浅谈VR技术在机电类专业中的应用

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摘 要：目前vr技术在诸多社会领域得到了广泛应用，尤其在职业教育教学领域中，VR技术所提供的直观性、沉浸性、互动式的教学体验，对依附于传统教学设施设备上的教学模式、教学手段和教学理念带来了巨大的冲击。本文对如何在机电类专业中利用VR技术进行教学改革，并对如何促进VR技术与机电类专业建设相结合进行了一些探讨。

关键词：VR技术；机电类专业；理论教学；实训教学；实践教学

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.09.145

目前VR技术作为一种新型的教学手段已经越来越多的应用于职业教育教学中，针对机电类专业教学中某些理论知识、结构原理难懂难学，而学生基础薄弱、学习积极性不足的矛盾，VR技术所具有的良好交互性、直观性、场景逼真性等优势，很好地解决了教与学面临的困境；同时VR技术也能一定程度上解决机电类专业实训实践内容对场地、材料、设施设备、人员等的限制性要求，这对专业建设面临资金不足、基础设施设备不够完善的学校提供了解决方案。

1 VR技术概述

1.1 VR技术概念与特征

VR技术集成计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术，是计算机产生的一种人为虚拟的环境，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用。

VR技术具有以下主要特征：

（1）沉浸性 使用者完全融入虚拟环境，并且认为该环境是真实的，自己就是该环境的一个组成部分，使用者由观察者的角色转变为主动参与者，具有主导性。

（2）交互性 改变传统人机交互利用鼠标和键盘的一维、二维交互模式，利用人在客观世界中的实际动作，借助特殊虚拟现实设备进行交互，产生和真实世界一样的感知。

（3）想象性 虚拟现实不仅仅是一个软件一个平台，其能突破时间和空间，进入宏观或者微观世界，让使用者完成在现实中由于各种条件制约而难以完成的事情。

1.2 VR技术分类

根据用户参与虚拟现实的不同形式以及沉浸的程度不同，虚拟现实技术可分为三类。

（1）桌面式 利用个人计算机或图形工作站等设备，产生虚拟场景，通过位置跟踪器、数据手套、力反馈器、三维鼠标或其它手控输入设备，将计算机的屏幕作为观察虚拟世界的一个窗口，在一些专业软件的帮助下，参与者可以在仿真过程中设计各种环境。

（2）沉浸式 通常采用头盔式显示器、洞穴式立体显示等设备，利用空间位置跟踪定位设备、数据手套、其他手控输入设备、声音设备让使用者沉入其中。

（3）共享式 是一种基于网络连接的虚拟现实系统，它将多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，达到协同工作的目的。

2 VR技术在机电类专业中的应用

2.1 理论教学中的应用---VR课堂

理论课堂教学是学生学习的主要途径，VR技术应用于机电类课堂教学主要是依据不同教学内容而采取不同的实现形式。

（1）VRPPT应用 机电类专业课程中，如机械原理、液压与气动原理等涉及原理、概念等的内容，如果依据传统的课件、视频学生难以理解，借助VRPPT使老师从传统的二维PPT教学转化成3D 教学，依托桌面虚拟显示平台与3D 投影相结合，让平面物体可视化，这样学生和老师就能真实感受机械系统的内部结构与工作原理及实践应用，能促进学生对理论知识的理解和掌握。

（2）VR视频应用 机电类课程涉及到实物展示、加工维修、拆装等内容通常利用图片、视频或者真实物体来进行教学，例如机械制图课程中组合体读图、零件结构认知、装配结构认知等，由于学生位置角度和参与度或者实物不方便拆卸等因素的限制使教学效果大打折扣。通过VR技术，构建一个与实物同样的三维物体，如可采用3dsMAX建模，在VRML播放器中使用，或者利QUICKTIME VR等进行形象、生动、直观的教学，学生学习的兴趣会有极大提升。

一般而言，传统n堂理论教学中利用VR技术进行辅助教学，要课程资源兼容普通电脑和VR 设备，教师可通过普通电脑进行编辑，然后导出编辑内容到VR 设备，即可实现VR 课堂从编辑到授课。

2.2 实训教学中的应用----VR实训室

VR技术在实训教学中的应用是该技术和职业教育相结合的最主要表现形式。VR实训室依托虚拟现实设施设备以及配套的机电类专业课程实训VR 软件，可以完成传统实训难以达成的一些项目并取得良好效果。

