對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)控技術(shù)教學中的應(yīng)用分析

前 言

隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，新的教學手段不斷涌現(xiàn)，繼多媒體技術(shù)之后，教學技術(shù)領(lǐng)域又出現(xiàn)一種新型教學媒體，它就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近幾年來國內(nèi)外科技界關(guān)注的一個熱點，它的興起，為人機交互界面的發(fā)展開創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域，為各類工程的大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化提供了新的描述方法。

目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學實習、軍事訓練、建筑設(shè)計、教育培訓等眾多領(lǐng)域。以計算機仿真和數(shù)控加工技術(shù)為基礎(chǔ)，利用計算機來模仿真實的數(shù)控設(shè)備工作環(huán)境，形成了虛擬數(shù)控技術(shù)，如將其應(yīng)用于數(shù)控技術(shù)教學上，必將對整個教學產(chǎn)生深遠的影響。

1  虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)，簡單地說，就是借助于計算機技術(shù)及硬件設(shè)備，實現(xiàn)一種人們可以通過視、聽、觸、嗅等手段所感受到的虛擬幻境。虛擬現(xiàn)實作為一項尖端科技，它集成了計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)并行處理等技術(shù)的最新發(fā)展成果，由計算機圖形構(gòu)成三維數(shù)字模型，并編制到計算機中去生成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環(huán)境，提供給人們通過計算機對復雜數(shù)據(jù)進行可視化操作與交互的一種全新方式。虛擬現(xiàn)實的最大特點是用戶可以用自然方式與虛擬環(huán)境進行交互操作，改變了過去人類除了親身經(jīng)歷，就只能間接了解環(huán)境的模式，從而有效地擴展了人們的認知手段和領(lǐng)域。

2  虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本類型

根據(jù)用戶參與虛擬現(xiàn)實的不同形式，可把虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)劃分成四類：

3.1桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)也稱為簡易型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它是利用個人計算機和低級工作站進行仿真，將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，使用者通過鍵盤、鼠標便可與虛擬環(huán)境進行交互。這種系統(tǒng)的特點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，因此應(yīng)用比較廣泛，是一套經(jīng)濟實用的系統(tǒng)。但桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾，參與者缺少完全的沉浸，缺乏真實的現(xiàn)實體驗。

3.2沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一種高級的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它提供一個完全沉浸的體驗，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。沉浸式虛擬系統(tǒng)是一套比較復雜的系統(tǒng)，它的優(yōu)點是用戶全身心地沉浸到虛擬世界中去，缺點是系統(tǒng)設(shè)備價格昂貴，難以普及推廣。

3.3增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

增強式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是把真實環(huán)境和虛擬環(huán)境組合在一起的一種系統(tǒng)，它既允許用戶看到真實世界，同時也可以看到疊加在真實世界的虛擬對象，這種系統(tǒng)既可減少對構(gòu)成復雜真實環(huán)境的計算，又可對實際物體進行操作，真正達到亦真亦幻的境界。

3.4分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是利用遠程網(wǎng)絡(luò)，將異地的不同用戶聯(lián)結(jié)起來，多個用戶通過網(wǎng)絡(luò)同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經(jīng)歷，對同一虛擬世界進行觀察和操作，達到協(xié)同工作的目的，從而將虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用提升到了一個更高的境界。

3.  虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有以下四個基本特征:

沉浸性——指用戶感到作為主角存在于模擬環(huán)境中的真實程度。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是根據(jù)人類的視覺，聽覺的生理心理特點，由計算機產(chǎn)生逼真的三維立體圖像，使用者戴上頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備，便可將自己置身于虛擬環(huán)境中，使用者與虛擬環(huán)境中的各種對象的相互作用，就如同在現(xiàn)實世界中的一樣。

交互性——指用戶對模擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的人機交互是一種近乎自然的交互，使用者不僅可以利用電腦鍵盤，鼠標進行交互，而且能夠通過特殊頭盔，數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備進行交互。

多感知性——是指除了一般計算機技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運動感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。由于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中裝有視、聽、觸、動覺的傳感及反應(yīng)裝置，因此，使用者在虛擬環(huán)境中可獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知，從而達到身臨其境的感。

構(gòu)想性——是指虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有廣闊的可想像空間，可拓寬人類的認知范圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境，它不僅可實現(xiàn)實物虛化，還可實現(xiàn)虛物實化等處理。

