基于虚拟现实的工程实践教育探究

蔡宝 朱文华 顾鸿良 刘赛

摘  要：虚拟现实是变革教学方法改善教学效果的重要手段和途径，尤其可应用在高等工程實践教育中。将虚拟现实技术融入工程实践教学中，使得传统的工程实践教学平台扩展为虚实结合、理实一体化、实践课程多层次的教学平台。阐述了虚拟现实关键技术中的立体成像原理及性能特点，建立了基于虚拟现实技术的工程实践课程体系，形成了层次化、模块化的虚拟现实工程实践课程，并在新冠疫情防控背景下尝试采用互联网+虚拟现实技术进行线上实践教学，取得了初步的教学成果。实践证明，虚拟现实技术能够克服传统工程实践教育的诸多不足，拓展了工程实践教育的教学理念。

关键词：虚拟现实;工程实践教育;立体成像原理;虚实结合

中图分类号：G640       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）03-0084-05

Abstract： Virtual reality is an important means to change teaching methods and improve teaching effect， especially in higher engineering practice education. By integrating virtual reality technology into the engineering practice teaching， the traditional engineering practice teaching platform is expanded to a multi-level teaching platform of virtual reality combination， theory reality integration and practice curriculum. The principle and performance of stereo imaging in the key technologies of virtual reality are described， and the course system of engineering practice based on virtual reality technology is established， what is more， a hierarchical and modular virtual reality engineering practice course has been formed， under the background of new crown prevention and control， we tried to use Internet plus virtual reality technology to carry out online practice teaching， and achieved initial teaching results. Practice has proved that virtual reality technology can overcome many shortcomings of traditional engineering practice education and expand the teaching concept of engineering practice education.

Keywords： virtual reality; engineering practice education; principle of stereo imaging; combination of virtuality and reality

引言

教育信息化是新时代教育改革的发展趋势和必然要求，国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）中指明：信息技术对教育发展具有革命性的影响，必须予以高度重视[1]。虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）作为近年来重点发展的热点技术，其沉浸性、交互性、想象力、多感知性的特点充分满足了教育现代化建设的需要，教育部自2013年开始认定虚拟仿真实验教学示范中心建设成果，目前国内诸多高校积极推进高等学校虚拟仿真实验室建设[2-3]。

张枝实[4]研究表明VR技术能协助学习者更好地应对未来教育所面临的学习环境、学习方式等挑战。顾铁凤[5]针对力学教学构建实践、仿真、理论一体的新体系。郝翠霞[6]提出基于虚拟仿真技术的工业机器人实训课程的教学方案。严褒[7]使用VR（VR）技术对工业产品进行外观建模。赵雅[8]将虚拟现实技术和慕课应用于医学专业人才培养中。

目前针对VR的实践教学研究较多，但少有较为全面的成体系的虚拟仿真课程体系形成，本文以建设虚拟仿真实践教学课程为例，以虚实结合、能实不虚、理实一体化为指导思想，以机械类工程训练实践课程为依托，以VR立体显示理论为基础，以VR为技术手段，对工程实践课程进行一系列改革，开发课程体系全面的VR实践课程。

一、基于VR的实践教学特点

基于VR的教学模式主要可突破以下教学难点：

1. 自然条件下无法实现的，一般而言对于地理自然中的星球运行演示、火山喷发等无法身临其境的现象，通过虚拟手段展现。

2. 现实存在，但无法详细观察的，例如生物学中细胞的成长和分裂等可通过虚拟手段展现。

3. 成为历史，回不去的场景，例如物种的净化，历史事件的再现等。

4. 实验内容不可逆，不能反复，诸如动物的解剖、核反应过程等，可通过虚拟手段展现。

5. 实验操作过于危险，不够安全。

诸如爆炸试验、电子电路实验等，具有危险性的实验亦可通过虚拟手段展现。

基于VR的实践教学有别于传统的PPT式课堂教学和互联网MOOC网络课程教学，它是借助计算机图像显示技术，是一种启发式、自主式学习方式，尤其可应用在具有实践性质的工程操作教学课堂。VR技术与机械类工程实践教育相结合体现出以下诸多特性：

