对于虚拟现实技术在数控技术教学中的应用分析

摘要：介绍了虚拟现实技术的概念、基本特征与类型，并从虚拟现实技术的特点和应用出发，论述虚拟现实技术在教育领域，尤其是在数控技术教学中的应用，从而丰富了数控技术教学与培训的方法和手段，提高了数控技术教学的效果和质量。
关键词：虚拟现实技术；数控技术；教育教学

前 言
随着科学技术的迅猛发展，新的教学手段不断涌现，继多媒体技术之后，教学技术领域又出现一种新型教学媒体，它就是虚拟现实技术。虚拟现实技术是近几年来国内外科技界关注的一个热点，它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域，为各类工程的大规模数据可视化提供了新的描述方法。
目前，虚拟现实技术已广泛应用于航空航天、医学实习、军事训练、建筑设计、教育培训等众多领域。以计算机仿真和数控加工技术为基础，利用计算机来模仿真实的数控设备工作环境，形成了虚拟数控技术，如将其应用于数控技术教学上，必将对整个教学产生深远的影响。
1 虚拟现实技术简述
虚拟现实技术，简单地说，就是借助于计算机技术及硬件设备，实现一种人们可以通过视、听、触、嗅等手段所感受到的虚拟幻境。虚拟现实作为一项尖端科技，它集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果，由计算机图形构成三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，提供给人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式。虚拟现实的最大特点是用户可以用自然方式与虚拟环境进行交互操作，改变了过去人类除了亲身经历，就只能间接了解环境的模式，从而有效地扩展了人们的认知手段和领域。
2 虚拟现实系统的基本类型
根据用户参与虚拟现实的不同形式，可把虚拟现实系统划分成四类：
3.1桌面式虚拟现实系统
桌面式虚拟现实系统也称为简易型虚拟现实系统，它是利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口，使用者通过键盘、鼠标便可与虚拟环境进行交互。这种系统的特点是结构简单、价格低廉，因此应用比较广泛，是一套经济实用的系统。但桌面式虚拟现实系统会受到周围现实环境的干扰，参与者缺少完全的沉浸，缺乏真实的现实体验。
3.2沉浸式虚拟现实系统
沉浸式虚拟现实系统是一种高级的虚拟现实系统，它提供一个完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。沉浸式虚拟系统是一套比较复杂的系统，它的优点是用户全身心地沉浸到虚拟世界中去，缺点是系统设备价格昂贵，难以普及推广。
3.3增强式虚拟现实系统
增强式虚拟现实系统是把真实环境和虚拟环境组合在一起的一种系统，它既允许用户看到真实世界，同时也可以看到叠加在真实世界的虚拟对象，这种系统既可减少对构成复杂真实环境的计算，又可对实际物体进行操作，真正达到亦真亦幻的境界。
3.4分布式虚拟现实系统
分布式虚拟现实系统是利用远程网络，将异地的不同用户联结起来，多个用户通过网络同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的，从而将虚拟现实的应用提升到了一个更高的境界。
3. 虚拟现实技术的基本特征
虚拟现实技术具有以下四个基本特征:
沉浸性——指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。虚拟现实技术是根据人类的视觉，听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像，使用者戴上头盔显示器和数据手套等交互设备，便可将自己置身于虚拟环境中，使用者与虚拟环境中的各种对象的相互作用，就如同在现实世界中的一样。
交互性——指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘，鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔，数据手套等传感设备进行交互。
多感知性——是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。由于虚拟现实系统中装有视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉等多种感知，从而达到身临其境的感。
构想性——是指虚拟现实技术具有广阔的可想像空间，可拓宽人类的认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境，它不仅可实现实物虚化，还可实现虚物实化等处理。
4 虚拟现实技术在教育教学中的实现意义
