虛擬現(xiàn)實技術在產(chǎn)品實驗教學的應用

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摘要：目前，在高校產(chǎn)品設計實驗教學中，通過將實際產(chǎn)品工藝與設計實踐相結合的方式，加強學生對設計實踐的理解。實驗室因受到空間條件與技術條件的限制，從而影響到實驗教學效果，而虛擬現(xiàn)實作為目前較為熱門的新技術，在計算機軟件與智能硬件的結合下，可以實現(xiàn)一些在實際情況中較難模擬的場景，用戶通過虛擬現(xiàn)實技術手段可以進行多種體驗，這對開展產(chǎn)品實驗教學工作有著積極的作用。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；產(chǎn)品實驗教學；產(chǎn)品設計

1虛擬現(xiàn)實技術特征

虛擬現(xiàn)實技術利用計算機技術搭建虛擬環(huán)境，用來模擬現(xiàn)實，通過多傳感器裝置讓用戶能夠與虛擬環(huán)境形成自然交互，而虛擬環(huán)境則是通過計算機制作的帶有貼圖的高精度模型，同時結合用來和虛擬環(huán)境交互的硬件設備。用戶通過操控設備來實現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互，增強用戶的虛擬體驗，達到身臨其境的效果。要實現(xiàn)身臨其境的效果則需要滿足幾個特征。第一，要滿足的就是沉浸感，用戶通過佩戴VR眼鏡置身于虛擬環(huán)境中，環(huán)境真實感的強弱取決于VR環(huán)境的場景設計，場景中增添一些合理的動效能夠增強用戶的沉浸感，比如一些暗示的動效、操作指引等，或者一些可以進行交互的動態(tài)環(huán)境，比如通過粒子特效制作煙霧等，用戶可以通過觸感技術浮動煙霧等，通過特效增強用戶的喜悅感。第二，交互性操作是VR設備能夠被廣泛應用的關鍵，用戶通過計算機外設與環(huán)境相連，能夠?qū)μ摂M環(huán)境中的呈現(xiàn)物進行互動操作，為了實現(xiàn)對環(huán)境的真實模擬，VR虛擬現(xiàn)實需要結合多種傳感器來觸發(fā)虛擬環(huán)境的設計，比如聽覺，觸覺，甚至嗅覺等，增強用戶的真實體驗。第三，要滿足自主性，虛擬世界的物體可以根據(jù)用戶的需求進行變動，學生以客觀世界的實際操作來模擬在虛擬環(huán)境中的動態(tài)，在虛擬現(xiàn)實中激發(fā)人的創(chuàng)造性，使沉浸在環(huán)境中的學生提高感性與理性的認識。

2傳統(tǒng)實驗教學與虛擬現(xiàn)實技術應用教學的比較

2.1傳統(tǒng)實驗教學的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)產(chǎn)品實驗教學能從多方面提高學生對產(chǎn)品設計的認識，在設計實踐方面，能夠讓學生直接體驗到產(chǎn)品設計的一些制作環(huán)節(jié)，讓學生在認識材料工藝制作加工方面更加直觀，分組實驗能很好地增強團隊精神，尤其是進行試驗性測試與實際制作更能激發(fā)學生的探究精神，發(fā)揮他們的創(chuàng)意；在實踐教學方面，實驗室手工師傅能夠輔導學生如何使用各類工具，有操作不當?shù)牡胤绞止煾的軌蚣皶r地指出并糾正，打下扎實的基礎。傳統(tǒng)產(chǎn)品實驗教學也有一些弊端，由于產(chǎn)品設計是一門實踐性較強的學科，且產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度快，通過文檔視頻學習到的知識比較淺，還需實踐才能更好理解。但學校很難滿足因產(chǎn)業(yè)不斷升級需購置相關教學設備的要求，同時增加設備需定期保養(yǎng)維護，成本較高。由于學校場地有限，一些實驗需要較大場地，比如一些大型模具制作設備演示、機器噴涂等工藝，不能直接讓學生進行操作學習，只能通過參觀工廠實地觀摩等方式進行學習。對于機器的操作需要有豐富的經(jīng)驗，學生初次實踐難免會出現(xiàn)一些錯誤操作，有可能對學生造成危險，對設備也會有損傷。實習工位與指導老師的配比低，由于學校設備數(shù)量有限，實訓工位與實訓師傅數(shù)量不足一直是普遍存在的問題，大部分都是分組先后操作進行學習，間斷性學習導致對知識的掌握不牢。

