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本低。 以供配電實(shí)訓(xùn)室為例,一般配置2 臺(tái)高壓斷路器電柜,在做拆裝實(shí)訓(xùn)時(shí),學(xué)生只能分組操作,如果一組有3 個(gè)學(xué)生,只夠6 個(gè)學(xué)生練習(xí),而實(shí)際教學(xué)班級(jí)人數(shù)至少在15 人以上,實(shí)際電氣設(shè)備滿足不了實(shí)訓(xùn)要求。 另外,由于斷路器設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,學(xué)生在拆裝實(shí)訓(xùn)時(shí),容易造成設(shè)備損壞,導(dǎo)致后面的學(xué)生無法進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。 通過將虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件安裝在PC 機(jī)上,讓所有學(xué)生進(jìn)行一對(duì)一的實(shí)踐操作,不僅可以提高學(xué)生實(shí)踐操作的感知和拆裝效率,而且不存在設(shè)備損壞的現(xiàn)象。

1.2 提高教學(xué)安全性

在實(shí)踐操作實(shí)訓(xùn)中,老師和學(xué)生經(jīng)常面臨人身安全問題。 比如10 kV 供配電操作,由于電壓比較高,學(xué)生如果不按照操作規(guī)程來操作,很有可能會(huì)發(fā)生觸電事故。 有些設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大,容易發(fā)生磕碰事故。 而虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件可以保證學(xué)生在“身臨其境”操作的同時(shí)避免出現(xiàn)安全事故。 因此,虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)既可以保證學(xué)生完成實(shí)踐操作,又可以保障學(xué)生的人身安全。

1.3 提高實(shí)訓(xùn)升級(jí)改造能力

隨著國家制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí),生產(chǎn)設(shè)備也在進(jìn)行升級(jí),且升級(jí)時(shí)間間隔將越來越短,為了與實(shí)際崗位操作設(shè)備保持一致,實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備必須進(jìn)行更換,而大部分學(xué)校由于費(fèi)用等原因無法及時(shí)更換,導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)與實(shí)際操作要求相脫節(jié)。 而虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)平臺(tái)可以做到實(shí)時(shí)設(shè)備更新,且成本相對(duì)較低。 因此,虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)不僅可以提高教學(xué)與實(shí)際崗位操作的契合度,還能提高實(shí)訓(xùn)室升級(jí)改造的能力。

1.4 豐富教學(xué)模式

豐富教學(xué)模式是提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑之一。學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)平臺(tái)實(shí)訓(xùn)操作時(shí),不會(huì)有人身安全和損壞設(shè)備的問題,可以提前在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)上預(yù)習(xí)演練新課的內(nèi)容,發(fā)現(xiàn)自己存在的問題。 老師主要在課堂上解決學(xué)生的提問,這種授課模式就是“反轉(zhuǎn)課堂”,可以有效提高學(xué)生聽課質(zhì)量。 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)平臺(tái)不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制,對(duì)頂崗實(shí)習(xí)學(xué)生和企業(yè)學(xué)生可以采用遠(yuǎn)程線上教學(xué),學(xué)生一邊聽課一邊在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)上操作,極大地降低了學(xué)校授課成本。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)案例開發(fā)總體設(shè)計(jì)

本文以高壓開關(guān)柜的高壓斷路器操作實(shí)訓(xùn)為例,陳述虛擬現(xiàn)實(shí)高壓斷路器操作實(shí)訓(xùn)案例的開發(fā)流程。開發(fā)分為軟件和硬件兩部分,軟件主要包括用3DMAX等軟件開發(fā)設(shè)備模型,用Unreal Engine 軟件開發(fā)虛擬場(chǎng)景、互動(dòng)操作等功能。 硬件包括頭盔顯示器、圖形工作站、大型顯示器等,硬件系統(tǒng)直接選型選用使操作者體會(huì)到虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的效果。 通過軟件開發(fā)和佩戴硬件完成一個(gè)交互性強(qiáng)、沉浸感體驗(yàn)好的教學(xué)案例。

為了使學(xué)生全面掌握高壓開關(guān)柜的高壓斷路器的主要結(jié)構(gòu)和操作規(guī)程,本案例的功能結(jié)構(gòu)分為結(jié)構(gòu)演示模塊、結(jié)構(gòu)拆裝模塊和手動(dòng)模擬操作模塊。 學(xué)生可以在3 個(gè)模塊之間任意切換,自由選擇學(xué)習(xí)。 結(jié)構(gòu)演示模塊通過爆炸圖或語音完成高壓斷路器的主要結(jié)構(gòu)及功能的講解。 結(jié)構(gòu)拆裝模塊通過對(duì)設(shè)備有序的分解和組合展示高壓斷路器拆裝流程。 手動(dòng)模擬操作模塊是教學(xué)案例的核心功能模塊,學(xué)生沉浸在與實(shí)際工作相近的場(chǎng)景中,模擬體驗(yàn)設(shè)備操作,并能無限次的模擬操作,極大地提高了學(xué)生操作的感知體驗(yàn)感,有效提高了學(xué)生的實(shí)際操作能力。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)案例開發(fā)流程

