基于VRDO4.0平台的虚拟现实技术在实践实训教学中的应用

谭学飞 朱立达 韩萍

[摘 要]随着我国经济的高速发展，高校培养创新型人才和提高人才培养质量是服务经济社会发展和全面建设社会主义现代化国家的迫切需要。为提高机械类专业学生实践能力并改革传统的实践实训教学内容，对实践实训方法的优化运用是提高实践教学质量的重要手段。该文阐述了虚拟现实技术在实践实训教学中的优势，以数控加工技术实训课程为例，介绍了VRDO4.0平台的功能和教学案例的开发以及应用流程，为实践教学提供参考。

[关键词]虚拟现实;VRDO4.0;实践实训

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）44-0-03[收稿日期] 2020-04-21

近年来笔者所在院校为了进一步提升本科生的培养质量，培养拔尖创新人才，组织专家对机械学科本科生人才培养的社会需求、高水平大学人才培养目标的定位、实践教学的发展趋势等进行了充分研讨。确定了“理论教学与实验教学并重”“校内学习与校外实践并重”“理论学习与实践教学并重”的教学理念，从而不断提升学生的实践能力与创新能力，满足社会对拔尖创新人才的需求。

实践实训是指在学校控制条件下，根据人才培养规律和目标培养学生职业技术应用能力的教学过程，旨在检验学生的知识效能，提升学生的能力效能，发展学生的创造效能，这就要求实践实训必须为学生提供良好的知识获取的途径和条件[1]。目前东北大学机械工程实践实训教学中心拥有机械基础课程教学基地、国家校外工程实践教育中心与国家级虚拟仿真实验教学中心，面向机械学院所有本科生开展相关实践实训教学研究工作。

随着先进科学技术的飞速发展和不断完善，现代高校教育发展也要紧跟时代的脚步，创新教育理念和教学方式方法。而传统意义上的实践实训教学内容单一、教学资源紧张以及实践实训操作中潜在危险性等弊端，已不能满足培养高素质创新型人才的要求。在实践实训教学中引入虚拟现实技术，把信息技术作为提高教学质量的重要手段，为学生提供全新的人机交互体验，不但能够满足学生对于实践实训学习的基本需求，充分调动学生的积极性，更能提高他们的综合实践能力、科研能力和创新能力[2]。

一、虚拟现实技术概述

（一）虚拟现实技术基本概念

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是指采用以计算机技术为核心的现代高新技术（动态环境建模技术、立体显示和多传感器技术、多媒体技术、人工智能技术、并行处理技术和系统开发工具应用技术），生成逼真的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉一体化的虚拟环境，操作者使用必要的装备，以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互，并相互影响，从而获得等同真实环境的感受和体验[3]。

虚拟现实技术主要围绕虚拟环境表示的准确性、虚拟环境感知信息合成的真实性、人与虚拟环境交互的自然性、实时显示、图形生成、智能技术等问题的解决，使得用户能够身临其境地感知虚拟环境，从而达到探索、认识客观事物的目的。

（二）虚拟现实技术的特征

1944年美国科学家G.Burdea和P.Coiffet在《虚拟现实技术》一书中提出，虚拟现实具有以下三个重要特征，分别是沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination），由于三个单词的首字母都为“I”，因此被称为虚拟现实的3I特性。

1.沉浸感（Immersion）。沉浸感是指用户感受到被虚拟世界所包围，好像完全置身于虚拟世界之中一样。虚拟现实技术最主要的技术特征是让用户觉得自己是计算機系统所创建的虚拟世界中的一部分，使用户由观察者变成参与者，沉浸其中并参与虚拟世界的活动。

2.交互性（Interaction）。交互性是指用户对模拟环境内物体的可操作性程度和从环境得到反馈的自然程度。交互性的产生，主要借助于虚拟现实系统中的特殊硬件设备（如数据手套、力反馈装置等），使用户能通过自然的方式，产生同在真实世界中一样的感觉。VR系统强调人与虚拟世界之间进行自然的交互，交互性的另一个方面主要表现在交互的实时性。

3.构想性（Imagination）。构想性是指虚拟的环境是人想象出来的，同时这种想象体现设计者相应的思想，因而可以用来实现一定的目标，进行理念和形式的创新，以虚拟的形式真实反映设计者的思想，传达用户的需求。