2.2虛擬現(xiàn)實在產(chǎn)品實驗教學中的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實的技術特性能在很大程度上彌補傳統(tǒng)實驗教學的不足，產(chǎn)品實驗室所需的一些教學大型展示設備，可以通過計算機創(chuàng)建一個虛擬的環(huán)境，在其中對實驗的技術進行反復操練。在高校產(chǎn)品實驗教學中引入虛擬現(xiàn)實技術具有以下優(yōu)點：安全性高。產(chǎn)品設計實驗教學是一門需要動手實踐的課程，部分操作具有一定的危險性，比如金工實習的車、銑、磨、刨以及數(shù)控這些，如果操作不當易引發(fā)危險，虛擬仿真可以讓學生在實操前進行虛擬練習，同時在系統(tǒng)中設置考核機制，考核通過才可實操，這樣實驗的安全規(guī)范從理論到實踐多了一個緩沖環(huán)節(jié)，可以大大減少實驗的誤操作。豐富教學手段。在傳統(tǒng)的產(chǎn)品實驗教學中，基礎知識的學習較枯燥，導致學生積極性不高，而理論的不扎實對后續(xù)大型機臺的實操造成安全隱患。雖然部分設備在實驗教學中很少對學生開放，但虛擬仿真讓實驗教學的交互性更加豐富，比如實驗教師可以通過虛擬設備教授學生如何操作機器，學生可以放心上機，可以通過虛擬仿真技術深入了解機器的運作原理，可放大實際產(chǎn)品內(nèi)部，進入產(chǎn)品內(nèi)部空間觀測產(chǎn)品結構，虛擬現(xiàn)實可以通過觸感感應裝置模擬五感，這種真實感也讓學生對實驗印象深刻。實驗管理更高效。部分產(chǎn)品設計實驗室的設備數(shù)量多、更新慢，利用虛擬現(xiàn)實環(huán)境可以通過及時更新數(shù)據(jù)來展示學習的設備，比如各類產(chǎn)品模型樣機展示、新材料的加工與制造等。通過虛擬仿真減少實驗設備管理與維護工作，有效地安排實驗任務，讓實驗管理更便捷。

3影響虛擬現(xiàn)實在產(chǎn)品實驗教學中的因素

3.1虛擬現(xiàn)實設備目前價格昂貴

高校要想構建一個高品質(zhì)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，就需要購買一批高分辨率的頭戴式顯示器、空間定位器、數(shù)據(jù)手套等設備。同時，還需要高性能的計算機以及相應的軟件。目前，在高校普及還有一定的難度，且智能硬件更新速度快，高校的實驗建設更新速度也很難和市場同步，這也會導致軟件內(nèi)容無法及時得到更新。

3.2實驗內(nèi)容不完善

虛擬仿真主要是內(nèi)容的呈現(xiàn)，VR虛擬仿真目前還沒有針對高校產(chǎn)品實驗室來專門構建一套完整的課程數(shù)據(jù)體系，因此，想要將實驗內(nèi)容在VR虛擬現(xiàn)實中進行展現(xiàn)教學目前還比較困難，其中VR虛擬現(xiàn)實的場景與模型制作，需要根據(jù)產(chǎn)品實驗教學所涉及的內(nèi)容構建相應的三維數(shù)據(jù)，這是一個較為龐大的工程，需要專門針對高校產(chǎn)品設計專業(yè)實驗課程開始進行VR環(huán)境開發(fā)，同時需要大量的數(shù)據(jù)模型來滿足教學需求，對于VR模型制作可以根據(jù)高校各自的需求開設相關的VR制作課程，自行開發(fā)所需的模型。

3.3虛擬現(xiàn)實設備維護與管理

實驗室構建虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，需要較多的硬件支持，這也要求實驗教師系統(tǒng)掌握虛擬仿真使用與維護的知識，由于不同人的體質(zhì)適應能力不同，虛擬現(xiàn)實的沉浸式體驗會有讓人產(chǎn)生眩暈等情況，針對這類情況要有完整的安全措施。在實驗記錄與實驗考核方面也需要根據(jù)VR虛擬現(xiàn)實的特性進行相應的調(diào)整，以往我們的實驗記錄均是紙質(zhì)版填寫，而VR虛擬仿真部分內(nèi)容是在虛擬環(huán)境中完成的，因此，可以設置一套電腦管理系統(tǒng)，進行實驗的記錄管理與考核。