系統(tǒng)開發(fā)流程可以分為以下階段: 建立優(yōu)化模型、場(chǎng)景搭建和模型渲染階段、設(shè)備結(jié)構(gòu)展示、拆裝和手動(dòng)模擬操作等交互性功能開發(fā)階段。

3.1 建立優(yōu)化模型

建立優(yōu)化模型,主要工作是建立設(shè)備模型和對(duì)設(shè)備模型的處理。 三維建模軟件有Pro/E,UG,Maya 等,這些軟件建立的模型,很多時(shí)候內(nèi)存較大,如果直接導(dǎo)入U(xiǎn)E 軟件中,會(huì)導(dǎo)致虛擬現(xiàn)實(shí)案例運(yùn)行出現(xiàn)卡頓、丟幀等現(xiàn)象,影響學(xué)生操作的體驗(yàn)感。 所以模型不能直接導(dǎo)入U(xiǎn)E 軟件中,在導(dǎo)入之前,需要用3DMAX 軟件對(duì)模型進(jìn)行一些處理［2］。

(1) 優(yōu)化模型。 原始設(shè)備模型一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜,面數(shù)、線數(shù)多。 在虛擬現(xiàn)實(shí)案例運(yùn)行時(shí),會(huì)影響處理器的速度,出現(xiàn)卡頓、掉幀等問題,影響學(xué)生操作的體驗(yàn)感,所以原始設(shè)備模型要在不影響設(shè)備功能和結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行減面、減線處理,縮小模型的容量。

(2) 模型UV 展開。 當(dāng)設(shè)備表面的紋理和圖案比較復(fù)雜時(shí),需要對(duì)模型進(jìn)行UV 展開,將一個(gè)三維模型展開成一張二維平面,將一張貼圖放置在二維平上,通過調(diào)整二維平在貼圖上的位置,展示設(shè)備表面的紋理和圖案,從而提升設(shè)備外形或場(chǎng)景的逼真度。 將處理好的模型以FBX 格式文件導(dǎo)入U(xiǎn)E 軟件。

3.2 場(chǎng)景搭建和模型渲染

(1) 場(chǎng)景搭建。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中最大的優(yōu)勢(shì)是讓學(xué)生在虛擬的場(chǎng)景中完成教學(xué)。 所以虛擬現(xiàn)實(shí)案例需要模擬出一個(gè)高壓開關(guān)柜的高壓斷路器操作的虛擬場(chǎng)景,與真實(shí)的高壓開關(guān)柜的高壓斷路器所處的配電室場(chǎng)景比較接近,這樣學(xué)生在操作時(shí),能夠感覺自己在真實(shí)的配電室操作,使學(xué)生獲得更好的感知體驗(yàn)。

(2) 光照設(shè)置。 UE 軟件的光照設(shè)置會(huì)極大影響虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的虛擬體驗(yàn)效果。 對(duì)于供配電室的虛擬場(chǎng)景,使用直射的人造燈作為光源,使供配電室的采光效果優(yōu)于其他位置,更好的模擬出真實(shí)的供配電室的光影效果。

(3) 材質(zhì)包制作。 模型材質(zhì)會(huì)影響設(shè)備外形材質(zhì)的真實(shí)感,會(huì)影響設(shè)備或構(gòu)件的虛擬的體驗(yàn)效果。 為了提升學(xué)生實(shí)訓(xùn)對(duì)設(shè)備的操作或視覺體驗(yàn)效果,可以從實(shí)際設(shè)備上提取材質(zhì)貼圖或自己制作材質(zhì)［3］。

3.3 人機(jī)交互功能的開發(fā)

3.3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互設(shè)計(jì)思路

虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互設(shè)計(jì)的核心是將操作者虛擬到虛擬場(chǎng)景中,將操作者的動(dòng)作在虛擬場(chǎng)景中表現(xiàn)出來,并且讓操作者體驗(yàn)到操作的效果［4］。