（1）弥补资金不足，实训设备陈旧落后。机电类专业的特殊性，导致实训设施设备价格高昂，占地面积巨大，学校资金不足，不能及时更新换代导致学非所用，学校甚至租用、借用设施设备进行实训教学，严重影响了教学效果。利用VR技术创造生产现场模拟的实践环境，实训教学不再受场地、设备限制，满足教学的实际需求。

（2）突破时空限制，实训更形象直观。机电类实训过程中，采用VR技术可以打破时间和空间的限制，模拟还原某个情境或者场景。例如，电工课程中的，触电急救课程，在现实条件下无法完成，学生通过操作VR 设备，可以进行现场虚拟实训，作为真正实训前的“预实训”。

（3）学生自主选择，实训可重复。利用VR技术，学生自助选择实训模块及次数，增强实训效果，不产生耗材成本问题。例如大型机械的拆装，利用VR技术不仅实现产品模型以装配图和爆炸图的形式出现， 同时又能满足机械维修训练， 实现产品的反复拆装模拟。

（4）避免风险，实训更安全 。VR技术可以避免实训环节中的危险风险，提升实训效率，同时节约实训成本。例如，电工电子实训中，电流热效应带来的爆燃，学生误操作导致设备损坏、触电风险等。在焊工实训中，不需要真实焊机的情况下，VR设施设备将焊接演练过程中焊枪的位置、速度和角度等进行采集处理，并实时生成虚拟焊缝。

2.3 实践教学中的应用----实训基地

VR实训基地的打造，可以解决机电类专业面临的校内外实训基地数量不足、质量不高，校企合作很难实质性融入，学校投入难、学生实践管理难等问题。机电类VR实训基地是一个集多个专业的教学实训、VR 资源开发、VR 人才培训、参观体验展示四大功能于一体的基地。

基地大致布局为：围绕综合功能分区、硬件建设及VR 教学实训软件与配套教学资源的安装与部署等建设需求，含六大区域，即专题展示区、全景教学区、桌面实训区、沉浸体验区、体感交互区及虚拟仿真区。

基地基础功能是：

（1）多专业综合实践平台 基地根据不同课程配备相适应的桌面式、头盔式、体感式等各类虚拟交互设备，以各专业人才培养方案为依据定制开发VR 软件、资源等内容，可全面满足机电类专业的实践需求。

（2）VR 人才培训平台 结合机电类专业教师资源、课程资源，可承接周边院校学生及社会人士的VR 技术技能培训，不断满足社会对VR 领域人才的需求。

（3）VR Y源开发平台 基地和校企合作单位、VR技术开发企业等合作开发VR 教学资源，老师参与共同研发VR 软件和配套资源及承接相关VR 资源开发需求；学生可获得实习实践岗位。

（4）VR展示体验平台 基地对本地中小学生、企事业单位开放，学校对VR 技术应用、实践的成果展示，作为学校创新职业教育发展品牌的传播窗口。

3 VR技术对机电类专业建设的要求

（1）教育教学理念转变 教师要对VR新技术的应用有积极的态度，要不断更新和完善人才培养方案，能把新技术融入到人才培养的知识目标、技能目标、素质目标中。特别是要善于将机电类专业知识、资源等通过VR技术进行转化，不断发现和研究实践中遇到的问题，把教师在传统设施设备上依附的演示者角色向VR技术中要求的指导者角色转换，培养学生的探究意识、创新意识。

（2）教育教学内容重构 根据VR技术的特点重新架构教学内容，一般而言，机电类专业涉及到的理论、原理等复杂深奥的知识或者机械加工技能训练、机械装置拆装技能训练等课程可以采用桌面式设施设备进行教学，对于因时间、空间限制无法讲清的内容，可采用沉浸式设施设备进行讲授等，通过教师参与设计教学资源，选择恰当的虚拟现实设施设备，重构教学内容、创新人才培养方案。

（3）教育教学管理创新 VR技术应用使得传统 “师生互动、生生互动”课堂结构增加了两个变量“教师与设备互动、学生与设备互动”，这对教师的教学管理提出了更高的要求，如何使学生适应并善于利用VR技术进行有别于传统教学模式的学习实践亟待探索。

总之，VR技术应用于职业教育当中是信息技术和职业教育相融合的未来趋势，其直观、互动、沉浸和可重复性等特性易于教师教学、易于学生学习，是机电类专业教学改革、创新发展的必由之路。

参考文献：

[1]李敏，韩丰.虚拟现实技术综述[J].软件导刊，2010（06）.

[2]李姝博.虚拟现实技术在职业教育中应用的理论研究[J].辽宁高职学报，2013（07）.

[3]韩勇.虚拟现实技术在实践教学中的应用[J].电子科技， 2010（12）.