（一）保证安全性

机械类工程实践主要包括车床、铣床、加工中心等机械加工技术训练，传统的实践课程具有一定的危险性，机床在运转工作时具有潜在的操作危险性，时常会有误操作危害学生安全的事故发生[9]，而虚拟仿真的实践训练能够很好地避免实践教学课程中学生的麻木操作而造成的危害，且学习效果往往能够好于传统实践课程。近年来高等学校虚拟仿真实验室建设的初衷就是基于此基础之上，在保证学生的安全性前提下丰富和发展课程内容。

（二）大工程概念教学普及性

中国制造2025是中国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领，要求在2025年进入制造强国行列[10]，其中智能制造技术作为主要支撑技术，必须在教育教学中进行广泛普及，智能制造中激光加工、金属特种加工，机器人焊接等工艺，在此类智能制造的实践教学环节，高校大都受到场地、设备、师资等多方面因素限制，不能很好地开展智能制造方面的课程内容学习[11]，而虚拟仿真技术可将智能制造诸多生产线虚拟化，将真实制造过程借助图像处理技术呈现，并可对其进行交互式学习，而不是普通的画面呈现，这样花费相对较少的人力物力便可开展大工程实践课程教学，这是近年来虚拟仿真实验室建设方向及重点，虚实结合、能实不虚是原则。

（三）工程实践教学内容多层次性

大多数高校将机械类工程实践课程列为必修课程，是大多数学生必选的实践课，融合了VR技术的工程实践课程可适用于不同年级不同专业学生的不同需求，可在授课内容的难易程度上做到很好区分，实现了分层次的教学目的。VR实践课程不受场地、资源限制，所以教学内容具有很大的弹性，可根据具体专业需求区分教学内容难易，实践内容可更好地与理论学习内容相匹配。

（四）技术更具推广性

VR实践课程可与互联网技术结合，特别是在线课程学习，使其具有很强的社会推广价值[12]，任何人都能通过互联网学习上课内容，有别于传统的MOOC互联网课程，学习者只需要登陆相应的网站下载虚拟仿真执行文件便可进行在线课程学习，且与传统的互联网课程不同，虚拟仿真的教学系统具有互动性，可全方位地考核学习效果。

二、立体显示成像原理及特点

VR作为实践教育信息化的主要实现手段，首先必须了解其技术本身的原理和特点。

（一）VR立体成像原理

立体成像原理如图1所示，固定点F通过固定双目映射为对象X和对象Y，图像刺激双眼对应的视网膜点，并产生了融合，对象X落于Panum融合区，对象Y处在Panum融合区外，还带有一个交叉视差。因图像来自视野中不同物体的Z图像，从而导致双眼竞争，形成立体显示效果[13]。

典型的VR技术不仅存在超高的立体显示效果，还具备可追踪的交互式立体显示，其附加传感器对于跟踪用户的头部和手/手臂位置的物理显示起到了交互的作用，同时又能感测用户头部的位置允许新的沉浸深度信息在显示器上创建和呈现，这些信息还包括超出双眼视差的信息，这个新的深度信息被称之为运动视差，它可以被添加到双目视差中，并且已经存在于显示器中。运动视差在双目视觉中的优势视差是增加观看舒适度和提高沉浸感的质量和意识。

综上所述，交互式立体显示比非交互式立体显示具有显著优势，因为交互显示允许创建运动视差，以及创建一个直接产生本体感觉线索的操作界面。同时在运动视差和本体感觉之间，这是唯一可能的，交互式立体显示，可以增强显示的深度感和和增加观看舒适度，这个同时应该允许我们的直觉推理系统从信息中做出合理的理解。

（二）立体显示关键特点

立体显示可以认为是一种认知增强显示，其在工业、医学、政府和教育中的应用特别重要，以下是其关键的特点总结：

1. 使用者在虚拟情景中可与复杂对象、概念和数据进行交互，注重培养学习者的认知和直觉能力。

2. 立体图像在开放空间中与真实物体相似的真实感，可提供非常逼真的立体真实感，学习者的沉浸感增强。

3. 与三维对象和数据的精确、快速和灵活的交互，可通过交互笔操作，与虚拟立体环境中感应射线对应，增加了虚拟环境的真实感。

4. 对抽象的可视化和概念的快速理解，不仅可立体显示，还可对抽象的概念进行可视化理解，增加了学习效率。

国外对融合VR技术的教育过程已形成了STEAM教育教学理念，即科学、技术、工程、艺术、数学五位一体的教学理念，这代表着一种现代的教育哲学。综上所述，国内教育依据VR技术进行一系列的虚拟仿真教学改革势在必行。本文便是在深入了解VR立体成像的原理和概念基础上进行教育教學应用，进行实践教学课程改革。

