基于虚拟技术构建无人机拆装实训教学的研究*

杨刚 江川

台州科技职业学院 浙江 台州 318020

引言

无人机项目相继落户台州湾集聚区，极大地带动了台州市通用航空产业的发展，产业的发展亟须大量的高技能人才，而这些专业人才应具备扎实的无人机拆装调试技能，需进行一系列专业的实训训练。现今，无人机拆装实训教学存在实训资源不足、设备容易损坏、实训效果较差等问题。

虚拟现实技术是人与计算机形成虚拟环境从事交互活动的技术手段，其很好地融合了现实情景与虚拟情景，以实时互动、3D建模、身临其境和人工智能等特征，成为未来教育改革的一大发展方向[1]。虚拟信息技术可以将物体内部结构以及空间关系真实直观地呈现[2]。学者们对虚拟现实技术在教育领域的应用进行了相关课题研究，邓磊[3]等分析了航空摄影测量课程实验教学中所存在的问题，并剖析了教学改革的必要性，结合航空摄影测量实验教学的特点，采用虚拟现实技术，构建航空摄影测量实训平台，对于解决实践环节中成本高、风险大、效果差等问题具有重要的理论和现实意义。李士明[4]等分析了传统发动机拆装实训教学的现状及存在的问题，利用虚拟现实技术为学生们打造逼真、生动的发动机拆装实训教学环境，提高学生学习的积极性，加深对教学的理解。赵成龙[5]等鉴于机械装调与维修实训教学存在的问题，借助虚拟现实技术，搭建虚拟实训教学平台，解决了实训设备不足，改善了实训教学环境，节约了教育教学成本，实现实训资源的共享，提高了教学质量。

目前，虚拟现实技术在无人机拆装实训教学中的应用鲜有研究。虚拟现实技术在教学中应用的研究，大部分停留在搭建虚拟实训教学平台，解决实训设备不足，改善实训教学环境，节约教育教学成本上，未结合虚拟技术与实训教学应用做更深层次的理论分析，对虚拟技术在实训教学中存在的问题未进行剖析。本课题旨在研究虚拟现实技术在无人机拆装实训教学中的应用及其理论分析，探究虚拟现实技术在无人机拆装实训教学过程中教学观念和教学模式的改变，并对虚拟技术在实训教学中存在的问题进行剖析，以期提升无人机拆装实训课教学质量，为无人机专业高等职业教育的教学研究提供新思路和新视角。

1 无人机拆装实训教学存在的问题

1.1 实训资源不足

无人机行业快速发展，结构轻量化、智能化、模块化程度高，其零件换代更新速度较快，学生欲掌握最新技术，需不停地更新设备。但学校配套经费有限，无人机价格昂贵，很难采购充足的无人机供学生拆装、调试，在实训教学中无人机数量少，难以满足所有学生实操的需求。

1.2 实训设备易损

学生在无人机拆装实训中，没按照操作规程正确拆装，致使零件及工具丢失、损坏率高。在无人机操控实训中，学生操控不当，极易造成无人机炸机、损毁（如图1）。

图1 无人机炸机、损毁

1.3 实训效果较差

无人机拆装过程中缺乏有效的监控，很难有效的保障实训效果，部分学生仅仅为完成任务而被动拆装无人机，无法全身心地投入，敷衍了事，致使任务难以完成。

2 虚拟现实技术在实训教学中存在的问题

2.1 虚拟场景缺乏

当下虚拟现实设备快速发展，而虚拟场景等资源的缺乏却制约着虚拟技术在实训教学中的应用，特别是缺乏企业实际案例的虚拟场景，严重阻碍学生职业能力发展的需求。

2.2 课程融合培训不到位

相较于传统教学模式，应用虚拟技术的教学模式给专业教师带来了很大的考验，教师不仅要熟悉行业、掌握行业新技术的应用，更要思考技术与能力教学衔接的问题，在短时间内，教师很难全部掌握。

2.3 虚拟设备操作培训不到位

目前，高职院校正大力建设虚拟设备实训室，然而在实训室建成后的使用上，没能做好设备应用的相关培训，同时，培训资源没有有效的配套上，致使教师在教学上应用虚拟现实技术的比例较低，不能很好支撑教学模式的变化。

2.4 虚拟现实教学成本较高

目前来看，要实现虚拟现实教学的硬件成本相对较高，按每位学生配备一套VR头盔及运动控制器来计，每门实训课程学校硬件投入至少上百万元。除此之外，还需投入大量资金建设软件资源。

