虚拟仿真技术在机械类课程教学中的应用

朱可欣，郭华锋，赵朝俊，司荣，王彦淞，周国庆

（徐州工程学院机电工程学院，江苏徐州 221018）

一、研究背景

在众多的专业游戏引擎中Unity 3D软件因其界面友好、优异的跨平台性能、较高的可视化水平、易操作和插件种类丰富等优点在虚拟仿真课程开发应用中日益广泛。李梦如等人[1]基于Unity 3D平台开发了液压虚拟仿真实验，在液压课程实验教学中得到较好应用；武照云等人[2]采用Unity 3D软件构建了机械原理与设计虚拟仿真实验教学平台，增强了学生互动，提高学生学习积极性；李哲等人[3]基于Unity 3D软件搭建了石油机械方面的虚拟平台建设，带领学生认识学习石油机械方面的理论知识和实践操作技能，同时降低安全性低和成本过高等问题；张俊等人[4]基于Unity 3D软件开发了RV减速器的虚拟仿真系统，不仅增强了学生们学习的兴趣，还节省大量实践教学投入。

机械类课程理论性和实践性都很强，机械制造技术基础课程作为专业核心课程，较多知识点都非常抽象和难以理解。传统的教学模式存在以下问题：老师的时间有限，实验课程需要小班教学，一对一解决学生问题，这给实验教学增加诸多困难；学生操作不熟练、经验不足、缺乏安全意识，容易造成操作失误，引发安全隐患等问题；学生接受知识较被动，与老师交流少，积极性差；实践环节存在人均设备不足，不能观察内部结构，不能重复性学习等问题，导致实践效果难以令人满意。

创新教学方式，将虚拟仿真融入到教学中。虚拟仿真具有可适用性强、时间不受限制、安全性高等特点，因此，基于Unity 3D软件将实践环节虚拟仿真化，采用沉浸式开发理念，可以供学生反复学习和使用，可在任何时间任何地点在计算机上进行学习操作，避开实验风险，增加了反馈环节，可供老师在后台统计学生存在的问题，进行统一讲解，节省了反复低效讲解的时间，对于提高教学质量意义较大[4]。

二、虚拟仿真的基本流程及实现

文中主要以Unity 3D软件为例来阐述其在机械类课程教学中的应用。虚拟仿真实验的开发可以采用主流的三维建模软件UG、Creo和SolidWorks等构建3D虚拟实验模型，基于Sketchup软件进行实验场景建设，利用Keyshot和3D Max等软件进行模型渲染，最后基于Unity 3D平台进行虚拟仿真实验的开发，具体流程见图1。

图1 虚拟仿真的基本流程

（一）Unity 3D软件虚拟仿真的功能要求

Unity 3D功能强大、界面友好，为实现机械类课程的教学效果，需要用到虚拟仿真以下功能：

1.文本导入与编辑功能

基本知识与实验指导书需要导入虚拟仿真平台，作为学生熟悉实验的第一步，与虚拟仿真实验操作对应，帮助学生将课内知识与实践融会贯通。资料详细且专业性强，将课本知识提炼与实际操作相互连接，方便学生查阅，帮助学生通过反复学习，牢记知识点。

2.视角设计功能

为学生提供第一视角的操作环境，借助虚拟人物，实现学生沉浸式浏览与操作体验，也可通过鼠标操作，转换视角，方便不同习惯的学生调整机器视角，全方位地观看学习，方便操作。

3.运动仿真功能

为追求实验场景的真实性，如拆装机器，拆装下来的零部件的放置路径与位置可通过运动仿真功能实现，这不仅能实现拆装的整齐性，同时可教导学生拆装注意事项，培养学生认真仔细的态度。机器使用操作涉及机器各部分运动，通过虚拟仿真实验模拟，形象复现机器实际使用过程中对应操作的运动状态。

