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基于VR技术的特种加工实验教学改革探索

2023-01-12中国石油大学华东石油工业训练中心苗俊田鹿德台刘冬冬赵博韩俊腾

内江科技 2022年12期
关键词:特种教学效果加工

◇中国石油大学(华东)石油工业训练中心 苗俊田 鹿德台 刘冬冬 赵博 韩俊腾

当前特种加工技术的应用领域不断拓展,特种加工专业人才缺口较大,高等学校作为特种加工复合型人才的培养机构面临很大压力。针对传统特种加工实验教学中存在的问题,构建一种基于VR技术的特种加工实验教学系统研究。融合VR技术在图形仿真、三维展示、后期维护及系统兼容性等方面的优势,建立一种理论加实践、线上加线下的新型特种加工实验教学模式,系统平台软硬件基于Unity3D设计完成,并采用模块化的组合连接方式;在图形的3D模拟方面,基于UG技术的网格化管理方式实施特种仿真加工过程的3D建模,提升实验教学过程的逼真度。VR技术在特种加工实验教学中改革探索和应用创新,会提高特种加工理论教学与实践教学结合的紧密度,获得更好的实验教学效果。

1 引言

伴随着制造业的不断向前发展及社会需求的日益增加,对加工难度、加工效率及加工精度,都提出了更全面的要求,这客观上推进了制造业生产加工方式的多元化[1]。特种加工突破了原有机械加工的单一方式,而广泛利用电、光、热、化学等能源,多样化地加工和处理原材料[2-4],以达到不同的制造目的,满足不同的加工需求。特种加工是数字信息产业高速发展及制造业高级化的必然产物,计算机科学技术、自动化控制技术及传感网络技术的成熟,为特种加工奠定的坚实的基础[5-6],同时特种加工也促进了制造业的变革,助力现代制造业向更高的层次发展。当前特种加工的应用范围在不断扩大,该领域的专业人才缺口也较大。高等学校工业训练中心是培养特种加工人才主要机构之一,特种加工课程教学的主要目的是,使学生能够掌握特种加工方式的基本原理与适用范围,并熟练应用特种加工技能。但特种加工是一门以实验教学为主的课程,知识跨度大、交融性强、涉及到的领域较多,需要学生具备一定思维拓展的能力和知识综合运用的能力。

在特种实验教学过程中,应将理论教学与实验教学相结合,注重学生们的对于特种加工原理的理解,并建立一种更为直观具体、交互性更强的教学模式,以提高学生群体的实践应用能力。而当前高等学校特种加工实验教学,在教学模式选择、教育资源分配及教学效果评估等方面都存在一定问题,导致教学效果无法达到预期的目的,因此改善特种加工实验教学效果,深化教学模式改革迫在眉睫。VR(虚拟现实)技术是上世纪末逐渐兴起的一项实用技术[7],VR集计算机网络技术、虚拟仿真技术和电子信息技术于一身,通过三维立体仿真与显示,而给使用者带来真实的沉浸感[8]。构建基于VR技术的特种加工实验教学系统,并将VR技术应用于特种加工实验教学当中,既能够解决当前高等学校特种实验教学中教学资金、实验设备与实验器材短缺的现实问题,也能够更直观地展示出特种加工技术的基本原理和使用技巧,提升实验教学的效果。

2 特种加工实验教学中存在的问题剖析

2.1 课程抽象不易理解

特种加工多采用电子束、激光、离子束、化学能等方式加工材料,涉及到的学科与领域多且互有交叉,特种加工原理远复杂于传统机械加工,在加工中会受到多种不同因素的影响和制约,加工风险也显著高于传统方式。特种加工理论教学的课程内容过于抽象、不易理解,很难激发出学生的学习兴趣。因此特种加工课程教学应以实验教学为主,用具体可视化的实践操作来巩固相关理论知识。而从现有高等学校特种加工课程所使用的教材来分析,大多数是从理论的角度入手分析和研究,教材中涉及到实验教学的内容过少。在学习过程中学生会接触到各种复杂的加工原理和抽象的概念,基于二维平面的特种加工教材,难以给学生带来特种加工直接和感性的认知,也就无法帮助学生扎实地掌握特种加工理论知识。

