基于Unity 3D的石油机械专业教学实践

李哲 伍世英

摘  要 Unity 3D是一个具有三维动态模拟功能的软件，目前广泛应用于实验教学。针对目前国内外石油机械相关课程中传统实验教学方式的不足，基于Unity 3D建立虚拟实验教学平台系统，可实现教学中向学生展示各石油机械的工作原理及运动状态，让学生更好地掌握理论和实践操作技能，同时解决这门课程中实验教学耗资过度、安全性低等问题。

关键词 Unity 3D;实验教学系统;虚拟现实技术;石油机械

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）06-0032-03

Petroleum Machinery Professional Teaching Practice based on Unity 3D//LI Zhe， WU Shiying

Abstract Unity 3D is software with 3D dynamic simulation function，

which is widely used in experimental teaching. In view of the short-comings of traditional experimental teaching methods in petroleum machinery related courses at home and abroad， based on Unity 3D to

establish a virtual experimental teaching platform system， students can demonstrate the working principle and exercise state of each petroleum machinery to the students， so that students can better grasp

the theory and practical ability to operate. At the same time， it can solve the problems of excessive cost and low safety of experimental teaching in this course.

Key words Unity 3D; experimental teaching system; virtual reality technology; petroleum machinery

1 引言

在石油機械专业课程教学中，实验教学更容易引起学生的学习热情，各种机械结构及零部件所带来的视觉冲击激发学生兴趣的效果远胜枯燥无味的文字描述和简单的平面二维示意图，可以直接展示出各种装备的工作原理，强化教学的重点内容，有效提高学生的学习效率，现已成为教学系统中重要的环节[1]。然而，我国各大石油院校的学生数量庞大，现场教学成本太高且容易产生安全事故，或给企业的正常工作带来影响，所以无法全面展开。受限于教学场地及实验经费，多数地区的实验教学系统目前并不能满足师生的需求。

虚拟现实技术是随着计算机技术的发展而诞生的一门技术，它以简单的设备提供直观的演示和模拟，在教学实践中结合理论教学，利用仿真软件在多媒体上进行石油设备工作动态和工况的现实模拟，作为教学的补充，减少教师现场教学的工作量，既帮助学生更好地理解理论知识，又免去以往缺少实物教学的尴尬。随着计算机技术以及多媒体技术的发展，采用Unity 3D软件进行石油机械课程的实验教学是国内外普遍采用的方法[2]。我国各大石油院校开展基于Unity 3D软件的教学实践取得较大收获：

首先，学生能更好地参与课程内容教学，能够把从前因为见不到实物的问题解决在课堂教学阶段，长时间理论学习后尚不知研究对象的组成、工作状态等问题得到较好解决;

其次，保证学生的学习过程完整，通过整个教学系统的建设，教师教学手段不再单一，学生可以更好地了解实际，特别是对于石油机械类的学生来说，Unity 3D软件非常有价值。

从长远发展的角度来说，需要针对Unity 3D软件的特点进行实验课程的设计和相应课件的制作，同时要结合本专业学生以后从事的工作性质对教学系统进行分析、评价和科学总结，有利于更好地开展教学工作[3]。

Unity 3D虚拟现实技术已经给用户带来身临其境的交互环境，使操作用户通过各种交互装置将自己置身于虚拟环境中，在宏观角度与微观角度去探索在真实世界中不便甚至不能直接体验的事物运转及变化规律，如图1所示。

2 教学现状

以长江大学机械工程学院现有的石油机械专业教学现状为分析对象，在没有采用Unity 3D软件所开发的专业教学平台进行课堂及实验教学实践前，主要采取普通的课堂知识讲解配合一般的实验室教学。在石油机械专业教学中，实验教学显得尤为重要，一般实验教学都是在特定的实验室进行。

传统的实验教学手段单一，以讲述为主，配合二维平面示意图、简单的模型、缩小的模型为教具，培养学生理解理论知识和对设备、零件的初步认识等。传统的实验教学方式有其自身的优点，但在石油机械这种专业性特别强的学科中，对于提高学生学习的主动性，培养学生独立思考和解决实际问题的能力方面显得稍有欠缺。以下问题是现有实验教学中关注较多的。

1）多媒体教学前期准备量大。现在的本科实验教学中有各种新型多媒体工具的引入，但这也从一个侧面加重了教师备课和制作课件的工作。随着互联网信息技术的快速发展，各种新型石油机械设备也层出不穷，以往一个简单石油设备中的零部件现在需要通过大量不同的图片和视频呈现。对于复杂的石油机械装备实验教学，采用多媒体为主导的教学是比较耗时间的，效率不高，但图片和视频可以作为教学的引导和切入，使讲解和实践更生动地联系起来。