4  虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學中的實現(xiàn)意義

隨著計算機、信息、網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，計算機作為一種高效能的信息傳播工具，在教育教學過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用，如果將虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新興的教學媒體應(yīng)用到教育教學中，這種嶄新的技術(shù)會帶給我們嶄新的教育思維，解決我們以前無法解決的問題。

4.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)開創(chuàng)了全新的學習場景——徹底打破空間、時間的限制

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以徹底打破空間的限制，學生可以進入物體的內(nèi)部進行觀察，如學生可以進入虛擬的分子、原子、航天工作站等內(nèi)部，考察物體內(nèi)部的工作情況。虛擬技術(shù)還可以突破時間的限制，一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以在很短的時間內(nèi)呈現(xiàn)給學生觀察。虛擬制造技術(shù)還可以應(yīng)用計算機、交互外設(shè)及軟件來構(gòu)建一個虛擬的生產(chǎn)環(huán)境，使學生能如同在制造現(xiàn)場一樣，與熒屏上出現(xiàn)的制造過程進行自由交流?；诰W(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)為學習者提供了全新的學習場景，構(gòu)造出開放性的教學環(huán)境。

4.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了嶄新的教學手段——構(gòu)建實物虛化、虛物實化的方法

通過虛擬現(xiàn)實、多媒體、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的綜合應(yīng)用，可在課堂和實驗室中展現(xiàn)在傳統(tǒng)的教學模式中無法實現(xiàn)的教學過程。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對學生學習過程中所提出的各種假設(shè)模型進行虛擬和虛物實化，通過虛擬系統(tǒng)便可直觀地觀察到這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以進行實物虛化，虛擬各種人物，創(chuàng)建虛擬課堂，在虛擬的課堂氣氛中，學生可以與虛擬的教師、學生一起交流討論，開展啟發(fā)式教學。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，還可以使學生通過在虛擬場景的身臨其境和自主控制的人機交互，由視、聽、觸、覺獲取外界的反應(yīng)，通過學生自我組織，制定并執(zhí)行學習計劃，進行自我評價，開展適應(yīng)式學習。還可通過小組或團隊的形式，組織學生進行學習，成員間共享成果，開展協(xié)作式教學。

4.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)變革了傳統(tǒng)學習方式——營造開放性的網(wǎng)上探索學習

運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，突破傳統(tǒng)教科書的限制，使每一位學習者都可以根據(jù)自己的學習特點，在自己方便的時間從互聯(lián)網(wǎng)上自由地選擇適合的學習資源，按照適合于自己的方式和速度進行學習，這種探索性的學習，有利于激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，使學習者在具體情境中通過主動的探索獲得知識，從而提高學習者的動力。

4.4虛擬現(xiàn)實技術(shù)豐富了課堂教學內(nèi)容——展示全方位、多角度的教學內(nèi)容

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可豐富教學內(nèi)容，將實驗、實訓等技能訓練搬到課堂中進行，由于這些虛擬的訓練系統(tǒng)無任何危險，學生可以反復練習，直至掌握操作技能為止。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，還可恰如其分地演示一些復雜的、抽象的、不宜直接觀察的自然過程和現(xiàn)象，全方位、多角度地展示教學內(nèi)容。利用計算機多媒體技術(shù)，制作各種仿真課件，創(chuàng)設(shè)所需要的某種虛擬情景，讓學生進行模擬實驗，從而極大豐富課堂的教學內(nèi)容。

4.5虛擬現(xiàn)實技術(shù)節(jié)約了有限的教育成本——開展虛擬實驗、進行虛擬生產(chǎn)

虛擬各種實驗設(shè)備、實訓環(huán)境和操作過程，使大多數(shù)課程可以在虛擬實驗室中進行，大多數(shù)的技能可以在虛擬實訓車間中進行訓練，從而不必購置昂貴的實驗實訓設(shè)備?？梢栽诠?jié)約大量昂貴的儀器設(shè)備費用的前提下，解決在教學中，因為實驗設(shè)備、實驗場地、教學經(jīng)費等方面的原因而無法進行的教學實驗，虛擬訓練又可避免實驗實訓設(shè)備的損壞、訓練材料的消耗等問題，從而有效節(jié)約教育成本。

