浅谈虚拟现实技术在中职模具专业的应用

卢瑞光

随着虚拟技术的迅速发展和广泛应用，虚拟教学系统成为一种有效的辅助教学手段。目前职业学校模具专业学习主要以模具装配检修为主，但由于受到设备、场地等多种条件限制，学生不能很好地掌握模具装配维修技能，降低了学生操作的安全性，再加上学校需要投入大量实习设备，大大增加了教学成本。虚拟现实技术的出现，很好地解决了这些问题，激发了学生的学习兴趣和求知欲，提高了学生学习的积极性。

一、虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，它使用户沉浸到该环境中，其核心就是利用一个虚拟系统去模仿真实系统。它具备可控制、无破坏性、消耗小、可重复利用等特点。

虚拟现实技术在教学中的应用还停留在初级层次，比如多媒体课件的开发等，这些技术属于桌面虚拟现实。桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，计算机的屏幕用来作为用户观察虚拟境界的一个窗口，各种外部设备一般用来驾驭虚拟境界，辅助操纵在虚拟情景中的各种物体。这些外部设备包括鼠标、追踪球、力矩球等。桌面虚拟现实要求参与者使用位置跟踪器和另一个手控输入设备，如鼠标、追踪球等，坐在监视器前，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者并不能完全投入，因为桌面虚拟现实仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实虽然缺乏完全投入的功能，但是由于其成本相对低一些，适用于教学过程中采用多媒体教学课件或教学软件的应用。本文采用的虚拟现实技术主要就是桌面虚拟现实。

二、虚拟现实技术在中职实训教学中的现实意义

在学校教育中，特别是职业技能类教学中，虚拟仿真技术应用较多。它不仅适用于课堂教学，也适合在实训教学中使用。以前由于开发难度较大、开发成本较高，仿真技术系统一直集中在少数几类专业中使用。近年，随着VR技术的发展，虚拟仿真系统的开发成本越来越低，越来越多的职业技能学习可以使用计算机虚拟设备来代替实际模具去完成教学任务。这样，学生在教室就可以做各种实训，得到和真实实训同样的体会，从而丰富了感性认识，加深了对知识的理解。

以往，对危险操作的学习一般都是通过录像教学，学生很难有真实的体会，但利用VR技术就可以避免真实操作带来的各种危险。例如，在模具维修实训中，学生要面对各种复杂模具结构，遇到加载预紧力的弹簧结构时，如果操作不小心，就很可能带来人身伤害。如果通过虚拟系统进行教学的话，就可以避免学生因操作失误而造成的人身事故。同时，学生还可以通过系统反复练习增加熟练程度，在现实中避免事故的发生。

虚拟现实技术可以彻底打破空间的限制，大到宇宙天体、小至原子粒子，学生都可以贴近观察，产生直观体验。例如，在机修实训中，学生可以“进入”设备内部观察各个部件的工作状态及各个部件间的联系，从而了解机械的整个工作过程。而在传统教学中，无论是运用电视媒体还是实物媒体，都不可能实现这种效果。

虚拟现实技术还可以使抽象的概念直观化、形象化、具体化，使学生进行探索性学习，这有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。例如，在讲解传动结构时，教师可以让学生在具体的机械设备中自己观察和寻找相关部件。虚拟技术的交互性和沉浸性使学生全身心地投入学习，提高了学生的专业技能。

三、虚拟现实技术在模具教学中的具体应用

采用虚拟现实技术来模拟真实的模具，可以节省大量的实训耗材费用、降低风险，具有很高的实用性，同时也可以提高模具实训的教学效果和教学质量。笔者将遵循探究式体验教学模式（如图1）进行具体应用。而虚拟现实技术则是从以下两方面应用到实训教学上。

第一，利用虚拟现实技术实现机床工作过程的三维演示。在传统教学中，学生通过在书本上察看各种机械设备的平面图形，或到实训场地观察实际的设备外形来获得各种感性认识。书本上的平面图形限制了学生的空间想象能力，实训教学又无法兼顾理论知识的学习，而且又增加了学校的投入，这些都不利于学生学习质量的提高。笔者通过制作注塑模虚拟装配过程来说明虚拟现实技术在模具实训教学中的具体应用。首先，使用三维建模软件对模具各个部分进行建模，然后，通过虚拟现实软件设计具有交互模式的虚拟现实系统，此系统功能应具有可拆卸、可操控、可装配、可维护等功能。使用者在使用系统的时候，将以第一人称视角进入场景中，整个场景为三维建模而成，学生可围绕一个模具进行观察。鼠标单击某个部件时，将显示该部件的名称和作用。鼠标右击该配件时，将弹出菜单选项，内容包括提取部件、更换部件等，单击提取部件时，整机的其他部分将隐藏，单独显示该部件，使用者可通过鼠标旋转放大该部件。教师还可以为使用者预设多个模具故障，并规定检修时间，使用者将以第一人称视角进入场景中，按照设置好的步骤对模具进行检查，模拟实际的检修过程。只要进入这个虚拟现实系统，学生可以随时随地认识这些机械设备及其内部结构，感知设备运行状况，增强学生理解能力，提高学习效果。

第二，利用虚拟现实技术进行模拟装配、调试和维修教学。在教学中特别是实训教学过程中，由于受价格的限制，许多昂贵的设备无法进行拆卸装配教学，有许多实训是无法实现的。如果利用虚拟现实技术建立虚拟系统，学生就可以“进入”这个虚拟系统，如身临其境般操作虚拟设备，进行各种虚拟的拆卸与组装。这种实训既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至学生学会为止。虚拟实验室的另一个优点还在于其绝对的安全性，不会因操作失误而造成安全事故，可有效满足学校的实训需求和学生的学习需求。

四、虚拟现实技术在我校模具教学中存在的问题

目前，根据学校的教学设备条件还无法完全实现课堂教学全过程的虚拟现实技术，但该研究在部分教学中已经取得很好的成果，如在模具结构的教学中。目前，我校的虚拟现实技术存在的问题主要表现在以下三个方面。

第一，虚拟系统有待进一步开发。要达到与课程目标完全一致的教学任务，就要根据学生学习程度的不同，不断完善系统内容、优化系统结构。学校可在现有系统基础上对系统内容加以扩充，达到资源最大化的合理利用。

第二，硬件环境还有待提高。桌面虚拟现实技术与沉浸系统相比，学生的体验完全不同，要使体验得到进一步提高，就必须开发沉浸系统，这就需要大量的硬件设备投入来建立虚拟现实实验室。

第三，虚拟系统的三维模型太少。模具专业学生的主要培养方向是模具维护和加工，单一的设备只会禁锢学生的思维，在今后的系统建设上还需要更多的数据模型来充实系统内容。

（责编 黄紫鹃）