對于虛擬現(xiàn)實技術在數(shù)控技術教學中的應用分析

前 言

隨著科學技術的迅猛發(fā)展，新的教學手段不斷涌現(xiàn)，繼多媒體技術之后，教學技術領域又出現(xiàn)一種新型教學媒體，它就是虛擬現(xiàn)實技術。虛擬現(xiàn)實技術是近幾年來國內(nèi)外科技界關注的一個熱點，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)實技術已廣泛應用于航空航天、醫(yī)學實習、軍事訓練、建筑設計、教育培訓等眾多領域。以計算機仿真和數(shù)控加工技術為基礎，利用計算機來模仿真實的數(shù)控設備工作環(huán)境，形成了虛擬數(shù)控技術，如將其應用于數(shù)控技術教學上，必將對整個教學產(chǎn)生深遠的影響。

1  虛擬現(xiàn)實技術簡述

虛擬現(xiàn)實技術，簡單地說，就是借助于計算機技術及硬件設備，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、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網(wǎng)絡并行處理等技術的最新發(fā)展成果，由計算機圖形構成三維數(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)構簡單、價格低廉，因此應用比較廣泛，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，將異地的不同用戶聯(lián)結(jié)起來，多個用戶通過網(wǎng)絡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)實的應用提升到了一個更高的境界。

3.  虛擬現(xiàn)實技術的基本特征

虛擬現(xiàn)實技術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)手套等傳感設備進行交互。

多感知性——是指除了一般計算機技術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。

構想性——是指虛擬現(xiàn)實技術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)實技術在教育教學中的實現(xiàn)意義

隨著計算機、信息、網(wǎng)絡等相關技術的發(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用，如果將虛擬現(xiàn)實技術作為一種新興的教學媒體應用到教育教學中，這種嶄新的技術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，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，可以在很短的時間內(nèi)呈現(xiàn)給學生觀察。虛擬制造技術還可以應用計算機、交互外設及軟件來構建一個虛擬的生產(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。基于網(wǎng)絡的虛擬現(xiàn)實技術為學習者提供了全新的學習場景，構造出開放性的教學環(huán)境。

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

通過虛擬現(xiàn)實、多媒體、網(wǎng)絡等技術的綜合應用，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)實技術可以對學生學習過程中所提出的各種假設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，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，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，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，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。應用虛擬現(xiàn)實技術，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，制作各種仿真課件，創(chuàng)設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備?？梢栽诠?jié)約大量昂貴的儀器設備費用的前提下，解決在教學中，因為實驗設備、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)實技術在數(shù)控技術教學中的應用

隨著我國經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，社會各行業(yè)對制造業(yè)提出了更高的要求，數(shù)控技術是現(xiàn)代機械制造業(yè)的核心技術，其技術的應用水平將直接影響產(chǎn)品的加工水平。在現(xiàn)今數(shù)控技術人才極度缺乏的情況下，如何將最新、最實用的數(shù)控技術高效地傳授給數(shù)控技術學習者，是數(shù)控技術教學要著重考慮的問題。由于數(shù)控技術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)控技術的教學效果和教學質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實技術可從以下幾方面應用在數(shù)控技術教學上。

5.1利用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)數(shù)控教學儀器、設備、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備的平面圖形，或在現(xiàn)場觀察實際的教學設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備，而且可觀察到設備內(nèi)部的結(jié)構，可輔助數(shù)控技術教學的學習過程，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，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，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)實技術及計算機技術的發(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)行等功能也一應俱全。學習者可身臨其境的操作各類數(shù)控加工設備，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)實技術可實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)控培訓及考核

虛擬數(shù)控機床強大的網(wǎng)絡功能，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)實技術在教育應用中存在的問題及展望

可以預測，隨著經(jīng)濟和技術的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術將日益廣泛地應用于教育教學領域。但目前的虛擬現(xiàn)實技術還存在一定的問題，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)實技術在感知方面，視覺合成研究的較多，聽覺、觸覺關注較少，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)實技術相關的設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、味覺的設備還沒有成熟及商品化。硬件設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)應用的相關設備價格也比較昂貴，且這些設備局限性很大，需要進一步發(fā)展其結(jié)構和制造技術，使其輕巧化和降低成本，才能更有利于推廣應用。

虛擬現(xiàn)實技術作為一種新型的教學媒體，目前已引起教育界的極大關注。隨著計算機技術的發(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用于教育教學中，最終在現(xiàn)代教育領域中發(fā)揮其重要作用。

參考文獻：

[1]胡小強．虛擬現(xiàn)實技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005．

[2]黃明吉．虛擬數(shù)控技術及應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005．