虚拟技术在模具专业实践教学中的应用探讨

赵庆娟

摘 要：经济社会发展需要创新应用型人才，这是人才培养的动力。因此改革传统的实践、实训手段，优化实践、实训环境，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。本文简述了虚拟现实技术特点，讨论了将虚拟现实技术应用到理论及实践教学环节中的优势，并对虚拟现实技术在材料加工专业理论教学和实践教学中的应用展开探讨，这为提高材料加工专业的教学工作提供了一些可参照的思路。

关键词：虚拟现实技术 材料加工 实践教学

中图分类号：TG76-4；G712 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（b）-0-03

Abstract：Economic and social development needs innovative and applied talents， which is the driving force of talent training. Therefore， it is urgent to reform the traditional practice and training methods and optimize the practice and training environment to improve the quality of applied talents training. Therefore， it is urgent to reform the traditional practice and training methods and optimize the practice and training environment to improve the quality of applied talents training. In this paper， the characteristics of virtual reality technology is briefly described， the advantages of applying virtual reality technology to theory and practice teaching is discussed， and the application of virtual reality technology in theory and practice teaching of material processing is also explored， which provides some references thought for improving the teaching work of material processing.

Key words：Virtual Reality Technology； Material Processing； Practical Teaching

随着国际经济秩序的变化和我国产业结构的调整，需要一大批具有实践性、创造性能够直接服务于经济社会发展的应用型人才，市场需求是人才培养的导向。但传统教育手段的落后和教学方法的单一，不能满足经济社会的快速发展。在传统的教学手段教育下，学生不能充分调动积极性，也不能将教授的知识有效地转化为能力，同时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，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。

虚拟现实技术是以现代的计算机技术为基础，将多媒体、多传感、智能技术等综合起来的技术，利用特殊的输入/输出设备便可以进入虚拟空间，用户成为虚拟环境中的一员，通过自然的方式和虚拟世界中的物体进行相互影响。给学习者提供视觉、听觉等综合体验，可以突破时间和空间限制，创建真实感的学习环境、优化教学过程。该技术具有较高的资源利用率、阻隔性、安全性、兼容性，解决了教学过程中以前无法解决的一些难题，由于亲身体验远比空洞抽象的说教更具說服力，尤其在科学研究、虚拟教学、虚拟实验等方面的应用更具有广泛性[1-2]。

1 虚拟现实技术的特点和基本类型

虚拟现实技术具有沉浸性、交互性和多感知性等特点。其中，沉浸性是指计算机操作人员作为人机环境的主导者全身心地沉浸在计算机所生成的三维虚拟环境中，人与环境融为一体产生身临其境的感觉。交互性是指操作人员对虚拟环境内物体的可操作程度以及从环境中得到反馈的程度。多感知性指在虚拟环境中使用者可以通过虚拟现实系统中的传感及反应装置获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的效果。

虚拟现实系统的主要类型有4类，其中包括了桌面虚拟现实系统、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。其中，桌面虚拟现实系统是一套基于普通PC平台的小型虚拟现实系统。利用中低端图形工作站及立体显示器产生虚拟场景，参与者使用位置跟踪器、数据手套、力反馈器、三维鼠标、或其他手控输入设备实现虚拟现实技术的重要技术特征。沉浸式虚拟现实系统利用头盔显示器将用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉。分布式虚拟现实系统是一个基于网络的可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境。增强式虚拟现实系统增强式虚拟现实系统也被称之为混合现实。它是通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，两种信息相互补充、叠加，并同时存在于同一个画面或者空间中。其目的在于通过把计算机生成的虚拟对象与真实环境融为一体的方式来增强用户对真实环境的理解。

2 虚拟现实技术在材料加工实践教学中的应用

虚拟现实技术可以应用在虚拟科学研究、虚拟教学、虚拟实验等方面，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[4]。虚拟现实技术在教学过程中应用具有以下几个明显的优势：第一，虚拟现实技术能够弥补远程教学条件的不足。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。第三，虚拟现实技术可以彻底打破空间、时间的限制。因此，将虚拟现实技术应用在材料加工实践教学中，可以使实践教学具有高效性、真实性、系统性和交互性等特点，能够模拟真实情况，实现辅助教学、冷冲模和塑料模具设计、冲压设备的操作、模具的拆装实验等。虚拟现实技术在实验教学中的应用如下[5-8]。

2.1 知識的学习

在材料加工类专业学习过程中，是以专业理论知识学习和实践教学相结合的方法，使学生理解并应用所学的知识，最终转化为学生内在的能力。其中实践教学是学生获得感性认识的一个非常重要的环节，因此学生可以利用虚拟现实系统进行学习，获得实际生活中无法观察到的事物的变化过程和规律，为学生提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学生解决学习中的知识难点。例如在冷冲压冲裁实验中，板坯将经历从弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶段3个变形过程，整个过程涉及到晶格畸变、位错运动、裂纹萌生以及裂纹扩展，直至板坯断裂冲裁结束都可以实现可视化展示。

