虚拟现实技术在数控技术教学中的应用研究

2019-12-26吴泽民祖海英孟碧霞李森

文化创新比较研究 2019年10期

吴泽民，祖海英，孟碧霞，李森

（东北石油大学，黑龙江大庆 163318）

科学技术的发展和进步推动了教育行业的发展，教学工具和教学手段都在不断丰富，现代信息技术的发展，极大地丰富了教育教学的方式，继多媒体技术之后，虚拟现实技术被开发出来，用于教育行业，极大地丰富教育手段，提高教学水平。虚拟现实技术是近年来科技行业广泛关注的一个热点问题，为人机交互界面的发展开创了新的领域，同时也能够采取更多的新的方法对工程的大规模数据可视化进行描述。当前在航空航天、军事训练、教育培训、医学实习以及建筑设计等诸多领域当中都出现了虚拟现实技术的影子。在数控技术的教育领域，通过计算机建模仿真来对设备的工作情况进行模拟，对数控技术的教学产生了深远的影响。

1 虚拟现实技术的特征

1.1 沉浸性

这个特点主要是指虚拟现实技术能够将用户置身于自己为主角的模拟环境当中，用户在这个模拟环境当中能够具有十分真实的感受。虚拟现实技术通过计算机技术，根据人类在听觉、视觉等生理心理方面的特点，产生和现实世界十分接近的虚拟环境，使用者通过头盔显示器以及数据手套等交互设备来使自己置身于虚拟的环境当中，使用者在虚拟环境当中能够对各种对象进行交互作用，给用户提供和现实世界同样的使用感受。

1.2 交互性

交互性特指用户在模拟环境当中对物体的可操作程度以及在操作之后受到环境的反馈程度，在虚拟现实系统当中，用户和机器的交互活动是十分接近自然状态的，使用者除了使用键盘和鼠标等进行交互活动，还能够通过特殊的头盔和数据手套等传感设备来进行交互活动。

1.3 多感知性

多感知性主要是指虚拟现实系统除了能够实现传统的计算机技术所拥有的视觉、听觉等方面的感知之外还包括了力觉、运动、触觉等方面的感知，甚至还能够实现味觉和嗅觉等方面的感受。虚拟现实系统当中配备有能够获得听觉、视觉、触觉等多方面的感知，帮助用户实现身临其境的感受。

1.4 构想性

这方面的特点主要针对的是虚拟现实系统中能够拥有广阔的详细那个空间，是对人的认知范围的一次拓展。虚拟现实系统不仅能够实现对人们生活的现实环境进行复制，同时还可以对客观生活中不存在的环境进行构想，也就是说，通过虚拟现实系统的应用，不仅能够实现现实事物的虚拟化，同时还能够实现对虚拟事物的现实化处理。

2 虚拟现实系统的种类

2.1 桌面型虚拟现实系统

桌面型的虚拟现实系统也被称为简易型虚拟现实系统，是一种比较简单的虚拟现实系统，这种系统通过个人的计算机和低级的工作站就可以进行仿真，用户体验仿真的主要窗口就是计算机屏幕，主要的交互方式就是计算机的鼠标和键盘。桌面型的虚拟现实系统最主要的优势就在于结构简单，同时价格相对低廉，因此这类虚拟现实系统也是应用范围最为广泛的虚拟现实系统，最大的特点就是经济实用，但是这套系统也存在着一定的问题，就是周边环境会对桌面型的虚拟现实系统产生比较大的影响，参与者对这种系统的沉浸性较差，真实体验感不足。

2.2 沉浸式虚拟现实系统

相比于桌面型的虚拟现实系统，沉浸式的虚拟现实系统要更加高级，这种全新的系统主要通过完全沉浸式的体验，让用户有一种完全置身于虚拟环境的感觉。这种虚拟现实系统的工具主要是头盔显示器以及其他的配合设备，将使用者的主要感官都封闭起来，然后给用户提供一种全新的、虚拟的感官空间，同时通过数据手套、位置跟踪器以及其他方面的交互设备来促使用户完全沉浸于情境当中，获得一种身临其境的感受，帮助用户全身心投入到虚拟世界的情境当中，但是这种虚拟现实系统的缺陷也十分明显，就是价格的问题，由于高昂的价格导致这套虚拟现实系统难以推广。

2.3 增强式虚拟现实系统

增强式虚拟现实系统主要是通过真实环境的作用来发挥作用的，将虚拟环境基于真实环境来帮助用户进行体验。这种虚拟现实系统能够让用户看到真实世界，同时也可以在真实世界的基础上看到叠加起来的虚拟形象，这种全新的技术能够减少对真实环境营造的复杂计算，同时又能够实现对实际的物体进行操作，实现在真实环境中体验虚拟事物的作用。

2.4 分布式虚拟现实系统

分布式虚拟现实系统主要是通过远程网络来发挥作用的，这种虚拟现实系统能够将不同地区的用户连接起来，不同的用户能够实现在相同的虚拟空间中进行交互，体验相同的虚拟环境，在同一个环境中机型观察与操作，达到协同合作的目的，促进虚拟系那是系统应用水平的提高。