2.5 虚拟现实教学体验感不佳

目前，在进入虚拟现实境界后，学生会产生眩晕感等不适现象，致使学生无法长时间处于虚拟现实境界中。戴上VR头盔一段时间后，学生会感觉头部难受。因为一套设备无法同时供多人使用，如果硬件设备不充足的话，会造成排队等待的情况。

3 虚拟现实技术在无人机拆装实训教学中的策略

3.1 构建多功能教学场景的虚拟现实实训室

虚拟现实实训室的构建要符合教学过程多样化的需求。在教学场景设计上，要满足教学过程多样化的需求，基于教学规律原则，形成可协同、可呈现、可远程、可探讨的多功能、智能化教学场景，能持续提高学生职业技能和职业素养，有效提升教学成果。

虚拟现实系统是虚拟现实实训室能否成功实现应用的关键，建设一套完善的虚拟现实系统，首先要做的工作是选择切实可行的解决方案。这就需要对虚拟现实系统的构成有充分的了解，当前虚拟实验室的虚拟现实教学系统一般由虚拟现实开发平台、虚拟现实显示系统、虚拟现实集成控制、虚拟现实交互系统四部分组成。

图2 虚拟现实系统

一套功能完备的虚拟现实应用开发平台是一套完整的虚拟现实系统所必需的，它包括硬件和软件开发平台。开发平台是系统的核心，负责VR场景的开发、运算、生成，并连接和协调其他各子系统的工作及运转。

虚拟现实显示系统包括具有沉浸感的虚拟三维显示系统和高性能图像生成及处理系统两部分。通常有多种显示系统或设备，比如：头盔显示器、大屏幕监视器和虚拟三维投影显示系统，其中虚拟三维投影显示系统应用最广，因为虚拟现实技术要求应用系统具备沉浸性[6]。这些高度逼真三维显示系统的高度临场感和高度参与性使参与者真正实现与虚拟空间的信息交流与现实构想。

大型的虚拟现实系统由很多部分组成，比如：音响系统、多台投影机及多路视频的输入和切换，这些均需方便地控制和管理，每部分包含大量的设备，这些产品设备之间需相互连接、相互依赖，彼此协同工作。一个复杂的系统要顺利地运行且协同工作，就需要进行管理，集成控制系统作为该项工作的载体，有了它，上述一系列工作通过简单的遥控器就可完成整个操作过程。

多自由度实时交互是虚拟现实技术最为本质的特征和要求，在虚拟现实交互应用中通常会借助于一些面向特定应用的特殊虚拟外设，它们主要是6自由度虚拟交互系统，如：操纵杆、力或触觉反馈系统、位置跟踪器、数据手套或6自由度空间鼠标等等[7]。

3.2 改革虚拟现实教学模式

在信息化教学大背景下，虚拟现实实训的功能性要多元化，应将知识点嵌入、企业评价、法律法规要求融合到虚拟现实实训平台的开发中。首先，了解无人机行业对于虚拟现实的应用情况，基于能力形成模型，挖掘能力点，构建虚拟现实技术的无人机拆装实训教学模型，基于无人机行业最前沿的教学内容，充分挖掘无人机课程与虚拟现实技术的融合点，并与学生职业能力形成规律相结合，融入虚拟软件的功能开发及资源匹配。

其次，搭建强兼容性的虚拟设备终端系统，研发适用于无人机专业拆装课程应用场景，结合虚拟现实技术建立能快速上手的设备应用，设置游戏化应用场景，对于无人机拆装正确且快速的学生予以一定分值的奖励，并融入课程的考核中，提高学生学习积极性。

再次，推动无人机专业虚拟+现实的混合教学模式改革，不仅提高了师资团队的要求，同时对教学设计及教学方法也提出了新的要求。无人机师资团队不仅需要扎实的理论基础及丰富的实践经验，还要熟练掌握虚拟现实设备的应用。基于虚拟现实设备，没有强大的教学资源是无法满足教学改革的。在教学整体安排上，从课前、课中、课后出发，对实训任务进行分解，由浅入深引导学生完成任务，激发学生学习主动性，推动学生职业能力的形成。

4 结束语

无人机产业的发展亟须大量的高技能人才，本文综合考虑无人机拆装实训以及虚拟现实技术在实训教学中所存在的问题，通过构建多功能教学场景的虚拟现实实训室和改革虚拟现实教学模式，将虚拟技术应用于无人机拆装实训教学，以期有效提高学生职业技能和职业素养，提升教学成果，为无人机专业高等职业教育的教学研究提供新思路和新视角。