4虛擬現(xiàn)實技術在產(chǎn)品實驗教學中的應用

利用虛擬現(xiàn)實技術進行產(chǎn)品實驗教學，可以加強學生的理論學習，對新事物理解更加透徹，鍛煉學生的操作能力，了解產(chǎn)品的結構、原理、性能、工藝、材料等多個方面。在實驗課中使用比較多的是模型制作、五金實訓實習、產(chǎn)品結構原理、材料與制造這一類的實驗課程環(huán)節(jié)。

4.1模型制作實驗

模型制作主要是讓學生了解產(chǎn)品的形態(tài)，以及產(chǎn)品樣機的制作手段有哪些，熟悉各類手板制作工序，了解不同材料特性，根據(jù)不同的產(chǎn)品需求來制作產(chǎn)品模型，比如cnc機床加工制作、木材彎曲制作、玻璃鋼翻模等。虛擬仿真可以讓學生在學習如何制作之前，在虛擬環(huán)境中操作使用不同的材料進行不同的模型制作加工，熟悉模型從制作到成型的過程，由于實驗課程的時間受限，不能將所有的模型制作方式都實驗制作一遍，因此，虛擬仿真是一個不錯的選擇，既可以讓學生加強理論學習，又可以彌補課程中實踐的不足。

4.2五金實訓虛擬實驗

五金實訓課程是產(chǎn)品設計實驗課中的重要環(huán)節(jié)，需要學習車工、銑工、線切割、數(shù)控等各類實踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容，是一門綜合性強的理論應用型課程，虛擬仿真可以加強學生對于理論的應用能力，虛擬仿真不僅可以交互性地進行操作，而且可以從多個角度展示機器的工作原理，了解設備如何運行，交互特性讓學生能更有興趣參與實踐，為學生進行實地實操打下堅實的基礎。

4.3產(chǎn)品結構原理實驗

產(chǎn)品結構原理是讓學生對各類產(chǎn)品的結構進行了解，熟悉各類新工藝新材料，包括一些設計工程知識。虛擬仿真技術則可讓學生對產(chǎn)品結構的了解更透徹，比如可以提供扳手、鉗子等各類拆裝工具，下載大量的仿真模型進行拆裝。實驗教師可以在虛擬環(huán)境中對學生進行講解，尤其是體量較大的產(chǎn)品，比如汽車總成拆裝與零部件拆裝，虛擬仿真可以更高效安全地進行實驗教學。在工藝與制造方面，虛擬仿真可以以更加生動的方式展現(xiàn)制造工藝的特點，比如注塑機如何工作，模具如何運動等。

4.4校企合作實踐教學

校企合作實踐教學是為企業(yè)提供人才的最佳方案，以往的校企合作很多不能很好地進行人才產(chǎn)出，在校企合作項目上很難產(chǎn)生商業(yè)價值，一個很重要的原因是企業(yè)與學校的對接不流暢，企業(yè)給出的項目課題有一定的技術難度，這個時候需要企業(yè)項目負責人與教師經(jīng)常指導學校工作室學生，同時也需要一個即時性溝通的工具，而虛擬現(xiàn)實技術可以在一定程度上讓設計溝通更加便利，在協(xié)同虛擬環(huán)境下進行合作研究、遠程實驗等，比如在虛擬空間中展示設計方案，互相探討，提出意見，及時修改，確保項目的時效性，以及能讓項目產(chǎn)生商業(yè)價值，校企合作也能更加緊密。

5結語

虛擬現(xiàn)實技術雖然在應用方面有很好的前景，并且在不少領域也得到了很好的認可，但是產(chǎn)品設計實驗教學這一塊還是空白區(qū)域，期望能結合不同專業(yè)領域為產(chǎn)品設計實驗教學提供一套完整的VR虛擬仿真方案，利用多媒體、虛擬現(xiàn)實構建仿真實驗室，以更生動、更安全的方式激發(fā)學生積極性，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維。

參考文獻：

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［2］王佳.基于虛擬現(xiàn)實技術VR-Platform平臺的產(chǎn)品展示研究［D］.太原理工大學，2013.

［3］陸榮鈞.金工實習教學改革的研究與實踐［J］.職業(yè)教育研究，2006.

作者：黃楚峰 章文 單位：廣東第二師范學院