（三）基于VR的STEAM教育

STEAM教育就是集科学，技术，工程，艺术，数学多学科融合的综合教育，是一种教育理念，有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式。STEAM是一种重实践的超学科教育概念。任何事情的成功都不仅仅依靠某一种能力的实现，而是需要介于多种能力之间，所以单一技能的运用已经无法支撑未来人才的发展，未来需要的是多方面的综合型人才，从而探索出STEAM教育理念。

VR技术对STEAM教育的影响：

1. 影响教学模式

改变传统的教师主宰课堂、学生被动接受、缺乏创新思维的教学模式。VR技术能提供立体可视化的友好桌面、形象直观的交互式学习环境，能提供图文、声像并茂的多种感官综合刺激，激发学生的学习兴趣。

2. 影响教学手段

启发式教学：通过身临其境的、自主控制的人机交互，由视觉、听觉、触觉获取，提供生动、有趣的直观形象思维素材、展现学生不能直接观察到的事物等，形成知识点。学生从思维、情感和行为等多方面地参与教学活动。

探究式教学：以解决问题为中心的教学形式，在实训教学中可以让学生进入问题存在的环境，有针对性地建构虚拟情境，引导学生进行探究。能提供良好的人机交互，允许学生出错，自行了解错误的跟由及后果，积极主动地探寻解决问题的方法。

3. 影响学习方式

VR可以创设一个人性化的虚拟学习环境和沉浸式教学模式，使教学的气氛更加活跃、自然、亲切。

VR技术是多种先进技术的应用和多学科知识的汇聚与融合，是STEAM教育的较佳载体，学生通过主动探索、动手实践、创新设计、跨界融合来学习新知识和掌握新技能，拓展发散性思维，迸发出更加丰富的创新火花。

三、虚实结合的工程实践课程体系

本文以虚拟仿真为技术依托的工程实践课程体系已初步健全，既有针对单体设备的工程实践虚拟仿真课程，同时也开设工业生产系统的仿真实践教学，下面简单阐述其中较为典型虚拟仿真课程内容。

如圖2所示的虚实结合的工程实践课程体系，对于机械单体设备，开发了虚实结合的减速器、激光焊接、普通机床和数控机床实践课程，对于工业生产系统开发了智能制造实践、数字化生产实践和工业节能仿真课程。

（一）《虚实结合的减速器工程训练》课程

使用VR设备开发的虚拟减速器拆卸装配系统[14]，配合实际减速器拆装学习内容，体现了虚实结合、能实不虚的教学思想，课程作为本科学生进行VR实践课程探索，通过不断地完善和优化，授课两年来取得了较好的学习效果。此外虚拟减速器拆卸装配系统还开发了增强现实效果，增强现实在工程实践课程的最大优势便是，使得学生学习的内容能够实时与别人分享，如图3所示，虚拟减速器箱体零部件可实现“跑出”屏幕的效果，大大丰富了课程的知识体系和趣味性。

传统的减速器工程训练只是对实体减速器进行拆装训练，实际授课过程中往往存在教师人员少、设备损坏过多，教学秩序混乱等问题，而融入VR的减速器拆装课程可有效解决上述问题。

（二）《虚实结合的机床工程训练》课程

传统的机床工程训练课程均以实际操作为主，学生在做生产实习时，由于机床数量有限，实习场地较小，通常是一堆人围着教师或者一台机床进行授课，而融入VR技术后，学生首先在VR设备上学习仿真机床基本知识，包括机床设备的组成，机床加工的基本步骤、机床加工实例演示等内容，而后在实际机床上再进行机床加工操作学习。同时为了方便教师操作给学生演示，如图4所示，开发了VR设备与普通裸眼立体显示跨屏显示系统[15]，学生可观看教师虚拟仿真操作内容，大屏幕显示的是裸眼立体操作画面，画面与教师机设备操作内容实时同步，增强了虚拟学习效果。

（三）《数字化生产实践》课程

普通机械生产车间加工设备众多，为了使学生全面了解生产设备的布置情况，开发了虚拟车间布局系统，配合《数字化生产实践》课程使用，根据机床设备的使用特性，机床与机床间存在安全的摆放距离，传统教学中不能轻易挪动机床设备，而虚拟仿真教学不仅能立体呈现车间场景，还能查看机床设备的摆放情况，计算设备间的相互摆放距离。