（二）Unity 3D软件虚拟仿真的关键技术

1.场景和模型构建

虚拟仿真中各种场景的构建是虚拟仿真实验搭建的重要一环，模拟实验场景的建设为学生进行沉浸式实验提供良好的氛围条件。虚拟厂房、虚拟人物、实验室等是形成一个真实虚拟世界的关键，其模型可采用SolidWorks、3D Max、UG、Zbrush等第三方软件建立，并通过固定格式文件导入虚拟场景中，根据自己所需设计布局形成虚拟世界。在场景建设中，实验设备三维图在Solidworks中构建完成后，经3D Max与Keyshot渲染后导入Unity 3D软件进行实验设计追求实验模型真实性，进一步进行拆装零部件顺序教学、识别零部件名称与作用、操作步骤指导等设计制作。

2.场景渲染

为实现实验场景真实逼真的效果，需要在虚拟仿真中采用多种方法进行渲染、贴图等处理，也可以通过光照与灯光的数量、样式、亮度与位置调节，使场景更加贴近真实实验场景。实验场景外形搭建渲染一般通过Unity 3D中的贴图功能，实验仪器与需要学习操作技能的机器渲染的主要方法分为两种，其一可通过Unity 3D的内置构件、材质库等进行贴图等处理，也可以通过模型导入Keyshot等渲染软件中进行初步渲染，软件有针对不同材质的材质库，又分为同一材质不同颜色的效果，最终导入实验场景中进行修正。两种处理方法可使实验场景、实验设备等更加逼真，使学生有更加直观感受，有助于帮助学生提高学习实验课程的兴趣与积极性。

3.场景运动和动画

在虚拟仿真实验室中需要以第一视角漫游，学习实验设备操作和实验设备运行等动作，其主要基于Unity 3D内置的Mecanim系统和碰撞检测算法进行设置，如碰到墙壁行走会受到限制，更加有效地模拟了现实实验的操作过程以及操作的严谨性和逻辑性。可以使学生更加清楚设备的运行原理以及操作过程。

4.其他重要组件

Unity 3D是一款具有强大功能的虚拟开发软件，其不仅包括内部软件功能，还包括各类插件，例如状态机、Avpro Video等插件，基于此类插件可以进行外部视频、文档导入等，可以在实验教学环境中，播放循环视频等。

基于以上技术打造出趋近于真实的虚拟仿真模拟系统，使学生更好地融入课程实验学习中，可以更好地实现学中玩、玩中学的理念，增强学生学习实现的积极性，培养学生主动学习实验知识与操作的能力，促进学生更好地吸收、消化和掌握已学知识。

（三）Unity 3D软件中虚拟仿真的实现

下面以机械类课程为例阐述虚拟仿真实验在Unity 3D平台中的实现过程。

1.虚拟仿真实验整体架构的设计

在进行虚拟仿真实验开发之前必须要有顶层设计，基于学生和课程实验需求来考虑，搭建虚拟仿真实验场景，实现提升学生实践技能和锻炼学生创新能力的目的[5]。开设基础知识引导、实验操作演示与讲解、基础知识考核和实验操作考核、后台监管反馈四类模块，为学生提供全方位的实验指导。且Unity 3D界面美观、易操作、能够包含实验的工程内涵、能够实现实验的全部步骤、能够对实验过程进行考核。

2.企业厂房或实验室场景的搭建

虚拟仿真实验室或企业厂房需根据现实场景进行搭建，打造更加真实的实验或企业工作环境，使学生更融入到虚拟现实中，更好地为未来更快适应企业或实验环境提供先决条件。本项目主要使用Unity 3D软件进行地形编辑，通过材质贴图等功能进行场景渲染，使场景真实感和代入感更强，通过其他外部三维软件进行实验场景或企业厂房的建模，辅助完成实验场景或企业厂房的搭建，激发学生学习与动手操作的兴趣。