2）校内实践局限性大。目前大多数石油机械专业的传统实验教学系统，所需专业性强的实验设备多、体积大，即使在特定的实验室也常采用缩小模型。有些实验设备的构造比较复杂、价格昂贵，只能购买少许或采用模型教具。教师和学生时常需要接触具有一定危险性的设备，虽然经过多年的调整与改进，实验设备在正确操作的前提下是比较安全的，但是在操作不當或设备损坏时，造成学生受伤的情况也时有发生。

3）学院硬件条件差。目前，全国各大石油院校均减少了学生外出实习的课时安排，甚至取消了以前的现场实习环节，改为机械制造加工企业参观，学院硬件老旧且实践条件几乎为零。学生在学习相关专业课程过程中，无法正确认识复杂设备的工作原理。这是学院面临的非常严峻的问题。对于石油机械专业的学生来说，实验在某种程度上重要于理论的学习，这与石油机械类应用人才的属性不无关系，如果先进的理论知识因为缺乏硬件的支撑而展现不出来，是很可惜的。

4）不能因材施教。随着石油行业的爆发式增长，相关行业对石油机械人才的需求越来越大，直接造成相关高校石油机械专业学生数量激增，而相应的专业实验教学设备却没有跟上，学生的层次也随之体现得愈发明显。现存的多数实验教学都将学生同等对待，致使部分动手能力强的学生因缺少实验条件而不能发挥其特长，实验能力较差的学生又感到吃力而跟不上教学进度，实验教学的目的很难达到。这是各大院校在发展过程中一个无法回避的问题，所以当学生数量增加而不能因材施教时，实验教学就需要寻找新的突破口。

3 结合Unity 3D软件的教学实践

基于Unity 3D软件的教学系统制作  在Unity 3D实验教学系统设计环节，对需要引入本软件的石油机械专业知识进行教学任务及内容分析，做出预计和评估，以便教师能合理分配课时。

实验教师备课时可在网上查找石油机械如管柱、钻头的运动动画，反复观看其运动轨迹，同时研读石油机械相关资料，了解整个设备中各机构的传动及运动路线。考虑到后期需要制作动画效果以及在Unity 3D平台中实现漫游效果，本教学系统选用Maya软件对课程中涉及的石油机械设备进行3D建模。在建模完成后将模型导出，在KeyShot软件中进行材质渲染;制作完动画之后，将其分别导出AVI格式的视频软件。将制作好的模型导进Unity 3D软件之中，编写程序脚本，来实现教学平台的开发。图2所示为基于Unity 3D软件开发的石油机械教学平台中关于钻修井作业现场仿真模拟。

基于Unity 3D软件的教学实践  采用多媒体的实验教学非常有必要在石油机械设备结构及工作原理、特性讲解等关键点引入此虚拟仿真教学系统进行结构认知、功能区分及工作过程的动态演示和相关理论推导。而借助Unity 3D平台制作的教学系统生动逼真的仿真效果和强大的漫游功能，可以从两个方面对学生产生积极影响：一是能够激发学生的兴趣;二是使部分学生主动要求掌握该软件的基本操作方法，进而自行完成相关设备零部件的3D模型、结构的运动仿真分析等，让学生真正熟悉石油机械的组成及运行原理。

采用Unity 3D软件进行石油机械实验教学改革  基于Unity 3D平台开发实验教学系统，改变目前抽象化的实验教学模式，对教学中的机械设备进行随堂演示，使学生在课堂上能直接看到该设备的任意位置、任何零部件，帮助学生理解所学内容。以课程内容为对象，采用分组教学模式，组织各小组学生通过三维软件建立设备的各零部件的3D模型，然后在软件上进行组装，完成整个设备的运行仿真，制作动画验证并完成结果检查和评估。对于学生的课堂实践，按一般、困难、复杂等三个层次设计相关项目，满足不同层次学生的需求。借助教学系统对每个项目的完成情况进行记录、评分，保证学生出勤率的同时，提升学生学习的积极性，最终形成优良学风。

4 结语

本文提出现阶段各大石油院校在实验教学中存在的问题，并介绍一种基于Unity 3D平台开发的实验教学系统。从Unity 3D平台开发的实验教学系统实践可以进一步证明，使用该教学系统可以提高学生学习的积极性和创造性，而且真实的漫游效果使学生身临其境，对石油机械设备有更好的认知，为我国高校机械类实验课程融入虚拟仿真技术的教学提供了新思路。■

参考文献

[1]祝秀芬，陈桥芳，曾岱，等.虚拟现实技术下虚拟实验室的研究与构建[J].科技创新导报，2017，14（24）：161-162.

[2]韩瑞凯.基于Unity 3D的凸轮机构虚拟实验平台的研究与应用[D].石家庄：石家庄铁道大学，2015.

[3]彭雪娇，林海禄.基于互联网+的分析仪器虚拟仿真实验室的构建[J].东华理工大学学报：社会科学版，2016，35（4）：383-385.