虚拟技术在机械专业实践教学中的应用探讨

孙金超

摘 要：改革传统的实践实训手段，优化实践实训环境及方法，是提高应用型人才培养质量的迫切要求。虚拟现实技术作为一种辅助教学手段，它改变了单一外部刺激的教学模式，有利于知识的获取。虚拟现实技术通过虚实融合营造智慧教学环境，使学习者获得真实的情境体验，能有效地促进学生认知结构的形成和发展，使人们的认识观念、教育观念发生根本性的变化，虚拟技术成为高校培养应用型人才的重要手段。本文阐述了虚拟技术的特点，讨论了虚拟技术在理论教学和实验教学过程中的应用优势，对虚拟技术在近机械类专业教学、实践中的应用展开探讨，旨在为促进近机械类专业教学有序开展研究适用提供思路。

关键词：虚拟现实技术 体验教学 虚拟情境 实践教学

中图分类号：TH11-4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（c）-0207-03

Abstract：It is an urgent requirement to reform the traditional practical training methods and optimize the practical training environment and methods to improve the quality of applied talents training. As an assistant teaching method， virtual reality technology has changed the teaching mode of single external stimulus and is conducive to the acquisition of knowledge. Virtual reality technology creates a wise teaching environment through the virtual reality fusion， enables learners to acquire real situational experience， effectively promotes the formation and development of cognitive structure， and makes fundamental changes in people's cognitive and educational concepts. Virtual technology has become an important means of training applied talents in Colleges and universities. In this paper， the characteristics of virtual technology and the advantages of virtual technology in the process of theoretical teaching and experimental teaching was discussed. This paper discusses the application of virtual technology in the teaching and practice of the n mechanical specialty， aiming at providing ideas for promoting the orderly research and application of mechanical specialty teaching.

Key Words：Virtual Reality Technology； Experience teaching； Virtual situation； Practice Teaching

隨国际经济规律的变化及国内产业升级进程，对适应现今国内产业结构的技术人才的培养要求逐渐提高，由于传统教育模式与教学功能的局限和教学手段的落后及教学方法的单一导致我国人才的培养特别是技能应用型人才的培养还不能满足经济社会的快速发展。传统的教学手段不能够使学生充分地、积极有效地参与到课堂学习中来，学生经常游离于课堂教学过程之外，在很大程度上无法真正发挥出教师的主导性和学生的主体性，尤其是学生不能将课堂学习、知识储备的转化、个人能力的提升、解决问题能力的升华等环节贯通起来，因此并没有达到教育教学预想要达到教师传授的知识转化为学生的能力、学生不能根据情境的特殊性和复杂性综合地运用所学的知识和能力解决实际问题的效果，导致“应用能力差，实践能力薄弱”等当前高等教育和人才培养中普遍存在的问题。高度重视实践环节，提高学生实践能力已是高等教育和教学实践中急需解决的一个核心课题。

虚拟现实是一种先进的计算接口技术，是由计算机和电子技术创建的新世界，是一个看似真实的模拟环境。它将现实世界中存在或者不存在的事物和环境，通过各种技术虚拟出来，再根据视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等因素的协同作用，通过多种传感设备，使用户可根据自身的感觉，以人的自然技能对虚拟世界中的对象进行考察和操作，以自然的方式与这个环境进行交互，通过实现用户和该环境直接进行交互并参与其中的事件，使参与者“沉浸”于模拟环境，感觉到就如真实的世界一样，从而产生置身于相应真实环境的虚幻感、沉浸感和真实感[1-2]。基于多媒体计算机技术、仿真技术和人工智能技术基础之上的虚拟现实技术能够有效地解决提高学生应用能力和实践能力这一问题。

1 虚拟现实技术的特点及主要类型

虚拟现实技术是以现代的计算机技术为基础，利用高科技手段形成逼真的味觉、嗅觉、触觉、听觉和视觉一体化的虚拟环境的技术。虚拟现实技术具有交互性、沉浸性、多感知性等基本特点，虚拟现实系统包括桌面虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统增强式虚拟现实系统等多种类型，该技术可以弥补传统教育缺乏亲身体验的缺陷。用户利用特殊的输入/输出设备便可以进入虚拟空间，给学习者提供视觉、听觉、味觉等综合体验，可以突破时间和空间限制，创建真实感的学习环境，使用者在虚拟环境中可以真实地感知和操作虚拟世界中的各种对象，实现实时交互，从而获得身临其境的感受和体会。由于亲身体验远比空洞抽象的说教更具说服力，尤其在虚拟教学、虚拟实验等方面的应用更具广泛性，帮助学生更好、更生动地理解所学的专业知识[3-5]。

2 虚拟现实技术在教学过程中的应用

虚拟现实技术通过虚实融合营造智慧教学环境，使学习者获得真实的情境体验。虚拟现实技术可以提供生动、交互的学习材料，提高学习者沉浸感和想象力，使学习的深度、广度有所增加，引导课程学习进入新境界[6]。