自工业4.0概念提出以来，数字化生产实践课程有着更为重要的作用，它改变了单体设备的简单操作教学内容，能将所有设备进行系统的组合和排布，使学习者能够具备大工程概念而非简单的设备操作方法。

（四）《智能制造实践》课程

智能制造实践课程主要针对机械专业本科学生，重点介绍工业机器人的生产装配作业过程，工业机器人（机械手）的操作方法，工业机器人的动作编写程序等内容，ABB工业机器人在一个工位上对零部件进行装配，智能制造虚拟仿真系统可对机器人动作进行仿真教学，由于现阶段机器人设备造价昂贵，实际教学过程中不能保证每一个学生单独操控机器人，所以同时开发的工业机器人虚拟仿真学习系统，主要配合实际机器人教学环节，学生首先在VR设备中进行机器人虚拟仿真学习，而后进行实践演练操作，虚实结合的教学过程能够使学生更全面了解学习内容。

此外虚拟仿真实验室还开设有电动机、水泵、风机节能虚拟仿真课程，循环冷却水系统节能仿真课程，自行车工业设计仿真课程，此外还设有虚拟校园漫游体验系统，让学生全面体验校园文化。全面的虚拟仿真课程真正做到了系统的分层次分专业式模块化教学，形成了以机械专业为主体，文理学科综合的虚拟仿真教学体系。

四、结束语

通过对立体显示成像原理的深入阐述，总结了虚拟技术应用于教学的可行性，并介绍了其在高等工程教育的诸多课程应用实例。实践证明：工程实践教育进行虚拟仿真教学研究具有很强的必要性，学校可根据教学大纲要求，将虚拟仿真教学内容分为通识基础类课程和实践必修类课程，通识基础类课程可对非本专业学生进行实践教学，而实践必修类课程针对本专业学生展开，使仿真学习内容更具有层次性和系统性。尤其是在此次新冠疫情防控背景下，基于VR的线上工程实践教育完全替代了线下操作练习，这体现了虚拟技术在时间和空间上的巨大优势。

近五年来VR技术在教育教学上的作用愈发明显，但技术终究只是教学的辅助工具，如何做到将VR技术与教学内容高度匹配是今后探究的其中一个研究重点和方向，能实不虚、虚实结合是重要原则，虚拟技术能将启发式教学上升到新的高度。

参考文献：

[1]教育信息化十年发展规划（2011-2020年）[EB/OL].http：//ww

w.Moe.edu.cn/ewebeditor/uploadfile/2012/03/-29/2012032914080

0968.doc.

[2]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.

[3]徐进.2013年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作小结

及2014年申报建议[J].实验室研究与探索，2014，33（08）：1-5+25.

[4]张枝实.VR和增强现实的教育应用及融合现实展望[J].现代教育技术，2017，27（1）：21-27.

[5]顾铁凤，王晓君，贾月梅.实践、仿真、理论一体的高校力学教学新体系研究[J].教育理论与实践，2015（18）：49-50.

[6]郝翠霞，叶晖.工业机器人实训课程的虚拟仿真教学研究[J].实验技术与管理，2018（6）：144-146.

[7]严褒.基于虚拟现实技术的工业产品造型设计[J].现代电子技术，2019（3）：184-186.

[8]赵雅，戴华，钱亚云.浅析VR技术和MOOC资源在医学专业国际化人才培养中的应用[J].高教学刊，2020（5）：169-171.

[9]叶萍.“危险”的教科书[J].江苏教育，2013，16：32.

[10]国务院.中国制造2025[R].2015-05-19.

[11]焦健.一種面向工业4.0的工控安全教学平台[J].教育教学论坛，2018（12）：104-105.

[12]彭延辉.艺术类虚拟仿真实验教学网络平台的设计及应用[J].中国高新区，2018（3）：74.

[13]Patterson R. Review paper： Human factors of stereo displays： An update[J]. Journal of the Society for Information Display， 2009，17（12）：987-996.

[14]蔡宝，石坤举，朱文华.基于虚拟现实技术的车床仿真系统[J].计算机系统应用，2018，27（5）：86-90.

[15]蔡宝，朱文华，孙张驰，等.虚拟现实技术在铣削加工实训教学中的应用[J].实验技术与管理，2020（1）：137-140.