虚拟现实技术在产品实验教学中的应用研究
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作者:黄楚峰 章文
摘 要：目前，在高校产品设计实验教学中，通过将实际产品工艺与设计实践相结合的方式，加强学生对设计实践的理解。实验室因受到空间条件与技术条件的限制，从而影响到实验教学效果，而虚拟现实作为目前较为热门的新技术，在计算机软件与智能硬件的结合下，可以实现一些在实际情况中较难模拟的场景，用户通过虚拟现實技术手段可以进行多种体验，这对开展产品实验教学工作有着积极的作用。
关键词：虚拟现实;产品实验教学;产品设计
传统的产品设计实验教学因手段落后、授课方式单一，不能很好地激发学生的主观能动性，基本是以师徒制的方式教授车、铣、刨、磨等基本技能。而在实验教学环节中引入虚拟现实技术，将拥有更丰富多样的教学方式，能够让学生在虚拟的环境中体验到产品设计的整个过程，比如产品的装配、加工、工艺等，以及发现问题时应该如何避免、如何解决。同时，可以快速地切换教学场景，这种新的教学体验不仅能激发学习的积极性，还能提高学习效率。本文对虚拟现实技术在产品实验教学中的应用进行了探讨，为产品设计实验教学提供新思路。
1 虚拟现实技术特征
虚拟现实技术利用计算机技术搭建虚拟环境，用来模拟现实，通过多传感器装置让用户能够与虚拟环境形成自然交互，而虚拟环境则是通过计算机制作的带有贴图的高精度模型，同时结合用来和虚拟环境交互的硬件设备。用户通过操控设备来实现与虚拟环境的交互，增强用户的虚拟体验，达到身临其境的效果。
要实现身临其境的效果则需要满足几个特征。
第一，要满足的就是沉浸感，用户通过佩戴VR眼镜置身于虚拟环境中，环境真实感的强弱取决于VR环境的场景设计，场景中增添一些合理的动效能够增强用户的沉浸感，比如一些暗示的动效、操作指引等，或者一些可以进行交互的动态环境，比如通过粒子特效制作烟雾等，用户可以通过触感技术浮动烟雾等，通过特效增强用户的喜悦感。
第二，交互性操作是VR设备能够被广泛应用的关键，用户通过计算机外设与环境相连，能够对虚拟环境中的呈现物进行互动操作，为了实现对环境的真实模拟，VR虚拟现实需要结合多种传感器来触发虚拟环境的设计，比如听觉，触觉，甚至嗅觉等，增强用户的真实体验。
第三，要满足自主性，虚拟世界的物体可以根据用户的需求进行变动，学生以客观世界的实际操作来模拟在虚拟环境中的动态，在虚拟现实中激发人的创造性，使沉浸在环境中的学生提高感性与理性的认识。
2 传统实验教学与虚拟现实技术应用教学的比较
2.1 传统实验教学的现状
传统产品实验教学能从多方面提高学生对产品设计的认识，在设计实践方面，能够让学生直接体验到产品设计的一些制作环节，让学生在认识材料工艺制作加工方面更加直观，分组实验能很好地增强团队精神，尤其是进行试验性测试与实际制作更能激发学生的探究精神，发挥他们的创意;在实践教学方面，实验室手工师傅能够辅导学生如何使用各类工具，有操作不当的地方手工师傅能够及时地指出并纠正，打下扎实的基础。
传统产品实验教学也有一些弊端，由于产品设计是一门实践性较强的学科，且产业发展速度快，通过文档视频学习到的知识比较浅，还需实践才能更好理解。但学校很难满足因产业不断升级需购置相关教学设备的要求，同时增加设备需定期保养维护，成本较高。由于学校场地有限，一些实验需要较大场地，比如一些大型模具制作设备演示、机器喷涂等工艺，不能直接让学生进行操作学习，只能通过参观工厂实地观摩等方式进行学习。对于机器的操作需要有丰富的经验，学生初次实践难免会出现一些错误操作，有可能对学生造成危险，对设备也会有损伤。实习工位与指导老师的配比低，由于学校设备数量有限，实训工位与实训师傅数量不足一直是普遍存在的问题，大部分都是分组先后操作进行学习，间断性学习导致对知识的掌握不牢。
2.2 虚拟现实在产品实验教学中的优势
虚拟现实的技术特性能在很大程度上弥补传统实验教学的不足，产品实验室所需的一些教学大型展示设备，可以通过计算机创建一个虚拟的环境，在其中对实验的技术进行反复操练。在高校产品实验教学中引入虚拟现实技术具有以下优点：
安全性高。产品设计实验教学是一门需要动手实践的课程，部分操作具有一定的危险性，比如金工实习的车、铣、磨、刨以及数控这些，如果操作不当易引发危险，虚拟仿真可以让学生在实操前进行虚拟练习，同时在系统中设置考核机制，考核通过才可实操，这样实验的安全规范从理论到实践多了一个缓冲环节，可以大大减少实验的误操作。
丰富教学手段。在传统的产品实验教学中，基础知识的学习较枯燥，导致学生积极性不高，而理论的不扎实对后续大型机台的实操造成安全隐患。虽然部分设备在实验教学中很少对学生开放，但虚拟仿真让实验教学的交互性更加丰富，比如实验教师可以通过虚拟设备教授学生如何操作机器，学生可以放心上机，可以通过虚拟仿真技术深入了解机器的运作原理，可放大实际产品内部，进入产品内部空间观测产品结构，虚拟现实可以通过触感感应装置模拟五感，这种真实感也让学生对实验印象深刻。