随着计算机、信息、网络等相关技术的发展，计算机作为一种高效能的信息传播工具，在教育教学过程中得到越来越广泛的应用，如果将虚拟现实技术作为一种新兴的教学媒体应用到教育教学中，这种崭新的技术会带给我们崭新的教育思维，解决我们以前无法解决的问题。
4.1虚拟现实技术开创了全新的学习场景——彻底打破空间、时间的限制
利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间的限制，学生可以进入物体的内部进行观察，如学生可以进入虚拟的分子、原子、航天工作站等内部，考察物体内部的工作情况。虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。虚拟制造技术还可以应用计算机、交互外设及软件来构建一个虚拟的生产环境，使学生能如同在制造现场一样，与荧屏上出现的制造过程进行自由交流。基于网络的虚拟现实技术为学习者提供了全新的学习场景，构造出开放性的教学环境。
4.2虚拟现实技术提供了崭新的教学手段——构建实物虚化、虚物实化的方法
通过虚拟现实、多媒体、网络等技术的综合应用，可在课堂和实验室中展现在传统的教学模式中无法实现的教学过程。虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟和虚物实化，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。虚拟现实系统可以进行实物虚化，虚拟各种人物，创建虚拟课堂，在虚拟的课堂气氛中，学生可以与虚拟的教师、学生一起交流讨论，开展启发式教学。运用虚拟现实技术，还可以使学生通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互，由视、听、触、觉获取外界的反应，通过学生自我组织，制定并执行学习计划，进行自我评价，开展适应式学习。还可通过小组或团队的形式，组织学生进行学习，成员间共享成果，开展协作式教学。
4.3虚拟现实技术变革了传统学习方式——营造开放性的网上探索学习
运用虚拟现实技术，突破传统教科书的限制，使每一位学习者都可以根据自己的学习特点，在自己方便的时间从互联网上自由地选择适合的学习资源，按照适合于自己的方式和速度进行学习，这种探索性的学习，有利于激发学生的创造性思维，使学习者在具体情境中通过主动的探索获得知识，从而提高学习者的动力。
4.4虚拟现实技术丰富了课堂教学内容——展示全方位、多角度的教学内容
利用虚拟现实技术，可丰富教学内容，将实验、实训等技能训练搬到课堂中进行，由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以反复练习，直至掌握操作技能为止。应用虚拟现实技术，还可恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、不宜直接观察的自然过程和现象，全方位、多角度地展示教学内容。利用计算机多媒体技术，制作各种仿真课件，创设所需要的某种虚拟情景，让学生进行模拟实验，从而极大丰富课堂的教学内容。

4.5虚拟现实技术节约了有限的教育成本——开展虚拟实验、进行虚拟生产
虚拟各种实验设备、实训环境和操作过程，使大多数课程可以在虚拟实验室中进行，大多数的技能可以在虚拟实训车间中进行训练，从而不必购置昂贵的实验实训设备。可以在节约大量昂贵的仪器设备费用的前提下，解决在教学中，因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因而无法进行的教学实验，虚拟训练又可避免实验实训设备的损坏、训练材料的消耗等问题，从而有效节约教育成本。
5 虚拟现实技术在数控技术教学中的应用
随着我国经济建设的飞速发展，社会各行业对制造业提出了更高的要求，数控技术是现代机械制造业的核心技术，其技术的应用水平将直接影响产品的加工水平。在现今数控技术人才极度缺乏的情况下，如何将最新、最实用的数控技术高效地传授给数控技术学习者，是数控技术教学要着重考虑的问题。由于数控技术教学和培训都离不开数控机床，而数控机床本身价格比较昂贵，限制了学校的购买能力，若采用计算机建模和仿真技术来模拟实际的数控加工环境，同样可以让学生尽快熟悉数控机床的加工环境与真实的加工过程，从而提高数控技术的教学效果和教学质量。虚拟现实技术可从以下几方面应用在数控技术教学上。
5.1利用虚拟现实技术实现数控教学仪器、设备、加工产品的立体展示
在传统教学中，学生只有通过在书本上察看各种教学仪器设备的平面图形，或在现场观察实际的教学设备外形来获得各种感性认识。平面的图形限制了学生的空间想象能力，实际现场教学又增加了学校的投入。采用使用虚拟现实，我们可以构建一个与实物同样的三维物体，如采用pro/e建模，将各种教学仪器、设备和产品进行实物虚化，将这些物体以立体形式存放在虚拟教室中，我们只要进入这个虚拟空间，就可随时随地地认识这些仪器设备，而且可观察到设备内部的结构，可辅助数控技术教学的学习过程，增强理解能力，提高学习效果。　
5.2利用虚拟现实技术进行模拟实验和仿真教学