2.2 教学模式落后教育资源匮乏

从高等学校现有的特种加工实验教学模式来看,多采用课上理论教学加实验教学的模式,讲授内容仅涉及到个别特种加工实例的罗列和讲解,从总体上说实验教学方式不系统、不完善、专业化的程度较低,也不具备让每一个使用者亲自操作的条件,这种实验教学方式是一种单线的教学模式,如图1所示。

图1 传统特种加工实验教学模式

在当前高等学校的特种加工实验教学中,大都没有详尽地制定操作规程、细化加工步骤、编制安全作业流程及制作紧急预案措施,因此理论教学与实验教学脱节,且实验教学并没有达到巩固理论教学的目的,也没有达到为特种加工培养优秀人才的初衷。特种加工实验教学的复杂性和难度远非传统加工实验教学可比,简单的单线教学方式,必定不能获得良好的实验教学效果。从教学资源的角度来考虑,特种加工实验室的建设需要高等学校投入大量的资金、人力和物力,而资金紧张是大多数高等学校面临的现实问题之一。在实验室建设和实验设备的选购方面,只能有选择地购置一部实验设备用于特种加工实验教学,远远不能满足大规模教学的需要,更无法顾及到每一个实验的参与者。此外,现阶段特种加工技术更新迭代的速度较快,高等学校财力有限且大批量地购买、更新和淘汰实验用教学设备也不现实,特种加工教学资源匮乏已成为制约实验教学的主要问题之一。

2.3 教学效果不易评估

高等学校特种加工实验课程设置的目的,是要培养具有较强理论素养和实践技能的综合型领域人才,特种加工课程本身的特点及教学模式落后、教育资源短缺等现实问题,导致了无法对高等学校特种加工实验教学的效果做出科学、准确的评估。传统以书本知识为主体的理论考核模式,不能准确地反应出真实的教学效果,也无法检验学生群体对于实践技能的掌握程度。综上分析,课程本身的难度、教学模式不适宜、及缺乏有效的教学评估措施等三个原因,导致了当前高等学校特种加工实验教学陷入困境。

3 VR技术的特点与优势

VR技术的产生和成熟标志着人类对计算机视觉领域的研究进入了一个更为高级的发展阶段。VR技术可以从三维立体化的视角分析和理解事物,与二维平面模式相比更为真实、直观和易于理解,VR可视化技术还可以给使用者带来一种身临其境、沉浸其中、游走于虚拟现实之间的感受。目前3D电影、3D打印等技术已经被广泛地应用于人们的工作、学习和生活当中,给使用者带来更为真实的三维体验。现阶段,国内外已有基于VR技术的实验教学案例,将VR虚拟现实技术应用于高等学校特种加工的实验教学之中,具有可视化、便捷化、低投入、低运行成本等多方面的优势。

利用VR技术对高等学校特种加工传统实验教学方式进行改革,目的就是要利用虚拟现实系统仿真,而获得与传统实验室相同甚至更好的教学效果,以更好地协助使用者掌握特种加工的理论知识与实践技能。VR技术在特种加工实验教学中的应用优势主要表现在以下几个方面:①VR技术具有十分强大的系统仿真功能,在计算机仿真环境下VR可以模拟电子束、激光束、离子束、化学能、热能等多种特种加工方式,并能够实现在线的参数调整与结果输出,模拟场景能够获得真实条件下的特种加工效果,向实验的参与者更真实地展示出特种加工的原理,以达到理论与实践的结合。在真实的实验室环境下是不可能在特定时间段同时操作多种特种加工作业,可见VR技术和VR仿真系统具有更强的业务拓展功能。②VR技术在知识的更新效率方面具有更大的优势,基于VR技术的实验教学系统是一个开放式的网络平台,通过互联网、局域网与云端的数据库、知识库相连,并可以定期更新实验教学系统的软硬件和各级程序,保证特种加工实验教学虚拟仿真系统平台始终能够应用到最新的虚拟特种加工技术,把最前沿的工艺和技术通过仿真平台展现给使用者。由此可见,VR实验教学系统具有实物实验无法具有的知识与技术更迭效率。③虚拟仿真实验教学系统也可以通过网络实现远程教学和在线指导,打破了传统实验室教学在空间理念上的束缚和限制,学生可以在其他非实验教学课时间,通过网络自主学习和交流,并可以通过网络获得教师的在线教学和指导。④基于VR技术的虚拟实验教学系统和仿真平台,在先期构建投入和后期运营维护成本方面更具优势。由于特种加工实验教学大部分是在虚拟仿真的环境下完成的,后期的维护主要是软件系统的更新与升级,成本相对于传统实验室硬件投入要低得多。

