盛冬平 徐红丽 尹飞鸿 苏纯 门艳钟 何亚峰

摘  要 以本科院校中的机械设计和制造专业为研究对象，分析专业特点并结合当前最新的AR/VR技术，尝试将AR/VR技术配合专业定制化开发的软件系统分别应用于课堂教学和工程实训学习中，使得整个教学和学习过程处于虚拟环境或虚实结合的环境中。同时，针对机械制造技术和数控加工课程给出适用于不同应用场景的多种AR/VR解决方案。通过将AR/VR技术引入课堂教学和工程实践学习环节，可以显著提高学生的学习兴趣和学习效率，并可通过某个点的课程学习改革带动并改进整个专业的教学方法，为本科院校机械制造专业以及相关专业进行新的技术引导下的教学改革提供了一条可行的思路。

关键词 虚拟现实;增强现实;本科院校;机械设计和制造专业;虚拟仿真教学系统

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）22-0035-04

Application and Realization of AR/VR Technology in Major of Mechanical Manufacturing for Undergraduate College//SHENG Dongping， XU Hongli， YIN Feihong， SU Chun， MEN Yanzhong， HE

Yafeng

Abstract This paper takes the mechanical manufacturing major in undergraduate college as the research object， and the major charac-teristics are analyzed， combining the latest AR/VR virtual reality and augmented reality technology， AR/VR technology and professional software system are applied to classroom teaching and engineering practice learning respectively. The teaching and learning process are completed in the virtual environment or the combination of virtual and real environment. The course of mechanical manufacturing tech-nology and CNC machine are taken as examples for different appli-cation scenarios of a variety of solutions. By introducing AR/VR technology into teaching and practice， students interest in learning and learning efficiency could be enhanced significantly， and the tea-ching method of the whole major can be improved， which also pro-vides a feasible idea for the teaching reform of mechanical manufac-turing and related majors in undergraduate colleges.

Key words virtual reality; augmented reality; undergraduate colleges;mechanical design and manufacturing major; virtual simulation tea-ching system

1 前言

承襲了数百年的口述结合板书的教学方法后，随着电子科技的发展，大学教育开始逐步从传统板书形式向以电子设备为介质的多媒体方向发展，多媒体教育从视听角度几乎彻底颠覆了传统教育方式，显著提高了学生的学习效率和学习兴趣。近年来，以AR/VR为代表的新兴技术得到迅猛发展，首先在多个行业包括医疗和航空等高精尖领域得到普及，并逐步得到行业认可，在行业应用中获得较好的口碑和实际效果。后来经过高等教育在人才培养领域推进智能教育的积极探索，成为形成高水平人才培养体系的关键一环[1]。

从基本定义上来看，VR（Virtual Reality，虚拟现实）[2-5]

是仿真技术与计算机图形学、人机交互和网络技术等多种技术的综合体，操作者需要戴上头盔，手持操控手柄或者利用数据手套等设备进入由计算机生成的虚拟环境，在该模拟环境中进行交互，沉浸到该环境中并且能够感知和操作模拟环境中的各种与真实世界一一对应的对象，从而获得身临其境的体验。

AR（Augmented Reality，增强现实）是在VR基础上发展起来的一种技术，能够实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，将真实世界和虚拟世界进行有机适配。这种技术实现了在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行实时互动，同时具备了VR环境中的沉浸感和AR环境中的真实感。下面介绍一个AR环境下的典型教学应用案例。

在进行发动机拆装学习时，传统方法是对学生进行分组，然后对发动机进行拆卸，最后庄进行装配。这种方法有较好的可操作性，但在实际应用中存在效率低下且易丢失零件等实际问题。现在可以借助AR技术来实现高效且富有生趣的学习过程：学生在戴上AR眼镜后，一个虚拟的发动机装配模型呈现在眼前;利用真实工具柜里的工具对虚拟发动机进行拆装，虚拟发动机模型中的各零件可以通过人机交互进行虚拟拆装，这样就很好地解决了传统教学中的常见问题。

基于AR/VR技术，教学环境更为逼真，更为生动有趣，能够将教学内容通过虚拟或虚实结合的方式展示出来。从实践效果来看，该方法显著了提高学生学习的主动性和积极性，加深了对知识点的理解与记忆[6-9]。

本文利用AR/VR技术，结合本科院校中机械制造专业的特点进行教学思考，将虚拟现实和增强现实技术应用到课堂教学和综合实训教学环节，并给出两种不同且详细的实现方案，为后续AR/VR技术在整个专业课程甚至整个工科课程体系教学和实践中的应用提供参考。

2 本科院校机械设计和制造专业的特点以及与AR/VR技术的结合点分析

本科院校机械设计和制造专业的特点  本科院校的机械设计和制造专业包括机械制造技术、机械制造工艺学、机械装备和数控加工等专业课。此类专业课都存在显著也共有的特点：实操性强，所涉及的内容复杂。学生难以通过常规课堂授课的方式来深刻理解各个知识点，通常需要通过增加实验课或者工程实践的方法来辅助学习，从而达到课程学习的目的。

以机械制造技术课程为例，该课程包括冷加工和热加工两大类。其中，冷加工包括各类机床的加工原理和操作方法，而热加工包括铸、锻、焊等加工原理和设计方法。该课程学习的对象是机床等复杂设备，且具有显著的实操性要求，而传统的课堂授课通常只能让学生了解其大概内容，而学生真正需要掌握的细节知识点和相关原理则需要通过工程实践的方法来掌握并理解。通常该课程在课堂学习后，需要通过数周甚至更长的时间来完成对应的工程实践，且由于设备和指导教师人员数量的限制，需要将学生进行分组学习，导致学习效率低下且耗时长。另外，由于在生产实践过程中接触的大多是运转中的大型机械设备，使得实践学习能耗高且具有一定的安全隐患。