2.1 虚拟技术在教学中应用的优势

虚拟现实技术在教学过程中应用具有以下4个明显的优势：第一，虚拟现实技术能够弥补远程教学条件的不足。以往在远程教学中往往因为实验设备、实验场地、教育经费等多方面原因，使得一些必要的教学实验无法开展。然而利用虚拟现实系统，学生借助虚拟实验室可以获得与真实实验相同的学习体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。第二，虚拟现实系统可以避免真实实验或操作所带来的危险。在教学过程中对有危险的实验，往往是采用专业教师为学生做演示实验，学生并不能直接参与实验过程。而利用虚拟现实系统进行虚拟实验时，学生不但可以亲自动手开展试验，还可以多次重复进行实验，获得感性认识。第三，虚拟现实技术可以彻底打破空间、时间的限制。利用虚拟现实技术可以实现大到宇宙天体，小至原子粒子或者缩短或延长事物的发展周期。学生可以根据需要对事物进行了解，获得感观认知。第四，虚拟现实系统可以虚拟人物形象。例如虚拟历史人物、伟人、名人、教师、学生、医生等各种人物形象，创设一个人性化的学习环境，使远程教育的学生能够在自然、亲切的气氛中进行学习。

2.2 虚拟技术在实践教学中的应用

虚拟现实技术可实现集教学、体验、实践等于一体的立体化教学，改革传统教学模式，创新教学方法，达到培养创新型、实用型人才的目的。虚拟现实技术在实践教学中的应用总结如下[7-9]。

（1）辅助教学。

在机械类专业课中大多涉及到机械结构和设备或机械结构的工作原理，教师在教学过程中很难全面地讲解和展现出设备的全貌和组成。对于机械结构的工作原理也只能是教师讲解和学生的抽象想象来完成。然而，学生借助虚拟现实系统不但可以观察到机械结构的组成，还可以直接观察机械结构复杂的工作过程，帮助学生消化和理解抽象的概念，使理论直观化、形象化，提高教学过程中知识传递的质量和效率。

（2）虚拟设计。

在机械类专业课程培养目标的设定中大多要求学生能应用相关专业知识，进行简单机械结构设计，培养学生的动手能力、分析和解决问题的能力。虚拟现实技术可以对学生设计过程中所提出的各种设想进行模拟，通过虚拟系统可以直观地观察到每一种设想所产生的效果，从理性和感性等多个角度对知识难点进行探索认知，将其消化理解，从而有助于创新和深化概念，最终实现提高学生实践能力的目的。

（3）虚拟装配。

在机械制造的这个领域中，往往要将几十、上百甚至成千上万的零件装配到一起组成机械产品，然而机械产品的配合设计、可装配性的错误，往往在最后的装配阶段才能发现。由于机械产品设计的精度不同、形状不同，所模拟的产品的装配过程也不同。采用虚拟现实技术虚拟装配一台机械产品时，学生可以通过交互的方式，进行机械产品的模拟装配。在虚拟装配训练系统中，学生可以反复对各种类型结构进行分解和组装的操作，这使得学生对典型机械结构的组成和分类有更清楚地认知，了解和学习各种典型机械结构的结构特点，从而加深学生对该部分知识的认识和掌握。

（4）虚拟实验。

机械类专业学生需要经过大量实训来强化理论知识。但是由于学校教学用实验设备数量有限，实验时间和空间受限，而且对于危险性较大的实验学生动手操作的机会较少。虚拟现实技术的沉浸性和交互性，使每一位學生都能够在虚拟的实验环境中获得参与实验的机会，这非常有利于学生的技能训练，学生可以反复练习，直至掌握操作技能为止，提高对学习内容的感性认识，加深对实验教学内容的理解，培养学习兴趣。

（5）虚拟实验室。

机械类专业基础课中大多安排大量实践教学，用来培养学生实践能力，例如力学实验、冲压实验、流体力学实验等等。传统的实验教学上课时间、地点比较固定，设备的数量有限，学生的数量较多不能全部参与到实验中。如果在实验中存较大安全隐患时，学生甚至无法直接参与到实验过程中。通过虚拟现实技术可以创设虚拟教学情境，为学习者亲身实践提供了可能性。在虚拟实验室中学生在相对安全的条件下，可以获得与实践教学中相同的体验效果。

3 结语

通过虚拟教学，虚拟实验室能够使学习者获得真实的情境体验。虚拟实验具有生动、实验效果直观、安全性好等优点，有利于学生理解和掌握复杂机械结构的原理、制造与装配工艺、使用与操作，有利于激发学生的学习积极性及创新思维，有利于学生的创新实践活动。虚拟现实技术为教学提供了新工具，为教育领域创新提供了技术支撑，将为教育的改革与发展带来生机与活力。

参考文献

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