二、虚拟现实技术在实践实训教学中的应用及存在的问题

（一）虚拟现实技术的应用背景及优点

传统机械理论教学课程中，由于学生们没有实际经验，对老师课堂上所讲诉的许多原理都会感觉枯燥和难以理解， 即使通过一些视频和动画展示，大部分学生也只是知其然而不知其所以然。特别是对于一些实践性较强的课程，如机械制造技术基础、数控加工技术，需要学生综合运用所学的知识点完成对设备结构的认知和基本功能的操作，因此在实践实训教学过程中需要引入大量工程实践案例。

虚拟现实技术作为虚拟仿真实验教学的重要手段，近几年得到了高速发展，其应用于实践实训教学活动中主要有以下几方面优势[4]：

1.具备真实实验难以完成的教学功能。涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作、高成本、高消耗、大型综合训练等;大型机械装备的拆装演示实验教学，如航空发动机、高档数控加工中心、盾构机、采掘设备等。便于培养学生自主创新的能力，鼓励学生参与开发具有自主知识产权的教学资源。

2.实践实训实验项目的来源。一方面，科研成果转化成常规实践实训课程内容需要漫长的过程，但借助于虚拟现实技术可以让先进的技术和内容尽快投入到教学活动中。另一方面是重大机械工程项目的转化，重大机械工程项目的亲历实践一般不具备可操作性，但虚拟现实技术可以实现多次重复实践实训练习。

3.学生的创新设计与制造。高校机械类专业本科生创新创业大赛、学科竞赛、课程设计中的创新训练项目，借助虚拟现实技术可拓宽学生视野，较高质量地完成项目要求。基于目前三维软件的二次开发可以产品中的各零件参数化建模，再通过VR技术进行虚拟装配，搭建好产品的虚拟模型，使学生能对自己所设计的结构有真实的感性认识，提高学生的主动性和工程意识。

（二）虚拟现实技术在教学过程中存在的问题

虚拟现实技术应用于实践实训教学改变了传统教学方式，大大提高了学生学习兴趣和自主学习能力，有效地促进了教育信息化和教育现代化，但虚拟现实技术发展目前尚处于初级应用阶段，在教育教学资源开发、实践教学与理论教学相结合、学生深度参与性和可持续发展性等方面还存在很多问题。

1.教育教学资源匮乏。目前虚拟现实技术产业飞速发展，软硬件设施更新换代频繁，但技术开发人员力量不足，教育资源设计和技术开发门槛过高。技术开发企业掌握VR应用技术但教育教学专业知识缺乏，而实践实训教师掌握专业知识但缺乏将其转换为VR技术教学案例的能力，这就导致目前现有教学资源的质量高低在很大程度上取决于技术开发人员对教学内容的理解和把握上，严重缺少结合本专业特点的实践实训教育教学资源。

2.虚拟现实技术教学案例多数以演示为主。由于缺少客观、完备的数据模型，教学案例与实际生产脱节，如汽车发动机虚拟现实拆装实验中往往只保留曲轴、活塞、气缸盖等典型零部件，无法完整展示其结构和工作原理，只能起到模拟、示教、示意和认知的作用。

3.教师在科研过程中将科研资源转化为基于VR技术的实践实训教学项目，但由于教学凝练不足，导致这类内容不像教学项目。包括教学目标、实验原理、实验步骤、实验报告等内容不明确、思路不清晰，与专业实验教学课程相比还有很大差距。另外考核要求不明确、无指导性帮助文件，如实验指导书、操作手册等，这些都严重影响实践实训的教学效果。

三、VRDO4.0平台下的虚拟现实技术教学案例应用

（一）VRDO4.0平台概况

VR-DO（创度）是一款面向高端工业领域全生命周期的虚拟现实设计软件，高效整合了主流工业数据，并且实现快速搭建工业场景，可使机械、自动化等专业教师用于虚拟现实实践教学。

与传统虚拟现实平台Unity3D和Unreal Engine相比，VR-DO具有以下优势特点。首先面向的用户不同，上述两款引擎的主流用户群体还是游戏开发者，而VRDO则是专注高端工业制造业，专门针对工科专业的实践教学需求开发适合的功能。第二是易用性，前两者的使用者需要具备一定的编程基础，并且在功能参数种类、参数设置等方面比较繁琐，学习开发成本高。而VRDO则易学易用，界面简洁明了，学习成本大大降低。最后是专业功能和数据承载量方面，传统平台在使用工业行业的功能需求时，如剖切、测量等，需要进行二次开发工作。而VRDO专注工业行业，内置多个工业需求功能，数据承载量更大，如模型的完整结构树重现、测量、剖切、装配等。