3.实验设备、工具和材料构建及渲染

在机械类课程实验中，不仅用到各种设备，还经常用到各种工具和相应的实验材料，进行拆装、测量等实验，例如各种机床、刀具、量具和代加工工件。对于这些复杂的设备和工具需要借助专业的3D建模软件进行辅助模型建立，然后借助3DMax软件和Unity 3D软件进行逼真材质的渲染。此外，还可先导入Keyshot软件进行渲染，导出含贴图的较为真实的三维模型，通过.fbx格式导入Unity 3D软件进一步操作。渲染完成的各种模型可在Unity 3D软件中通过平移、旋转、缩放等功能安放在已构建好的场景中。为提高实验场景的真实性，可通过直线光制作场景光亮、点光源模仿灯泡、聚光灯模仿显微镜的光照等，进而调节光源的强度、角度、颜色，使场景更加逼近现实[6]。

4.操作步骤的逻辑设计

在进行各类拆装、测量等实验时必然会遵循一种逻辑关系。例如在机械类实验中，对于机床的认知是重要一环，其中包含着传动路线、拆装顺序、主轴变速、走刀方法等，皆需要严谨的逻辑关系设计，使同学们更加清楚地认知设备运行的原理。

5.实验过程设计

基于Mecanim系统设置拆装、设备运行等动画，通过碰撞检测算法完成拆装、测量等动作的实现。虚拟仿真缜密的逻辑关系使学生实验更加有条理性，可对设备构造、工作原理、装配方法等有更加直观的认知学习。在Unity 3D软件中可设置有顺序的触发，防止学生因不会操作而对实验过程造成错误理解。触发需要设置碰撞器，并通过碰撞检测实现操作仪器的测量、控制物体的运动、触发动画的播放等。针对一些实验中的操作顺序，虚拟仿真平台嵌入实验操作视频作为指导，操作者完成教学引导后，可独立地进行实验操作，操作过程中遇到困难可返回教学引导界面，有针对性地进行该部分的学习，再返回虚拟实验室完成实验，也可以根据相关提示，继续进行下一步实验[7]。

6.实验数据处理和考核

课程实验结束需要进行数据处理，在Unity 3D中可通过代码脚本编写，与外部软件进行连接。以Minitab为例，Minitab作为正交试验的常用软件，里面的田口设计即为正交试验，选取通过合理选择减少实验数量，通过软件操作计算实验数据的极差与方差进行数据分析，嵌入实验数据处理指导，全面地指导学生完成实验。并进行实验报告填写引导，带领学生回顾学习知识，完成实验报告填写。也可以通过Video player URL路径设置功能连接第三方链接平台，进入问卷网等网站填写实验报告，实时掌握学生报告填写情况以及报告质量[8]。

7.打包与发布

Unity 3D具有较强的跨平台性能，其制作的虚拟仿真实验可打包成相应格式的文件，在PC、IOS、Android、web等系统上发布。以web发布为例，通过Unity 3D软件打包出网页格式，在web平台展示。需要搭建一个服务器，用Linux内核的系统做服务器使项目运行更加稳定，在前端网页界面开发使用HTML5和Css、JaveScript语言完成动态网站的页面美化与完善，前端页面创建了首页、登录页面、注册页面等页面，后端开发应用Python的Django框架搭建与数据库的连接处理前端提交的表单数据，完成用户登录与注册的功能实现。在用户首次登陆时，需要进行注册，注册完成登录进入首页后可以选择相应的实验进行学习与测试；用户注册的信息可通过post请求储存在服务器上的MySQL数据库中，用Django自带的用户管理模块可以通过网页进行用户管理，掌握学生学习信息，弥补学习中的不足。

三、结束语

1.虚拟仿真平台界面友好、功能强大，在实验方面，虚拟仿真平台辅助传统教学，在细节与重复性等方面得到了大量改善，该平台可有效弥补实验教学物理资源不足，互补融通理论与实验教学。对于激发学生学习兴趣、培养创新思维、提升工程实践能力和增强职业素养，提升实验教学质量效果显著[9]。

2.有效解决了传统课程实践环节存在的实验条件限制、经费投入不足、部分实验设备费用较高、学校难以提供实验条件、机器操作等实验存在安全风险、教师时间与精力限制等问题。

3.增加了机械类课程实践教学的趣味性，提高了学生学习积极性，帮助学生主动学习课程知识、创造学生更多动手操作实验的机会，最终提高了人才培养质量。