中国现代教育装备
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 教育科技  
基于VR技术的行星齿轮组结构拆装实训资源建设与应用
来源:《中国现代教育装备》杂志 时间:2021-11-22 14:10:56
  [导读]以先进科技手段为依托,不断创建和丰富新工科的建设内涵,基于VR技术创建机械类实验云教学平台,采用沉浸式认知实验教学课件制作方法,以机械类实践教学中的行星齿轮组(二级减速器)为例,利用宏达威爱科技学院虚拟现实制作中心的现有技术和设备,为机械设计课程涉及的实训教学内容—行星齿轮组的结构拆装实训过程开发相应的VR实验资源,突破常规实验教学在时间和空间上的限制,把减速器设计实验转化为具有数字化与虚拟化特征的VR实验。

  1 研究背景

  2018年3月15日,教育部办公厅发布《关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》,决定认定612个项目为首批“新工科”研究与实践项目,我国高校新工科建设工作进入了正式实施阶段。通知中明确指出:“要探索建立‘新工科’建设的新理念、新标准、新模式、新方法、新技术、新文化,实现从学科导向转向产业需求导向、从专业分割转向跨界交叉融合、从适应服务转向支撑引领。”为了实现上述建设目标,更好地发挥机械专业学生在实践教学环节学习专业知识的主观能动性,创新性地引入现代化的信息技术与手段,突破原有教学模式和方法中的诸多弊端,已迫在眉睫[1-4]。

  针对原有的机械类实验教学资源受制于机械设备和仪器自身条件的限制(尺寸大、高耗能、高耗材、维护费用高、对部分零件的加工精度要求较高),对场地和环境的要求较高,且更新换代的周期长、频率低(需要耗费大量资金),不能满足新工科形势下机械类专业人才培养方案中相关课程体系和实践教学环节的发展要求等突出问题,适应新时期机械类本科专业人才培养方案的改革需求,丰富相关实践教学环节的课程内容,优化实践课程的体系结构,将虚拟现实技术引入现代机械类实验教学资源建设与应用当中,将实验教学内容进行动态化、直观化展示,丰富和完善实践教学体系,创新实验教学模式,推动基于VR技术的机械类实验教学资源改革[5-9]。

  一是在实践教学体系与资源建设上,弥补多媒体课件直观性、形象性与交互性不足的缺陷;在实践教学手段上,针对抽象化、概括化的知识,除了用文字、语音、视频辅助教学以外,还将物体的内部构造、逻辑关系进行可视化模拟。

  二是在实践教学环境上,突破时间、空间、场地的限制,学生可通过身临其境的视、听、触觉感受与“虚拟实验空间”中的实物发生可自主控制的交互行为。

  三是本项目开发制作的VR实验资源还可用于教师的理论教学当中,进而在更大范围内开展虚拟现实体验教学,以实现所开发实验教学资源效能的最大化,创新全校本科实践环节的教学模式。

  VR(Virtual Reality)即虚拟现实,是由美国VPL公司创始人拉尼尔(Jaron Lanier)在20世纪80年代初提出的。VR是一种可创建和体验虚拟现实世界的仿真系统,它利用计算机硬件与软件模拟产生一个三维空间的虚拟环境,为用户提供关于视觉、触觉等感官的模拟,使其感觉仿佛身临其境,可以在三维空间中进行观察和互动操作。近几年是VR技术和产业高速发展时期,涌现了大量VR产品与应用,VR技术越来越成熟,应用领域不断扩展[5-6]。针对当前机械类专业实验教学存在的问题,本研究以新工科中新的教学改革理念为指导,基于云计算、VR技术,创新性地搭建机械实验装备(行星齿轮组)的虚拟现实系统。围绕我校新时期机械类本科人才培养方案中明确提出的“能够针对复杂机械工程问题,开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术,包括对复杂问题进行预测与模拟,并能够理解其局限性”的要求,以机械类实验教学资源的创新研发为对象,基于云计算与VR技术研究可构建和虚拟体验的机械实验装备(行星齿轮组)虚拟现实系统。该系统是一个大型的在线虚拟现实体验式实验课程资源系统,是集交互式实操体验、多媒体资源学习等多功能为一体的立体化数字课程环境。

  2 机械实验装备(行星齿轮组)虚拟现实系统

  3 行星齿轮组拆装实训的VR资源开发

  4 结语

  本项目基于云计算、VR技术和广西科技大学机械设计实验室原有的实验条件,利用宏达威爱科技学院虚拟现实制作中心的现有技术和设备,开发了机械设计中的典型实验案例—行星齿轮组的拆装与结构分析实训专用VR资源,突破了常规实验教学在时间和空间上的限制,利用VR技术生动形象地展示行星齿轮组的结构和工作原理。学生可以近距离观察行星齿轮组的结构、装配过程,以及在不同情况下行星齿轮组的运转状态。该VR资源可以帮助学生更好地理解机械设计类实验的相关知识,为后续学习奠定坚实的基础。

  参考文献

  [1] 教育部.教育部办公厅关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知[EB/OL].http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201803/t20180329_331767.html.

  [2] 教育部办公厅关于2017—2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[EB/OL].http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819.html.

  [3] 教育部.关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知[EB/OL].http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.

  [4] 刘娇娇,腾海鹏,胡军.“新工科”背景下“流体机械”实验教学方法改革初探[J].工业和信息化教育,2020(4):33-36.

  [5] 高霆,朱安庆,胡安超.基于VR技术的船体分段虚拟装焊教学研究[J].教育教学论坛,2019,39(7):188-191.

  [6] 吴群彪,方海峰,范纪华,等.基于VR/AR技术的机械课程教学方法探索[J].机械设计,2018,35(7):432-434.

  [7] 王辞晓,李贺,尚俊杰.基于虚拟现实和增强现实的教育游戏应用及发展前景[J].中国电化教育,2017(8):99-107.

  [8] 朱金达,张嘉钰,牛虎利,等.基于VR技术的机械设计虚拟仿真实验中心建设与探索[J].科技创新与生产力,2019,305(6):46-49.

  [9] 陈清奎,魏鑫鑫,何芹,等.基于“VR+云平台”的机械类专业实验教学模式改革与实践[J].实验技术与管理,2020,37(7):1-4.

丛佩超1 张欣1 尹辉俊1 吕云2 张云飞2

1.广西科技大学机械与交通工程学院 2.广西科技大学宏达威爱科技学院


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