基于VR 的钻床工程实践教学辅助系统的探索与研究

孙治博，史成坤，李瑞豪，潘卓午，张梦森

（北京航空航天大学 工程训练中心，北京 102206）

工程训练中心是本科生教育的最大实践课程教学平台，系统地开展培养学生自主学习能力、创新能力、实践能力、团队协作能力的实践教学环节[1-4]。“双一流”建设方案中提到要培养富有创新精神和实践能力的各类创新型、应用型、复合型优秀人才，加强创新实践教育，大力推进个性化培养是推动“双一流”建设的必要举措[5-6]。2018 年 4 月 3 日，教育部印发了关于《高等学校人工智能创新行动计划》的通知，虚拟现实（virtual reality，VR）技术作为人工智能创新行动的一部分被列入其中，这对于推广和促进虚拟现实技术和工程实践教学的结合有着十分重要的作用[7]。

虚拟现实利用计算机模拟产生出一个三维空间的虚拟环境，使用者通过使用传感设备与虚拟环境中的对象进行实时交互、感知，获得视觉、听觉、触觉等感官的模拟信息刺激，产生身临其境的感受和体会。将VR 技术应用于工程训练类教学领域能够弥补传统训练设备不足、场地不够、训练不充分等问题，让学生在虚拟环境中通过充分的练习和训练，在提高实训效果的同时降低训练成本[8-12]。

本文旨在结合高校自身特色与理论实践教学，为解决工程实践教学量大面广对应的设备与师资问题，提出一种基于虚拟现实技术的辅助教学模式，搭建虚拟训练操作教学平台。教师在对学生进行实际训练指导之前，让学生体验虚拟操作，起到熟悉操作流程、避免错误操作与危险操作的作用，同时减少学生实践操作摸索的时间，以达到缓解教师教学压力、提高实践教学课程效率的目的。

1 工程实践教学虚拟现实平台的构建基础

1.1 虚拟现实技术高校中的应用

目前，虚拟现实技术已经走进国内多所高校，如天津大学基于VRML 国际标准，利用SGI 硬件平台，开发出了虚拟校园。浙江大学在国家“863”成果展上也展示了该校设计的虚拟校园。中央广播电视大学远程教育学院采用基于 Internet 的游戏图形引擎，并且将网络学院的实际功能与图形引擎进行了结合，突破了虚拟现实技术在校园浏览上的功能作用，实现了VR技术在基础平台上的大规模运用。南京理工大学工程训练中心建设了“现代制造企业虚拟仿真实验教学中心”，仿真现代制造企业生产运作与管理模式，开发基于Windchill 平台的教学系统，让学生体验产品全生命周期管理[13]。现阶段高校中VR 的应用更侧重于效果体验，而本文所创新的教学模式更侧重实践与理论的教学讲解、虚拟环境操作的讨论与测评，以及虚拟环境的项目设计。

1.2 虚拟现实平台的硬件设备与软件环境

虚拟训练操作教学开源平台的构建依赖于开源的软件环境与匹配的硬件设备。为了实现开源平台建设，选择Unreal Engine（虚幻引擎，简称UE）作为平台开发的软件引擎。该引擎能够提供一个完全开源的编程环境，学生可以借助此平台进行系统的进一步开发，同时在虚拟环境搭建上，UE 能够呈现更逼真的渲染效果，提升学生体验虚拟现实内容的沉浸感。

HTC Vive 是由HTC 与Valve 联合开发的一款虚拟现实头戴式显示器产品，该设备能够实现精准的定位效果，有较高的分辨率（1 280×1 080 像素），能够有效地降低网格效应（screen door effect）。同时，UE能够提供对HTC Vive 设备的良好支持。

2 基于VR 的钻床操作系统设计与构建

钻床是工程实践训练教学中最简单的操作平台，也是我校机械制造训练实践课程中不可缺少的一部分。搭建一套VR 的操作系统可以将钻床操作的基本教学与虚拟现实技术相结合，让学生可以通过 VR 切实体验钻床加工的过程，降低了机床操作的门槛，保障了操作人员的自身安全，节省了成本和空间，同时提高了授课的趣味性。

虚拟钻床操作平台系统设计与搭建的流程如图 1所示。结合实际钻床的操作环境，了解钻床的结构并掌握钻床的操作规程，以此为基础在 Pro/E 环境下建立钻床的虚拟样机模型，模拟实训的操作环境，主要包括工作台和操作规程语音讲解。将以上虚拟样机模型以及操作环境导入Unreal Engine 环境中，根据操作规程在 UE 环境下编译来实现虚拟样机的运动关系。完成运动编译以后，还需要结合HTC Vive 设备进行操作调试，根据正常的操作习惯，实现操作功能。通过调试后，让参与钻床实训的学生进行VR 操作体验，对该平台进行评价与反馈，用于平台的进一步改善。

图1 虚拟钻床操作平台系统设计与搭建流程

3 辅助教学内容的开发与实践

3.1 虚拟环境下的理论课程讲解

钻床虚拟现实操作平台旨在辅助钻床操作的工程实践教学，该辅助教学内容由两大部分组成，如图 2 所示：①VR 动画与教学音频指导；②VR 钻床操作教学。

在VR 动画与教学音频指导部分，指导教师会将钻床的操作流程与规范录制成音频，作为虚拟现实环境中的指导旁白，钻床在虚拟环境中会配合音频的讲解通过相应的运动动画予以体现，如图 2(b)所示。在整个过程中，学生需要佩戴VR 眼镜、耳机，操作手柄仅用于调整场景的视角，并不能够操作平台，如图2(a)所示。该环节时长约3 min，目的是让学生了解钻床的操作规程。

图2 VR 动画与教学音频指导环节

3.2 虚拟环境下的钻床操作实践环境开发

在VR 钻床操作教学部分，学生开始在虚拟环境中进行操作，该环节目前设计为单一的零件钻孔加工，具体操作过程包括虎钳的定位、零件的夹紧、机床的开关、钻头的进给4 部分内容。整个操作过程按照一定的顺序进行编排，如图3 所示，只有完成之前的内容，才会触动下一部分内容的进行。对于操作规程中提到的危险操作，一旦有学生发生误操作，系统会给出严重的警告，从而避免在实际工程实践中由于误操作而带来的危险。

该项辅助教学内容安排在实践教学之前，只有学生在虚拟环境中完成了项目的演练操作后，再由指导教师安排去进行实际的工程实践训练，完成项目的实际操作。该内容的设计将虚拟环境中总结出来的经验带入到实践操作中，节约成本，释放了教师的压力，真正体现虚实结合的优势。

图3 VR 钻床操作过程

4 结语

基于VR 的钻床工程实践教学辅助系统提高了学生的学习兴趣与自主学习热情，保障了操作人员的自身安全，节省了成本和空间。目前该系统处于试运行阶段，有29 名学生、15 名工训教师进行了平台体验，所有教师与学生都认可该平台的价值，并提出了改进建议。将该系统应用到教学环节，未来还需要做到以下几点：①在加工过程中体现出加工精度。②扩展加工设备，增加工程实践的种类。③增设讨论、协作与互动环节。④以项目的形式带入VR 环境，丰富加工内容。

随着平台的不断开发与完善，该教学模式可以应用到更多的实践类课程中，拓展实践环境，增强课程项目的复杂性与综合性，为广大师生提供便捷的课程服务。该教学模式的推广对于工程实践类教学课程内容的丰富以及实践类教学的不断改进将起到重要作用。