2.2 虚拟设计

材料加工专业课程设计及毕业设计是专业理论知识强化和融会贯通的一个必要过程。在传统的教学模式下，一般情况下设计一套模具（注塑模具及冷冲压模具）需要经过零件集合形状测量和结构分析、材料的选择、模具结构的设计等众多步骤，需要花费大量的时间，设计出来的模具往往会出现结构不合理，模具无法实现成形功能等问题。虚拟现实技术则可以对学生所提出的各种设计方案进行模拟，通过虚拟系统便可直观地观察到这一设计所产生的结果或效果，简化很多工序，学生可以利用虚拟现实技术进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。

2.3 虚拟实验室

材料加工作为工科类专业，要求学生要具有很强的动手能力，并通过实际操作强化理论知识。传统的实验教学上课时间比较固定，时间和空间受到限制。并且遇到实验设备昂贵或者实验中存危险等问题时，学生不能全面使用和操作甚至无法直接参与其中。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。例如，虚拟力学实验室、虚拟冲压实验室等，打破传统教学中时间、空间等限制，学生只要在安装有虚拟实验室的设备上即可进行实验操作，在很大程度上提高了学习的自由度。在仿真环境下，借助Unity3D、Cult3D等软件来完成实验操作，避免在进行一些有安全隐患的危险实验时因操作不当造成的不可预料的后果，保障学习者的人身安全。具有交互功能的虚拟实验室能够表现出独特的优势，不用考虑时间、地点及实验过程中各种危险对人造成的伤害，获得与现实中的实验一样的体验效果，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。

2.4 虚拟实验

在机械制造的这个领域中，往往要将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。采用虚拟现实技术虚拟装配一台机械产品，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，用户可以通过交互的方式，进行机械产品的模拟装配，因此在材料加工实践教学中我们可以利用虚拟现实技术，建立各种虚拟实验室例。例如，学生在虚拟设计、装配及操作“实验室”里，学生可以自由地做各种实验。在虚拟实验室里，学生不但可以看到曲柄压力机工作及分解的展示，也可以在虚拟环境拾取坯料，在冲压模具上进行冲裁、拉深等基本实验操作，还可以对不同类型模具（例如简单工序模、复合模、级进模等）进行拆分、测量，并完成绘制图纸等任务。在装配结束以后，虚拟仿真系统能够记录装配过程的所有信息，并生成评审报告、视频录像等供学生随后的检查、分析和评价使用。

2.5 技能训练

虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。由于这些虚拟的训练系统无危险，学生可以反复练习，直至掌握操作技能为止。例如：在虚拟的模具拆装训练系统中，学生可以反复对各种类型模具进行分解和组装的操作拆装模具设备，这使得学生对模具的结构以及分类有更清楚地认知，了解和学习各种不同那类型模具的组成及结构特点，通过拆装训练可以达到了解模具结构，区分不同模具结构特点，从而加深学生对该部分知识的认识和掌握。

3 结语

综上所述，将虚拟现实技术应用在材料加工专业实践教学中能够全面提高专业教学效率。通过虚拟教学、虚拟实验、配套虚拟实验室能够使学生获得真实的情境体验。虚拟实验具有生动、直观、安全等优点，有利于学生理解和掌握抽象概念、模具制造与装配工艺、设备结构与使用操作，有利于激发学生获取知识的积极性及创新思维，有利于面向学生开展创新实践活动。虚拟现实技术为教育领域创新提供了技术支持，虚拟现实教育将作为创新教学的改革方式，因此虚拟现实技术必将为教育的改革与发展注入生机与活力。

参考文献

[1] 李欣.虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J].开放教育研究，2016，22（4）：25-31.

[2] 杜长磊.计算机网络安全中虚拟网络技术的应用[J].科技资讯，2016（2）：23-24.

[3] 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.

[4] 黄俊杰.浅析虚拟机技术的特征与应用[J].现代信息技术，2018，2（8）：104-105.

[5] 史峰.虚拟技术在计算机教学中的探索[J].科技资讯，2011（2）：171.

[6] 王斌.虚拟化技术在高校计算机实践教学中的应用探讨[J].电脑与信息技术，2017，25（6）：70-72.

[7] 卜云峰.本科机械工程类专业学生创新能力的培养[J].教育探索，2008（3）：78-80.

[8] 李金国，杨林生，李云贵.虚拟现实技术应用于高职模具实训教学的有效性探究[J].职教论坛，2010（3）：69-71.