虛擬交互設(shè)計(jì)。 定義操作體驗(yàn)者的虛擬化身,同時(shí)將硬件的虛擬頭盔和虛擬手柄綁定后,虛擬化身集成操作體驗(yàn)者所使用的頭盔、手柄具有的“上下、左右、前后”的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；操作體驗(yàn)者利用虛擬現(xiàn)實(shí)手柄向虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境發(fā)送操作指令,使虛擬場(chǎng)景按指令發(fā)生變化。 虛擬化身將虛擬場(chǎng)景變化實(shí)時(shí)傳輸給體驗(yàn)者,從而實(shí)現(xiàn)操作體驗(yàn)者與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的交互。

操作體驗(yàn)者的虛擬漫游功能設(shè)計(jì)。 虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)者在虛擬環(huán)境中上下、左右、前后移動(dòng),這種位置改變定義為虛擬漫游。 在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中,虛擬漫游有平動(dòng)和瞬間跳躍兩種。 平動(dòng)功能以虛擬化身的視角正前方為基準(zhǔn),從前后、上下、左右6 個(gè)方向進(jìn)行平移。 本漫游方式最大的特點(diǎn)是體驗(yàn)者可以移動(dòng)到虛擬場(chǎng)景中的任何位置,所以具有很好的移動(dòng)能力,但缺點(diǎn)是使操作體驗(yàn)者有不舒服的感覺,比如有的體驗(yàn)者會(huì)感到“頭暈”。 虛擬漫游的另一種移動(dòng)是瞬間跳躍,這是最常見的人物運(yùn)動(dòng)方式之一,它最大的優(yōu)點(diǎn)是跳躍前后,人物瞬間的位置發(fā)生變化,這種位置的移動(dòng)方式能夠有效避免平動(dòng)漫游使體驗(yàn)者感覺不舒服的問題。 在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),根據(jù)不同的情況,將兩種漫游功能配合使用,以便體驗(yàn)者獲得最佳體驗(yàn)感。

3.3.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)展示功能設(shè)計(jì)

在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中通過爆炸圖來展示設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)。 爆炸圖根據(jù)結(jié)構(gòu)順序依次爆炸展示,可以結(jié)合文字或語音講解,使實(shí)訓(xùn)操作者詳細(xì)了解設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理。 實(shí)訓(xùn)操作者也可以通過漫游移動(dòng)方式到設(shè)備前仔細(xì)觀察或直接進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部更詳細(xì)地了解設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)。

3.3.3 設(shè)備拆裝功能設(shè)計(jì)

在裝配設(shè)備時(shí),實(shí)訓(xùn)操作者通過手柄指向要裝配的部件,部件成亮度狀態(tài),實(shí)訓(xùn)操作者按住手柄扳機(jī)選中部件,并按裝配的方向?qū)Σ考M(jìn)行移動(dòng),直到部件到達(dá)裝配位置,松開手柄扳機(jī),完成一次裝配。 實(shí)訓(xùn)操作者按照裝配手冊(cè)依次組裝部件。 在以上裝配過程中部件以自由移動(dòng)模式裝配。 在裝配訓(xùn)練時(shí),若部件裝配的要求是按軸線裝配,就要沿坐標(biāo)軸移動(dòng)模式進(jìn)行裝配。 沿坐標(biāo)軸移動(dòng)模式裝配:手柄射線指向要移動(dòng)的部件時(shí),按下手柄上規(guī)定的按鍵后再按下手柄扳機(jī),這時(shí)在部件中心位置會(huì)顯示自身直角坐標(biāo)軸,此時(shí),該部件不再進(jìn)行自由移動(dòng),將手柄射線指向某一坐標(biāo)軸方向,按下手柄扳機(jī)對(duì)部件進(jìn)行拖拉,部件將沿指定的坐標(biāo)軸移動(dòng)。 沿坐標(biāo)軸移動(dòng)模式是模擬吊車、起重機(jī)等設(shè)備的工業(yè)裝配的操作。

3.3.4 手動(dòng)模擬操作設(shè)計(jì)

為了模擬設(shè)備的裝配或操作順序,設(shè)計(jì)設(shè)置了設(shè)備各部件的裝配順序或設(shè)備操作順序,實(shí)訓(xùn)操作者必須按照裝配或操作順序來操作,如果操作有誤,會(huì)出現(xiàn)文字或語音等提示。 實(shí)訓(xùn)操作者通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以無限制的模擬訓(xùn)練裝配或操作技術(shù),極大地提高了實(shí)訓(xùn)操作的安全性和有效性。

4 結(jié)語

本文講述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高職實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的必要性。 對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)案例的開發(fā)總體設(shè)計(jì)和案例實(shí)際開發(fā)過程,特別是設(shè)備結(jié)構(gòu)展示、拆裝、手動(dòng)模擬操作等設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)論述。

通過虛擬現(xiàn)實(shí)案例可以使操作者實(shí)訓(xùn)操作的安全性和學(xué)習(xí)效率得到很大的提高。