3 虚拟现实系统在教学中应用的意义

3.1 打破时间和空间的限制，开创全新的学习环境

通过虚拟现实系统，用户可以实现对虚拟环境的体验，这就能够彻底打破空间对于教学的限制，学生能够通过虚拟现实系统深入到机械设备的内部，对设备进行观察，比如说学生可以进入到虚拟原子、分子等微小物质或者是航天工作站等不能够深入的环境中去进行考察。初次之外，虚拟现实系统也可以实现对于时间限制的突破，很多现象需要通过长期的观察才能够得到结论，比如说一些现象需要通过上百年的作用才能够实现，这就需要通过虚拟现实系统的应用来实现对反应现象的观察，能够给学生带来最为直观的感受。此外，对于一些机械设备的制造过程，学生不能够亲自体会，因此就可以通过虚拟现实系统中的计算机技术、交互设备等来帮助学生去亲自体会制造的过程，使学生能够身临其境的感受，同时还能够通过虚拟现实系统来实现和虚拟制造过程进行相互交流。通过虚拟现实系统，学生能够在全新的学习环境中去进行学习，构建起开放的、全新的教学环境。

3.2 对教学内容进行全方位、多角度的展示，丰富教学内容

通过虚拟现实系统，能够实现对教学内容的丰富，同时虚拟现实系统还能够实现实验、实训等训练活动设立到课堂当中，虚拟现实系统不具备危险性和攻击性，因此学生能够在课堂当中对教学内容进行反复的练习，直到能够完全掌握操作技能位置。同时在教学中出现了一部分复杂的、抽象的现象，这些现象不能够直接观察，因此就需要借助虚拟现实系统对于操作现象进行直观的、全方位的观察。通过现代信息技术，能够实现仿真课件的制作，对虚拟情境进行创设，让学生能够进行模拟实验，提高学生对于知识的掌握程度，对课堂内容进行不断丰富，提高教学水平。

3.3 营造了开放式的学习模式，改变了传统的课堂

虚拟现实技术的应用，能够突破传统的教科书给教学带来的限制，用户可以通过虚拟现实系统，根据自己的学习特点来进行学习，用户可以在自己方便的时候通过网络选择适合自己的资源进行学习，这种学习模式的探索性更强，学生能够根据自己的实际情况来进行学习，通过这种学习模式，能够更好地激发学生的创造性思维，学生在具体的情境中对知识进行探索，能够提高学生的学习动力。

3.4 能够实现虚拟的生产或者实验，节约了教育成本

在当前我国的教育体系当中，实验是重要的教学手段，但是实验需要投入相关的设备和药品，同时一些实验工具是一次性的，就需要学校加强对于实验器材的投入，给学校带来一定的经济压力。但是通过虚拟现实系统就能够避免这个问题，学生在虚拟环境中进行实验、训练和操作，能够避免大量的实验器材的投入，同时虚拟现实系统还能够避免实验带来的一定的危险性。同时，采用虚拟现实系统，还能够避免学校在试验场地、教学经费等方面的投入，同时还能够避免出现设备的破损情况，从而实现对教育成本的有效节约。

4 虚拟现实系统在数控技术教学中的应用

4.1 通过虚拟现实系统对设备和仪器进行全方位的展示

传统的教学模式当中，学生获取知识的主要形式就是通过书本和各种平面图形来了解教学的仪器和设备，或者是在现场对设备和仪器进行观察，但是这种观察获取的信息往往都是基于各种感性认识。平面图形对学生的空间想象力造成了一定的阻碍，同时实际的教学设备投入对学校来说又是一个不小的挑战，因此可以采用虚拟现实技术来解决这个问题。通过虚拟现实技术，能够构建一个和实际设备完全相同的虚拟模型，比如说通过 Pro/E 建模技术，就能够实现将各种不同的教学仪器和教学设备进行实物虚化，然后将这些虚拟的设备通过立体的形式来放置在虚拟教室当中，制药学生进入到这些虚拟的空间，就可以随时随地地对这些仪器和设备进行认识，同时还能够对设备的内部构造进行细致的观察，因此通过这种模式能够很好地对数控技术教学进行辅助，帮助学生提高对学习内容的理解，提高学习质量。

4.2 通过虚拟现实系统实现模拟实验和仿真教学

在当前的教学过程中，实验器材和教学仪器等的投入对于资金的要求很高，受到价格因素的限制，很多学校根本不能够将这些昂贵的设备普及化，因此需要通过对虚拟现实系统的应用来解决这个问题。通过虚拟实验室的建立，学习者能够身临其境地对虚拟仪器进行感受和操作，比如说在虚拟实验室中实现虚拟数控系统的连接和组装，通过这种教学模式，学生能够对学习内容进行更好地把握，而且还能够避免外界条件对于教学的限制，同时这样的教学模式还允许学生对设备进行重复操作，直到获得满意的成果。此外，虚拟实验室不会带来人身安全方面的问题，避免由于学生的操作失误而带来的安全事故的出现。此外，虚拟现实系统还能够应用与仿真软件的制作，通过多媒体计算机的控制能够实现对虚拟数控机床操作面板的控制，同时通过模拟的编程系统实现对加工结果的仿真，辅助教学，提高教学效果。