（二）机械工程实践实训教学案例开发应用

机械工程实践实训教学的目的是将专业的理论知识具体应用到实际生产活动当中，培养相关专业学生的实践经验和创新意识。为了达到预期目标，在培养计划中开设了诸如机械设计课程设计、数控加工技术实训、金工实习、生产实践实训等课程。

以数控加工技术实训课程为例，该课程要求学生熟练掌握典型加工中心设备的结构、工作原理、加工范围、加工精度、加工工艺流程和设备操作流程，通过典型零件的设计、加工制造、精度检测等全生命周期产品生产过程，提高学生的实践技能。

尽管学校在教学实验中心建设过程中投入大量人力、财力采购相关仪器设备，并与校外生产企业合作开展联合培养等教学计划，但由于校内实训设备昂贵台套数少、操作过程中存在风险、校外企业接待热情不高、学生大多走马观花等各种主客观原因，实践实训效果依然不尽如人意。基于此，结合虚拟现实技术的特点，将VR技术应用于机械工程实践实训教学过程中，丰富了教学方式方法，提高教学质量。

本案例以典型五轴联动数控加工中心为核心内容，借助VRDO4.0平台技术，搭建虚拟现实实训场景，完成数控加工技术实训课程教学。

1.利用Solid Works、UG、Pro/E等三维建模软件创建加工中心模型并完成装配过程。在此过程中，让学生掌握加工中心结构组成及装配关系，建立装配体树状结构组织。最后将文件保存为.asm格式，便于导入虚拟现實平台。

2.使用VRDO4.0平台生成教学案例，首先创建新的文件并选择预设场景（以工厂场景为例），将.asm导入平台，这一过程中平台自动转换装配体模型并保存原模型的树状结构便于后期编辑。根据场景和模型的实际情况，利用移动、缩放、旋转等命令调整模型大小比例、摆放位置及角度，使其接近真实工厂生产状态，并将整个场景内容设置为允许漫游状态。

3.由于导入的模型依然保留三维建模过程中的属性，利用平台材质编辑器结合真实设备外观特点逐一对其进行材质特性编辑，还可以利用贴图、增加漫反射等功能增强模型真实效果。

4.利用VRDO4.0平台动画编辑器完成加工中心五轴联动工作过程，包括滑枕部沿横梁部的X轴方向平移、主轴箱部沿滑枕部的Z轴方向垂直运动、横梁部沿左右立柱部的Y轴方向运动、工作台360度旋转的C轴运动以及绕X轴方向摆动的A轴运动。同时选取典型发动机叶片零件，根据实际工件加工过程编辑加工动画。

5.分别选取平行于X轴、Y轴、Z轴的截面完成剖切命令，便于学生观察主要零部件的内部结构及各零部件之间的装配关系。利用平台虚拟装配功能，依据实际生产装配工艺流程设定装配条件，完成虚拟装配模块教学内容。

6.完成上述内容后，保存文件并打包场景，将场景保存为.world格式文件。利用VRDOPlayer平台将全部教学内容呈现到虚拟现实环境当中，在VR环境中学生可利用相关命令工具完成如设备结构和工作原理认知、数据测量、虚拟仿真装配、典型零部件虚拟仿真加工等学习内容。

此过程为虚拟现实实践实训教学设计，学生在教师讲解后独立完成课程内容，在掌握VRDO4.0平台操作方法后自行设计加工零件，利用专业理论知识和虚拟现实技术完成加工过程。除虚拟实践实训教学外，学生还要到实验教学中心使用真实加工设备，通过“虚实对比”巩固专业理论知识、提高实践能力和创新意识。

四、结束语

现代教育秉承实践实训教学与理论教学相辅相成，虚拟现实作为信息化教学的代表性产品，运用在机械工程实践实训教学中具有传统教学方式无法比拟的明显优势，对于提高教育教学质量、培养具备国际视野的“新工科”专业学生意义重大。VRDO4.0平台以其自身功能特点，面向实践性较强的机械类专业实训课程，极大程度地激发了学生的学习热情，提高了综合运用专业理论知识和实践技能的能力。

参考文献

[1]张建武，孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].电化教育研究，2010（4）：109-112.

[2]程轶波.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].当代教研论丛，2018（6）：94-94.

[3]李建，王芳.虚拟现实技术基础与应用[M].北京：机械工业出版社，2018.

[4]熊宏齐.国家虚拟仿真实验教学项目的新时代教学特征[J].实验技术与管理，2019，36（09）：1-4.