在教学中，许多昂贵的实验、培训器材，由于受价格的限制而无法普及或有许多实验是根本不可能做的，如果利用虚拟现实技术，建立虚拟实验室，学习者便可以走进这个虚拟实验室，身临其境般的操作虚拟仪器，如进行各种虚拟的数控系统的连接与组装。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果。虚拟实验室的另一优点还在于其绝对的安全性，不会因操作失误而造成人身事故。
另外，我们还可利用虚拟仿真技术，制作虚拟仿真软件，在多媒体计算机上进行数控机床操作面板的认识操作训练，进行模拟编程训练并产生加工结果的仿真，可有效地解决教育机构实验条件与实验需求，实验效果之间的矛盾。
5.3利用虚拟现实技术实现的数控加工仿真教学系统
随着虚拟现实技术及计算机技术的发展，出现了可以模拟实际数控机床加工环境及其工作状态的计算机仿真加工系统，这就是某一特定数控系统借助计算机软、硬件的功能，通过实验者的控制在计算机上演示，分析数控加工从零件设计图到动态切削演示的实现的全过程。仿真机床操作的整个过程包括：毛坯定义、工件装夹、压板安装、基准对刀、安装刀具、机床手动操作等内容。 虚拟数控加工仿真教学系统完全模拟真实零件的加工过程，可以检验各种数控指令是否正确，能提供与真实机床完全相同的操作面板，其调试、编辑、修改和跟踪执行等功能也一应俱全。学习者可身临其境的操作各类数控加工设备，能有充分的机会去练习数控加工中的常用操作，如基本运行方式的选择操作、对刀操作、补偿量的确定及输入输出操作和程序的编辑修改操作等。解决了初学数控技术者需要的大量操作练习，提高了机床操作训练的时间。把数控加工仿真教学系统引入到教学之中，这样既可以避免因误操作造成价格昂贵的数控机床的损坏，又可以使操作人员在对仿真数控机床操作过程中产生现场感和真实感。同时由于其成本较低，可以大量地配置终端，彻底解决了数控机床数量不足的难题，使每位学生都能有足够多的实践机会，从而为数控技术教学提供良好的教育平台。
5.4实现虚拟仿真教学与真实生产加工的联系
数控加工仿真教学系统既能单机系统独立运行，又能实现在线运行。独立运行即机床模型方式，其培训设施只需一台计算机，数控机床的模拟操作在显示屏显示的仿真面板上进行，而零件切削过程由机床模型通过三维动画演示。在线运行即机床工作方式，在这种方式下，教学系统将与实际机床连接，由硬件实现零件切削过程，这时除了操作者是用仿真面板操作外，其它则与实际机床的真实情况一样。由于数控加工仿真教学系统具有完善的图形和标准数据接口，用户既能在真实的环境中运行虚拟机床，又能观察它的各种运行参数，并能将其他cad／cam软件，如pro/e、ug、mastercam等产生的三维设计后置处理的nc程序，直接调入加工。
5.5虚拟现实技术可实现网络数控培训及考核
虚拟数控机床强大的网络功能，可实现远程教育培训，它不仅在局域网上具有双向互动的教学功能，还具有基于互联网进行双向互动的远程教学功能，数据传送可以采用卫星、宽带等方式进行。这使得数控培训远程教学名副其实，而且还可采用远程网络学习、作业、考试等功能，并实现答卷保存、自动评分、成绩查询和分析等功能，轻松实现无纸化的考核与测评。
6 虚拟现实技术在教育应用中存在的问题及展望
　　可以预测，随着经济和技术的不断发展，虚拟现实技术将日益广泛地应用于教育教学领域。但目前的虚拟现实技术还存在一定的问题，主要表现在：
6.1虚拟环境与真实生产的差异
学生在虚拟的环境中学习，与在真实的生产中训练毕竟不同，因为如果仅考虑交互的真实性，那么无论如何身临其境，真正动手操作机器的效果要强于任何媒体教学。因此，虚拟现实技术不能完全代替具体真实的操作，它只能在一定程度上代替某些实验，而不能完全代替实践教学，尤其不能代替有创造性目的的试验。
6.2虚拟现实的效果还有待加强
　　虚拟现实的表示侧重于几何表示，缺乏逼真的物理、行为模型，虚拟现实技术在感知方面，视觉合成研究的较多，听觉、触觉关注较少，真实性与实时性不足，其虚拟的效果还需要进一步加强。
6.3硬件环境还有待提高
　　与虚拟现实技术相关的设备普遍存在使用不方便，效果不佳等情况，难以达到虚拟现实系统所需的要求，如中心计算机的处理速度还不足于满足在虚拟世界中巨大数据量处理实时性的需要，对数据存储能力也不足，基于嗅觉、味觉的设备还没有成熟及商品化。硬件设备品种有待进一步扩展。
6.4实现成本问题还有待降低
　　虚拟现实系统应用的相关设备价格也比较昂贵，且这些设备局限性很大，需要进一步发展其结构和制造技术，使其轻巧化和降低成本，才能更有利于推广应用。
　　虚拟现实技术作为一种新型的教学媒体，目前已引起教育界的极大关注。随着计算机技术的发展，虚拟现实的硬件与软件成本的逐渐降低，这种新的教学媒体必将广泛应用于教育教学中，最终在现代教育领域中发挥其重要作用。

参考文献：
[1]胡小强．虚拟现实技术[m].北京：机械工业出版社，2005．
[2]黄明吉．虚拟数控技术及应用[m].北京：化学工业出版社，2005．