虚拟现实技术在高职机械专业实验教学中的应用

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摘要：摘要：随着虚拟现实技术的发展，特别是作为虚拟现实元年的2016年以来，虚拟现实与增强现实技术凭借其沉浸性、交互性、多感知性持续火热，并逐渐渗透到很多行业领域。而作为培养应用型技术人才的高职院校，实验教学一直是人才培养中的关键环节，该文首先探讨

　　摘要：随着虚拟现实技术的发展，特别是作为“虚拟现实元年”的2016年以来，虚拟现实与增强现实技术凭借其沉浸性、交互性、多感知性持续火热，并逐渐渗透到很多行业领域。而作为培养应用型技术人才的高职院校，实验教学一直是人才培养中的关键环节，该文首先探讨了虚拟现实技术的基本特征，高职院校机械专业实验教学的主要特点，以及虚拟现实技术在其中应用的可行性及明显优势，同时也指出了存在的现实问题，最后针对这些问题给出了一些有效建议，并展望了高职院校虚拟实验教学的方向。

　　关键词：虚拟现实技术;高职院校;实验教学

　　虚拟现实技术是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术等的集合。是指借助计算机技术模拟一个实时动态的三维立体逼真环境，利用传感技术在该环境中拥有人所具有的视觉、听觉、触觉、力觉、运动等感知能力，创造出一种崭新的人机交互状态。目前被广泛应用于游戏、旅游、医学、室内设计、房产开发等领域。

　　虚拟现实技术同样也被广泛应用于教育领域，国内很多高校都积极研究虚拟现实技术及其应用。早在2012年由华中科技大学、北京航空航天大学、上海交通大学、北京邮电大学、电大在线遠程教育技术有限公司联合开展的“十一五”国家科技支撑计划“虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范”项目成功获得教育部验收，其中机械类选择了《机械原理》《机械设计》《机械制造基础》《金属工艺学》《机械工程测试技术基础》《机械工程控制基础》《机电传动技术》等7门课程进行了教学实验改革和虚拟实验平台的搭建。为解决了虚拟实验环节中的一些共性的、基础性的技术难题，为真正意义上建立和推广虚拟实验系统做出了很大贡献。

　　国家教育部自2017年开始打造开放共享的虚拟仿真实验教学平台，计划建设1000个国家级虚拟仿真实验教学项目，并且要求项目被认定后在一定时间内面向高校和社会免费开放并提供教学服务。给虚拟实验教学上的应用指明了方向，促进了虚拟现实技术服务于实践教学，让网上做实验和虚拟做真实验，成为现实。随着这些虚拟仿真实验教学项目的不断实现和推广，必将对我国高等教育质量的提高产生较大的影响，进一步解决实验教学、实践教学、实训教学的一些难题，弥补我国大学生动手能力不足的问题。

　　1 虚拟现实技术的主要特性

　　1.1 沉浸感

　　虚拟现实是通过计算机技术创造一种人为的虚拟环境，当用户进入这一虚拟环境中特别是与虚拟环境有互动交流时，会不自觉的感觉自己就是虚拟世界中的当事者，会产生一种空间临场感，比如VR游戏体验中，玩家会将自己当作游戏中的角色，完全的沉浸进去，会有种将虚拟体验当真的感觉。

　　1.2 交互性

　　交互性是用户在该虚拟环境下不是一味地被动感受，即用户除了被动地接受来自虚拟环境的信息外，还能通过自己的动作使虚拟环境做出改变。比如用虚拟现实技术模拟的减速器虚拟拆装实验中，用户可以通过鼠标或者其他VR设备进行减速器各个零部件的拆卸和安装。虚拟环境的减速器会在用户给定的操作指令下进行零部件位置的移动和变化。这种使用户由被动到主动的信息互动性就是交互性。

　　1.3 构想性

　　虚拟现实技术不仅仅可以模拟真实存在的环境，还可以根据想象构造出客观不存在的甚至是不可能发生的环境，即可以启发人的创造性思维，使用户深化概念和萌发新的联想。

　　2 高职机械类实验实训课程的教学现状

　　高职院校一直以高端技术技能型人才为培养目标，通过系列化的实验实训课程教学，培养起学生过硬的实践技能以及相应的岗位适应能力。高等职业院校机械类专业教学尤其应注重培养学生熟练的操作技能，使学生在学校学习阶段就能够接触甚至学会工作中需要具备的各种能力，因此对于高职机械类实验实训课程进行分析很有必要。

　　2.1 实验实训课程与理论课程相比，仍属于从属地位，重视程度不够，体系也不够完善

　　对于很多学生甚至教师来说，课堂理论知识教育才是正规的教育教学模式，是知识的主要获取渠道，而实验实训课题只是理论知识的补充和实践，是配套工程，首先就在心理上重视不够。在学校方面，对于理论教学往往都有明确的考核指标和奖励办法，而对于实验实训课程，则缺少相应的规定文件。不利于老师们进行实验实训课程的探索。另外实验实训教学体系并不完善，体现在对于高职院校教学评价中，实验实训课程的考察仅仅占30%左右。

　　2.2 实验实训课程所需要的软、硬件设施不够完善

　　对于机械类专业实验实训课程来说，正常的开展实践教学活动往往需要完善的软、硬件设备。但是由于高职院校的大量扩招和教育投入经费的减少，使正常教学需要的实验实训教学设施非常紧张。虽然知道自己需要所需的实验设备对于学生的培养具有重要作用，但是高昂的软硬件成本使很多高校心有余而力不足，只能用理论课替代或者用视频展示。

　　3 虚拟现实技术在高职机械类实验教学中的应用探讨

　　3.1 新的教学模式可以激发学习热情，打破时空限制

　　机械类专业课程如“机械原理”“机械设计”“机械制造技术”等都是具有较强的理论性和实践性，仅仅依靠理论课程的讲解难以激发学生的兴趣，与传统的机械理论教学相比，虚拟现实技术的加入可以增强机械类课程实验教学的生动性，给学习者带来放松、感兴趣等积极情绪，进而激发学习热情。比如齿轮失效的实验中，失效形式有齿面点蚀、齿面磨损、齿面折断、齿面胶合、塑性变形等5种形式，仅依靠文字讲述，对于学习者来说会比较枯燥，如果理解不够彻底，概念容易混淆，而用虚拟现实技术构建这五种失效场景，模拟齿轮从正常状态由于某种原因逐渐形成这五种失效形式。会给学生一个更加直观的学习感受，激发学习兴趣，加深理解记忆。用虚拟现实技术搭建机械类实验平台，模拟真实的教学和训练环境，使教学不仅仅局限于室内课堂的教学中，而是能够随时随地且能重复的进行参与。而且在实验平台搭建所需要的素材能够免费、实时的共享，避免资源的浪费，提高教学效率。

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