5  虛擬現(xiàn)實技術(shù)在數(shù)控技術(shù)教學中的應(yīng)用

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，社會各行業(yè)對制造業(yè)提出了更高的要求，數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代機械制造業(yè)的核心技術(shù)，其技術(shù)的應(yīng)用水平將直接影響產(chǎn)品的加工水平。在現(xiàn)今數(shù)控技術(shù)人才極度缺乏的情況下，如何將最新、最實用的數(shù)控技術(shù)高效地傳授給數(shù)控技術(shù)學習者，是數(shù)控技術(shù)教學要著重考慮的問題。由于數(shù)控技術(shù)教學和培訓都離不開數(shù)控機床，而數(shù)控機床本身價格比較昂貴，限制了學校的購買能力，若采用計算機建模和仿真技術(shù)來模擬實際的數(shù)控加工環(huán)境，同樣可以讓學生盡快熟悉數(shù)控機床的加工環(huán)境與真實的加工過程，從而提高數(shù)控技術(shù)的教學效果和教學質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可從以下幾方面應(yīng)用在數(shù)控技術(shù)教學上。

5.1利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)數(shù)控教學儀器、設(shè)備、加工產(chǎn)品的立體展示

在傳統(tǒng)教學中，學生只有通過在書本上察看各種教學儀器設(shè)備的平面圖形，或在現(xiàn)場觀察實際的教學設(shè)備外形來獲得各種感性認識。平面的圖形限制了學生的空間想象能力，實際現(xiàn)場教學又增加了學校的投入。采用使用虛擬現(xiàn)實，我們可以構(gòu)建一個與實物同樣的三維物體，如采用Pro/E建模，將各種教學儀器、設(shè)備和產(chǎn)品進行實物虛化，將這些物體以立體形式存放在虛擬教室中，我們只要進入這個虛擬空間，就可隨時隨地地認識這些儀器設(shè)備，而且可觀察到設(shè)備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，可輔助數(shù)控技術(shù)教學的學習過程，增強理解能力，提高學習效果。

5.2利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行模擬實驗和仿真教學

在教學中，許多昂貴的實驗、培訓器材，由于受價格的限制而無法普及或有許多實驗是根本不可能做的，如果利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，建立虛擬實驗室，學習者便可以走進這個虛擬實驗室，身臨其境般的操作虛擬儀器，如進行各種虛擬的數(shù)控系統(tǒng)的連接與組裝。這種實驗既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復操作，直至得出滿意結(jié)果。虛擬實驗室的另一優(yōu)點還在于其絕對的安全性，不會因操作失誤而造成人身事故。

另外，我們還可利用虛擬仿真技術(shù)，制作虛擬仿真軟件，在多媒體計算機上進行數(shù)控機床操作面板的認識操作訓練，進行模擬編程訓練并產(chǎn)生加工結(jié)果的仿真，可有效地解決教育機構(gòu)實驗條件與實驗需求，實驗效果之間的矛盾。

5.3利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)控加工仿真教學系統(tǒng)

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可以模擬實際數(shù)控機床加工環(huán)境及其工作狀態(tài)的計算機仿真加工系統(tǒng)，這就是某一特定數(shù)控系統(tǒng)借助計算機軟、硬件的功能，通過實驗者的控制在計算機上演示，分析數(shù)控加工從零件設(shè)計圖到動態(tài)切削演示的實現(xiàn)的全過程。仿真機床操作的整個過程包括：毛坯定義、工件裝夾、壓板安裝、基準對刀、安裝刀具、機床手動操作等內(nèi)容。 虛擬數(shù)控加工仿真教學系統(tǒng)完全模擬真實零件的加工過程，可以檢驗各種數(shù)控指令是否正確，能提供與真實機床完全相同的操作面板，其調(diào)試、編輯、修改和跟蹤執(zhí)行等功能也一應(yīng)俱全。學習者可身臨其境的操作各類數(shù)控加工設(shè)備，能有充分的機會去練習數(shù)控加工中的常用操作，如基本運行方式的選擇操作、對刀操作、補償量的確定及輸入輸出操作和程序的編輯修改操作等。解決了初學數(shù)控技術(shù)者需要的大量操作練習，提高了機床操作訓練的時間。把數(shù)控加工仿真教學系統(tǒng)引入到教學之中，這樣既可以避免因誤操作造成價格昂貴的數(shù)控機床的損壞，又可以使操作人員在對仿真數(shù)控機床操作過程中產(chǎn)生現(xiàn)場感和真實感。同時由于其成本較低，可以大量地配置終端，徹底解決了數(shù)控機床數(shù)量不足的難題，使每位學生都能有足夠多的實踐機會，從而為數(shù)控技術(shù)教學提供良好的教育平臺。