4 基于VR技术的实验教学改革

针对传统特种加工实验教学中教学模式落后、拓展性差、教学效果无法得到有效评估等弊端,本文基于VR技术对传统特种加工实验教学进行多方面的改革与探索,重点应用VR技术构建一种新型虚拟实验教学系统和仿真实验平台,并逐步形成一种理论+实践、线下+线上相融合的新型双线特种加工实验教学模式,具体模式如图2所示。

图2 基于VR技术的双线教学模式

VR技术在特种加工实验教学过程中的运用,一方面应用虚拟现实教学系统,完善了传统实验教学的方式,也提高了实验教学效率和效果;另一方法应用VR技术也将特种加工实验教学从线下教学转变成为了线上与线下相结合的教学方式,更为灵活、更为高效。本文分别从实验教学系统总体框架设计、仿真平台及模块设计、软件及关键技术设计等几个方面予以系统阐述实验教学改革的内容。

4.1 VR实验教学系统框架革新

基于VR技术的虚拟仿真实验教学系统,将现实中的实验教学与VR技术下的虚拟教学相融合,并将线下的传统课堂教学与云课堂教学结合起来,多渠道、多路径实施特征加工实验教学,这种虚实结合的实验教学系统设计理念框架,如图3所示。

图3 V R特种加工教学系统总体框架

VR特种加工教学系统总体上基于Unity3D设计完成,为更加立体化、多功能地展现出特种加工实验仿真过程,首先建立3D虚拟加工环境和系统仿真平台,以模拟特种加工过程的各个模块和加工工具的运动过程模型,再根据设计好的数学模型,对特种加工过程中发生的各种机械、物理和化学变化进行模拟仿真,在系统操作的过程中利用平台的输入端,还能够仿真参数设置的过程,虚拟实验教学的过程与真实的特种加工实验教学相近。

4.2 教学仿真平台的创新设计与探索

Unity3D提供了多种功能强大的模型动态虚拟仿真方法,特种加工实验教学平台改革与探索也基于Unity3D软件设计完成。仿真平台的功能丰富,具有三维动画展示、声音模拟、过程回放、慢动作操作、及各种人机交互的功能,通过软件设置能够满足不同种类特种加工的要求。

图4 VR特种加工实验教学仿真平台设计

除此之外Unity3D还具有良好的兼容性,在特种加工实验教学平台上还可以运行AUTO CAD、CAXA、3D MAX等其他主流工程设计软件,以实现教学软件在功能上的互补,VR实验教学仿真平台结构设计,如上图所示。

基于VR技术的实验教学平台构成包括Unity3D基础框架、功能模块拓展和文件配置模块,其中基于Unity3D的平台基础框架提供了底层代码编译、文件预置等基础性的功能,仿真教学平台将原有Unity3D API中的各种基础性仿真功能都融入其中。VR特种加工实验教学平台采用了模块化的设计方式,通过语义识别出用户在输入端的需求,实现对各类特种加工过程的虚拟仿真输出。虚拟仿真实验教学平台也采用了高兼容性平台接口,保证在三维图像立体化输出中的真实性和平顺性,Unity3D软件在底层语言基础结构设计、程序的编辑和调用方面灵活、高效,输入输入文件的系统配置功能完善,可以实现一些更高级、功能更为复杂的组合效果。

在平台仿真功能实现方面,由于采用了模块化的设计方式,平台操作者通过鼠标拖拽、坐标系转换或索引调用等方式,可以直接使用各种功能模块搭建不同类别的特种加工场景。虚拟仿真平台的功能模块均采用分类放置的方式以方便随时调用与参数更新,也便于后续系统的维护和功能选项的增加。平台下属的各功能模块相对独立,且可以通过底层代码的更新独立地实现参数的更新与功能程序的修正,调整特种加工中各虚拟零部件的行进速度、角度、方向及时长。平台各功能模块的组合与调用按照平台既定逻辑规则进行,并形成一个系统化仿真功能库,其中每一个功能模块都被赋予一种面向对象的ID索引。当选择不同类别的特种加工项目时,只需调用与其相关的索引ID,就能够从数据库中调取相关的数据,显著提高了教学效率。

