陈杰新 ，魏 安 ，陈海滨 ，张 杰 ，李伯棠

（广州航海学院实验中心，广东 广州 510700）

0 引言

虚拟现实技术是一门综合多媒体技术、计算机视觉、计算机图形学、网络技术、机械工程、人机交互技术以及人工智能技术等综合研究领域的新兴交叉学科，它的应用范围越来越广。虚拟现实技术三大特征包括想象性、交互性和沉浸感，其中沉浸感是最为主要的特征[1]。虚拟现实技术可以利用计算机技术营造一种逼真的模拟环境，借助传感头盔、数据手套等专业设备，可以让人通过触觉、听觉和视觉等行为感知体会到逼真的沉浸感，如同身临其境[2-3]。目前，虚拟现实技术越来越多地应用在高校实验实训教学当中。

当前，国外许多科研机构和科技公司对虚拟机床仿真技术开展了大量研究和实验。比如日本Sony公司FREDAM的系统[4]，能够对球头铣刀加工自由曲面进行三维仿真。Winkes P A等[5]提供了一种用于装配过程的故障检测的虚拟现实的装配规划流程。Harun GÖKÇE[6]为数控车床的3D仿真软件开发了对象建模和交互算法。基于2D多边形的建模用于对工件和切削工具进行建模。在旋转扫掠二维工件模型的同时，对二维刀具的几何形状进行线性扫掠，得到3D图像。国内起步较晚，很多高校及研究机构在虚拟金工设备也做了大量的研究，其中蔡宝等[7]提出了在 Unity3D下车床加工的仿真方法，开发了基于虚拟现实设备 zSpace 虚拟现实车床仿真系统，杨洋等[8]利用UG软件建模，采用Unity 3D 开发引擎，开发了车床主轴箱虚拟拆装系统，让学生先按照车床

主轴箱正确的拆装工艺进行模拟拆装。林忠等[9]研究了基于圆台离散的工件建模方法和实时仿真显示技术，并使用OpenGL和VC++编程实现了数控车床的虚拟加工仿真过程。丁爽等[10]融合现代数学工具MATLAB、工程CAD/CAM软件UG以及仿真软件VERICUT设计并实践基于实际制造过程的五轴数控机床虚拟加工实验。杨勇[11]结合HTC VIVE虚拟设备，成功设计了一套全新的虚拟数控仿真系统，对该仿真系统的切削效率和仿真环境的真实感方面进行改进，极大地提高了交互效率。

1 虚拟现实技术在“金工实训”教学中的意义

现代社会的发展要求高校不仅需要培养的专业技能人才，还需要培养更多具有创新思维和实践能力强的创新型人才。目前我国工程技术人员的专业基础知识和基本理论比较扎实，但创新精神和综合创新素质不高，原创创新成果少，工程技术上的模仿性创新也不够，拥有知识产权核心技术的产品数量和发达国家相比差距较大。“金工实训”是应用型高校实验教学的重要一环。传统的“金工实训”课程教学存在资源利用率低、教学方式落后等问题，通过“金工实训”课程改革，在课程中融入虚拟现实技术，可提高实训教学质量，增强学生对课程的兴趣，培养更多社会需求的技术型人才。

2 “金工实训”教学中存在的问题

2.1 先进教学设备资源缺乏，资源利用率较低[12]

随着社会发展，先进制造等智能制造实训课程越来越多地出现在“金工实训”当中。实训基地投资较高，很多先进制造设备价格昂贵，需求量大，导致很多高等职业院校难以建设。此外，部分精密设备仪器设备稍有操作不当很容易出现刀具与工作台发生碰撞导致刀具断裂以及设备损坏等情况，要求操作者有较高熟练水平，如五轴数控加工中心。很多新手在没有熟悉设备操作的情况下，不能亲自动手操作。这些资源利用率受限无疑让学生实训能力不能得到很好的提升，也不利于师生之间交流。

2.2 传统教学原理较为抽象，学生难以理解

传统的多媒体基础原理教学内容大多较枯燥，概念抽象且难以理解，不能充分调动学生在课堂中的积极性，无法形成良好的师生互动机制。学生在学习过程中对知识的缺乏理解，导致实训教学质量不高。例如在机加工的工艺过程中，虽然一些复杂零件图只有二维图纸，但需要有较强的三维空间想象能力，而一些学生对机械零件的空间想象不足，不能很好地在二维和三维之间进行转换。此外，一些学生对某些实习工种缺乏知识储备，也是原因之一。