AR/VR技术与机械制造专业的结合点分析  机械制造专业的特点决定了其具有较高的难度，以及学生需要全程启用设备来亲身实践。如何能让学生更快更有效地掌握知识点，并尽可能地在少启用真实设备或者不启用真实设备的情况下达到同样的甚至更好的学习效果？AR/VR技术给出一条较好的路径。其中，VR技术很好地解决了课堂学习中的短板。同样以机械制造技术为例，让学生在课堂上戴上VR眼镜，启动教学系统，使得学生沉浸在虚拟的三维空间中，机床即呈现在眼前。学生可以通過操控手柄或数字手套来控制虚拟机床的运行，并与机床进行信息交互，了解机床内部的各种结构设计和传动原理。

另外，AR技术可以在工程实践学习中得到应用。以数控机床的编程学习为例，学生只需要戴上AR眼镜，一台虚拟的数控机床即叠加在眼前的真实环境中，即现实中没有数控机床，但眼前看到的却有一台虚拟的数控机床以及其他真实的物理环境，实现真实世界和虚拟世界的有机融合。通过将数控程序输入虚拟数控机床，并对机床进行控制，实现零部件的虚拟加工，从而实现数控机床的操作以及CNC程序的验证学习。

3 AR/VR在教学中的应用和方案分析

VR在课堂教学中的应用  同样以机械制造技术课程的学习为例，该课程以学生掌握各种加工原理和操作方法为学习目标，使用VR技术并结合自主开发的机械制造基础虚拟仿真教学系统，在课堂上或多媒体教室中，通过佩戴VR眼镜，使得整个学习过程都沉浸于虚拟机床环境中。通过对机床进行虚拟运行和虚拟拆装，可以更加有效地学习各类加工技术的原理和方法。图1为该虚拟仿真教学系统的主界面，在主界面中可以选择各种加工工艺。选定学习内容后，即可进入虚拟世界，开始学习零件加工操作方法，图2即为选择车削工艺后出现的界面。佩戴VR头盔的学生即可感受沉浸在图2所示的虚拟仿真环境中，有利于提高学习兴趣，获得很好的学习效果。

AR/VR在工程实践学习环节的应用和实现方法  以数控机床的编程和学习为例，目前的学习方法是通过第三方软件编程，然后将CNC程序导入数控机床中并运行机床加工工件，进而通过检查加工完成后的工件来验证程序的正确性。此类传统学习方法存在几个典型问题，包括浪费物料、学习成本高并存在安全隐患等。图3给出基于AR/VR技术的三种可行方案。该数控机床AR/VR训练系统以提高学习效率和质量为目标，采用增强现实与虚拟现实技术相结合的方法，该方法适用于车、铣、刨、磨、镗等数控机床系统，可以显著提高学生认知和学习效率。该系统很好地解决了几个方面的问题：零耗材（毛坯/刀具）使用、CNC程序正确性自动检测、撞刀/撞主轴等加工过程异常预测与报警、加工后数模的可视化对比。

图3中的方案1是利用AR/VR大屏幕显示的方式来输出加工信息以及整个实训中心的信息;方案2是通过学生戴上AR眼镜，在AR眼镜中显示相关信息，即学生看到的内容是虚拟信息和真实环境的有机结合体;方案3是利用平板电脑的方式，无须再佩戴眼镜，直接将相关信息在平板电脑中显示输出。这三种方案各有优点，适合于不同的应用场景。

图4为基于AR技术的数控机床实训系统案例，该系统有效地实现了虚拟和真实环境的有机融合，并为学生提供了友好的互动操作界面。除了常规的学习内容外，还可以在AR眼镜中实时显示系统的运行状态和相关动态参数。

AR/VR培训学习系统的CNC程序的操作和验证流程如图5所示。需要注意的是，该系统真实物理环境中包括数控机床，但并不存在真实的刀具、夹具和毛坯等部件，在AR眼镜中（即学生佩戴眼镜后看到的）显示出的内容是真实数控机床和虚拟的毛坯工件、夹具和刀具的有机融合。机床主轴根据学生编制的数控程序开始运行，虚拟的刀具也会随着主轴的运动而同步运动。另外，虚拟工件也会随着虚拟刀具的运动产生虚拟切削，所有真实系统和虚拟系统都会在大屏幕上、AR眼镜中或平板电脑中同步显示。这种方案给使用者的体验和利用真实数控机床、毛坯、刀具和夹具的效果完全一致，但同时具有前述提到的显著优势。另外，在真实机床完成运行后，虚拟加工完成后的虚拟成品模型可与理想模型进行对比，从而用来验证学生编制的数控加工程序的正确性。

4 结论

本文以本科院校中的机械设计和制造专业为研究对象，结合分析该专业特点和当前最新的AR/VR（虚拟现实和增强现实）技术，将AR/VR技术结合软件系统分别应用于课堂教学和工程实训学习中，并给出适用于不同应用场景的多种解决方案。通过将AR/VR技术引入教学环节，可显著提高学生的学习兴趣和学习效率，并可改进整个专业的教学方法，为本科院校机械设计和制造专业以及相关专业的教学改革提供了一条可行的参考思路。

参考文献

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