4.3 系统关键技术与通信连接的实现

在基于VR技术的特种加工实验教学系统中,采用了UG几何混合建模技术实现对特种加工。UG技术的场景逼真度高、兼容性强、交互性更好,其还提供了3D网格化的系统模型优化功能,结合模型的顶点数据、三角面数据与数据的空间存储功能,不断地调整和优化模型的三维虚拟演示功能。此外系统模型采用多边可编辑指令,简化模型的复杂度并以纹理映射展现出模型的细节特征,提高在特种加工虚拟展示中的逼真度。在光源设定和三维图像的纹理展示中,系统模型还应用了区域光源和聚焦光源等工具,多角度地渲染出特种加工场景,Unity3D建模在图像纹理设计和构建方法也能提供更为真实的效果,使软件系统的使用在实验室中能够获得更为真实的教学体验。

基于VR技术的虚拟仿真实验教学平台,利用局域以太网实现教学用数据的传输与存储,为保证系统的安全性,使用者进入虚拟仿真系统后要经过管理员的授权,或通过动态通信密钥完成身份的验证。用户通过本地浏览器调用程序,输入登录信息和密码进入系统。建模完成后用户可以将模型存储与本地数据库,如果文件较大也可在云端存储,方便后续的对文件的调用、修改和完善。

5 VR技术在实验教学中的作用体现

针对传统以真实实验教学为主的特种加工实验模式的缺点和弊端,利用VR技术构建虚拟仿真的特种加工实验教学系统,VR系统在实验教学中的作用主要表现在以下几个方面。

(1)基于VR技术的虚拟仿真实验教学系统使门类多、复杂度较高的实验过程空间展现成为可能。特种加工工艺本身的复杂度和难度均较高,由于受制于实验室空间、设备购置成本、及技术的更新迭代效率等问题,特种加工实验室教学一直是高等学校教学的重点和难点问题之一,实验教学效果也无法得到有效的保证。而利用计算机虚拟仿真技术,在计算机网络平台下可以搭建一种模拟真实场景的实验教学环境,通过计算机三维立体图像的展示,达到特种加工实验教学的目的。VR虚拟仿真教学系统还可以实现线上教学与线下教学的融合,用户通过网络授权能够在实验课程之外的时间,进入系统自主学习,促进特种加工理论教学与实验教学更好地结合。以特种加工中的激光切割为例,基于VR技术的虚拟仿真实验教学过程,如图5所示。

图5 特种加工虚拟仿真环境与工作仿真

(2)VR特种加工实验教学系统的构建成本、运营成本和后期的维护成本均较低,随着特种加工日趋复杂,这对于高等学校特种加工实验教学意义重大。当VR系统硬件部分构建完成后,后期仅需对软件部分做常规升级,无需过大的投入。VR特种加工实验教学系统资源与云端连接,知识更新的效率更高。

(3)基于VR虚拟仿真技术打造特种加工实验教学平台,将更有助提高高等学校特种加工课程的实验教学水平。在基于VR技术实验教学系统中,理论教学与实践教学结合得更为紧密,特种加工理论教学的效果能够得到保证。传统实验教学中由于受到实验教学模式和实验资源的限制,教学效果不易评估,而在VR实验教学系统中每一个实验参与者都有更多的时间操作机会,对于实验教学而言更能够量化考核使用者对于特种加工理论知识与实践应用的掌握程度。

6 结束语

随着计算机软硬件技术的快速发展与VR技术的不断成熟,将VR技术应用于高等学校教学领域,必将成为一种发展趋势。而针对特种加工实验的教学特点,利用VR技术对原有传统的教学模式实施改革,可以使实验教学与理论教学效果得到本质的提升,特种加工实验教学方法的革新,将更有助于培养学生的理论知识学习能力、实践操作能力和自主学习能力,以兴趣为导向、以VR技术为工具,才能够达到特种加工实践教学的最终目的。

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