2.3 具有一定危险性，消耗大量材料

每年“金工实训”课程中，由于学生数量多，实习的工种多，需要消耗大量的金属材料。并且在机加工过程中，经常出现清除铁屑无专用工具，操作者未戴护目镜，发生刺割事故及崩伤眼球，或者防护保险装置、防护栏、保护盖不全或维修不及时，造成人身伤害，或者由于操作不当损坏机器设备等[13]。

3 虚拟现实技术在“金工实训”教学中应用优势

与国外的一些发达国家相比，我国的虚拟现实技术发展相对较晚，正因如此，国内一些科研机构及重点高校，在虚拟现实技术领域作了大量的研究，尤其是将VR技术应用到“金工实训”教育相关领域。VR技术在“金工实训”教学中的应用在一些场地受限、高端设备较少的高校当中有着明显的优点。

3.1 节约成本，不受时间、场所及设备限制

在传统上的“金工实训”教学中，部分高校由于高端设备昂贵、设备数量受限以及实训材料消耗较大，学生大部分时间都在学习理论知识，或者观摩指导老师操作设备，亲自动手操作的时间和机会较少，导致学生在掌握理论知识后不能及时操作训练，影响其实操能力的提升。相对传统的实训模式，通过计算机模拟出来的虚拟实训情景，学生可以随时随地不受限制地在虚拟环境中进行重复操作，大大增加了实训时间和机会，从而提高实训效果。此外，虚拟仿真加工系统引入，一定程度上节约了购买高端设备和新建实训场所的成本[14]。

3.2 增强立体感，提高学生对课程的兴趣

相对传统教学，虚拟现实技术优势明显，利用其沉浸式特点可以营造一个逼真的3D学习环境，使得学生操作如身临其境，有利于师生互动，极大提高学习的积极性。借助虚拟现实技术，可以很好地开展探究性教学工作，在教师引导、组织和服务教学过程的基础上，充分发挥学生的主观能动性，让学生真正成为课堂教学活动的主导者和参与者。在虚拟环境中，通过构建高逼真度的虚拟模型，学生可以随意通过人机交互的方式以局部、旋转等视角观察机件运转全过程，还能拆解和装配虚拟机器设备各个部件，尤其对一些复杂结构的部件反复剖析研究，加深了解机器设备工作原理，提高了学生对课程的兴趣从而大大提高实训的效果。

3.3 有利于培养学生创新思维

在“金工实训”当中，一些项目由教师示范，学生观摩学习，缺乏亲自动手过程，学生被动接受知识，学生的创造性思维得不到很好的提高。虚拟现实技术运用在“金工实训”中，其想象性的特征能突破传统培训的教学思维。在虚拟空间中，可以突破环境的束缚，拓宽认知范围，结合书本的理论知识操作虚拟模型，还能根据所学习吸收的知识，发散拓宽思维，对实训项目进行升级改造，提高实训效果。

3.4 真实模拟高端设备操作，降低实操可能出现的风险

针对一些初学者，对高端设备了解较少，对如五轴数控加工中心等操作不熟练。经常因为对编程代码不熟练，或者对机器设备缺乏操作经验，引起刀具磨损、机床损坏的风险，严重时甚至造成人身生命安全问题。虚拟仿真系统可以有效解决这个难题，初学者可以事先把编好的加工程序在虚拟系统中运行，通过数据手套和传感头盔模拟操作真实的实训情景，经过反复操作训练确认无误后，再到真实设备中进行操作，提高初学者实操水平，大大降低了操作风险。

4 结语

随着社会的发展和科技的不断进步，作为一项新兴技术，虚拟现实技术将越来越成 熟，应用范围将越来越广，它能够突破时间和空间限制，让学生随时随地获得沉浸式的体验与更直观的感受。合理利用并融合到“金工实训”教学当中，它能弥补传统教学中存在的一些不足，加强资源优化共享，提高“金工实训”训练效果。在未来的“金工实训”教学当中，应突破传统教学思维，合理利用虚拟现实技术的优势，优化和改革“金工实训”教学模式，培养更多应用型创新型人才。