实验管理更高效。部分产品设计实验室的设备数量多、更新慢，利用虚拟现实环境可以通过及时更新数据来展示学习的设备，比如各类产品模型样机展示、新材料的加工与制造等。通过虚拟仿真减少实验设备管理与维护工作，有效地安排实验任务，让实验管理更便捷。
3 影响虚拟现实在产品实验教学中的因素
3.1 虚拟现实设备目前价格昂贵
高校要想构建一个高品质的虚拟现实系统，就需要购买一批高分辨率的头戴式显示器、空间定位器、数据手套等设备。同时，还需要高性能的计算机以及相应的软件。目前，在高校普及还有一定的难度，且智能硬件更新速度快，高校的实验建设更新速度也很难和市场同步，这也会导致软件内容无法及时得到更新。
3.2 实验内容不完善 虚拟仿真主要是内容的呈现，VR虚拟仿真目前还没有针对高校产品实验室来专门构建一套完整的课程数据体系，因此，想要将实验内容在VR虚拟现实中进行展现教学目前还比较困难，其中VR虚拟现实的场景与模型制作，需要根据产品实验教学所涉及的內容构建相应的三维数据，这是一个较为庞大的工程，需要专门针对高校产品设计专业实验课程开始进行VR环境开发，同时需要大量的数据模型来满足教学需求，对于VR模型制作可以根据高校各自的需求开设相关的VR制作课程，自行开发所需的模型。
3.3 虚拟现实设备维护与管理
实验室构建虚拟现实仿真系统，需要较多的硬件支持，这也要求实验教师系统掌握虚拟仿真使用与维护的知识，由于不同人的体质适应能力不同，虚拟现实的沉浸式体验会有让人产生眩晕等情况，针对这类情况要有完整的安全措施。在实验记录与实验考核方面也需要根据VR虚拟现实的特性进行相应的调整，以往我们的实验记录均是纸质版填写，而VR虚拟仿真部分内容是在虚拟环境中完成的，因此，可以设置一套电脑管理系统，进行实验的记录管理与考核。
4 虚拟现实技术在产品实验教学中的应用
利用虚拟现实技术进行产品实验教学，可以加强学生的理论学习，对新事物理解更加透彻，锻炼学生的操作能力，了解产品的结构、原理、性能、工艺、材料等多个方面。在实验课中使用比较多的是模型制作、五金实训实习、产品结构原理、材料与制造这一类的实验课程环节。
4.1 模型制作实验
模型制作主要是让学生了解产品的形态，以及产品样机的制作手段有哪些，熟悉各类手板制作工序，了解不同材料特性，根据不同的产品需求来制作产品模型，比如cnc机床加工制作、木材弯曲制作、玻璃钢翻模等。虚拟仿真可以让学生在学习如何制作之前，在虚拟环境中操作使用不同的材料进行不同的模型制作加工，熟悉模型从制作到成型的过程，由于实验课程的时间受限，不能将所有的模型制作方式都实验制作一遍，因此，虚拟仿真是一个不错的选择，既可以让学生加强理论学习，又可以弥补课程中实践的不足。
4.2 五金实训虚拟实验
五金实训课程是产品设计实验课中的重要环节，需要学习车工、铣工、线切割、数控等各类实践环节的内容，是一门综合性强的理论应用型课程，虚拟仿真可以加强学生对于理论的应用能力，虚拟仿真不仅可以交互性地进行操作，而且可以从多个角度展示机器的工作原理，了解设备如何运行，交互特性让学生能更有兴趣参与实践，为学生进行实地实操打下坚实的基础。
4.3 产品结构原理实验
产品结构原理是让学生对各类产品的结构进行了解，熟悉各类新工艺新材料，包括一些设计工程知识。虚拟仿真技术则可让学生对产品结构的了解更透彻，比如可以提供扳手、钳子等各类拆装工具，下载大量的仿真模型进行拆装。实验教师可以在虚拟环境中对学生进行讲解，尤其是体量较大的产品，比如汽车总成拆装与零部件拆装，虚拟仿真可以更高效安全地进行实验教学。在工艺与制造方面，虚拟仿真可以以更加生动的方式展现制造工艺的特点，比如注塑机如何工作，模具如何运动等。
4.4 校企合作实践教学
校企合作实践教学是为企业提供人才的最佳方案，以往的校企合作很多不能很好地进行人才产出，在校企合作项目上很难产生商业价值，一个很重要的原因是企业与学校的对接不流畅，企业给出的项目课题有一定的技术难度，这个时候需要企业项目负责人与教师经常指导学校工作室学生，同时也需要一个即时性沟通的工具，而虚拟现实技术可以在一定程度上让设计沟通更加便利，在协同虚拟环境下进行合作研究、远程实验等，比如在虚拟空间中展示设计方案，互相探讨，提出意见，及时修改，确保项目的时效性，以及能让项目产生商业价值，校企合作也能更加紧密。
5 结语
虚拟现实技术虽然在应用方面有很好的前景，并且在不少领域也得到了很好的认可，但是产品设计实验教学这一块还是空白区域，期望能结合不同专业领域为产品设计实验教学提供一套完整的VR虚拟仿真方案，利用多媒体、虚拟现实构建仿真实验室，以更生动、更安全的方式激发学生积极性，培养创造性思维。
参考文献：
[1] 胡小强.虚拟现实技术[M].北京邮电大学出版社，2005.
[2] 王佳.基于虚拟现实技术VR-Platform平台的产品展示研究[D].太原理工大学，2013.
[3] 陆荣钧.金工实习教学改革的研究与实践[J].职业教育研究，2006.
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