5.4實現(xiàn)虛擬仿真教學與真實生產(chǎn)加工的聯(lián)系

數(shù)控加工仿真教學系統(tǒng)既能單機系統(tǒng)獨立運行，又能實現(xiàn)在線運行。獨立運行即機床模型方式，其培訓設(shè)施只需一臺計算機，數(shù)控機床的模擬操作在顯示屏顯示的仿真面板上進行，而零件切削過程由機床模型通過三維動畫演示。在線運行即機床工作方式，在這種方式下，教學系統(tǒng)將與實際機床連接，由硬件實現(xiàn)零件切削過程，這時除了操作者是用仿真面板操作外，其它則與實際機床的真實情況一樣。由于數(shù)控加工仿真教學系統(tǒng)具有完善的圖形和標準數(shù)據(jù)接口，用戶既能在真實的環(huán)境中運行虛擬機床，又能觀察它的各種運行參數(shù)，并能將其他CAD／CAM軟件，如Pro/E、UG、Mastercam等產(chǎn)生的三維設(shè)計后置處理的NC程序，直接調(diào)入加工。

5.5虛擬現(xiàn)實技術(shù)可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)控培訓及考核

虛擬數(shù)控機床強大的網(wǎng)絡(luò)功能，可實現(xiàn)遠程教育培訓，它不僅在局域網(wǎng)上具有雙向互動的教學功能，還具有基于互聯(lián)網(wǎng)進行雙向互動的遠程教學功能，數(shù)據(jù)傳送可以采用衛(wèi)星、寬帶等方式進行。這使得數(shù)控培訓遠程教學名副其實，而且還可采用遠程網(wǎng)絡(luò)學習、作業(yè)、考試等功能，并實現(xiàn)答卷保存、自動評分、成績查詢和分析等功能，輕松實現(xiàn)無紙化的考核與測評。

6  虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育應(yīng)用中存在的問題及展望

可以預(yù)測，隨著經(jīng)濟和技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將日益廣泛地應(yīng)用于教育教學領(lǐng)域。但目前的虛擬現(xiàn)實技術(shù)還存在一定的問題，主要表現(xiàn)在：

6.1虛擬環(huán)境與真實生產(chǎn)的差異

學生在虛擬的環(huán)境中學習，與在真實的生產(chǎn)中訓練畢竟不同，因為如果僅考慮交互的真實性，那么無論如何身臨其境，真正動手操作機器的效果要強于任何媒體教學。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)不能完全代替具體真實的操作，它只能在一定程度上代替某些實驗，而不能完全代替實踐教學，尤其不能代替有創(chuàng)造性目的的試驗。

6.2虛擬現(xiàn)實的效果還有待加強

虛擬現(xiàn)實的表示側(cè)重于幾何表示，缺乏逼真的物理、行為模型，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在感知方面，視覺合成研究的較多，聽覺、觸覺關(guān)注較少，真實性與實時性不足，其虛擬的效果還需要進一步加強。

6.3硬件環(huán)境還有待提高

與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)的設(shè)備普遍存在使用不方便，效果不佳等情況，難以達到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所需的要求，如中心計算機的處理速度還不足于滿足在虛擬世界中巨大數(shù)據(jù)量處理實時性的需要，對數(shù)據(jù)存儲能力也不足，基于嗅覺、味覺的設(shè)備還沒有成熟及商品化。硬件設(shè)備品種有待進一步擴展。

6.4實現(xiàn)成本問題還有待降低

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)設(shè)備價格也比較昂貴，且這些設(shè)備局限性很大，需要進一步發(fā)展其結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)，使其輕巧化和降低成本，才能更有利于推廣應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新型的教學媒體，目前已引起教育界的極大關(guān)注。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實的硬件與軟件成本的逐漸降低，這種新的教學媒體必將廣泛應(yīng)用于教育教學中，最終在現(xiàn)代教育領(lǐng)域中發(fā)揮其重要作用。

參考文獻：

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