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1、 作者简介: 曹雷 (1972-),男,江苏如东,中学高级教师,学士,研究生在读,研究方向:计算机教学 虚拟现实 1虚拟现实技术在中等职业学校车工实习应用中的几点研究江苏省如东第一职业高级中学 曹雷 226400摘要：虚拟现实是由计算机系统创建的使人有身临其境之感的，可以获得与环境交互体验的虚拟世界，它在职业学校实习教学中有着很大的发展和应用空间。本文拟就虚拟现实技术，及在中等职业学校中，利用虚拟现实技术如何在车工实习中发挥其作用做几点研究。关键词：虚拟现实技术 3D VRML 车工实习随着计算机技术、信息技术的飞速发展，虚拟现实技术在航空航天、教育培训、建筑设计、体育训练、军事训练、娱乐游戏
2、等领域中显示出了诱人的前景。职业学校中，实验实习是学校教育极其重要的环节。提高学生的操作技能、实践能力、创新能力不仅是国家赋于的使命，也是当今社会对人才提出的要求。利用虚拟现实技术创建虚拟实验车间，加强职业学校学生的职业技能和创新能力的培养，是职业学校实习教学的一个创新和优势。一、 虚拟现实技术的概念和基本特征1. 基本概念虚拟现实技术是一种逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、运动等行为的人机界面技术。它综合运用计算机图形学、心理学、传感器、网络通讯等多方面技术，在计算机中构造与客观世界相一致的虚拟环境，通过自然的交互，逼真、实时地生成可被用户直接感知的多通道信息，使用户产生一种身临其境的感觉
3、。2. 主要特征沉浸性虚拟现实技术的沉浸性，指用户感到作为主角存在于虚拟环境中的真实程度，能让参与者有身临其境的真实感觉。交互性虚拟现实技术的交互性，指用户对模拟环境内物体的可操作程度和环境得到反馈的自然程度，它能使人们通过虚拟交互接口设备实现人类自然技能与虚拟环境对象的交互考察与操作。构想性传统的计算机图形学强调了三维场景在屏幕上的二维显示，虚拟现实技术则强调三维 作者简介: 曹雷 (1972-),男,江苏如东,中学高级教师,学士,研究生在读,研究方向:计算机教学 虚拟现实 2图形的立体显示，这样可参照现实世界和设计构思生成三维逼真的虚拟环境。二、 虚拟现实技术解决中等职业学校车工实习的优势
4、1. 虚拟实习元素，改善实习条件由于职业教育发展不平衡，有些职业学校教育基础设施落后，实验设备、经费不足，学生实验实习设备有限，如车床：由于车床价格较高，有些学校只配备普通车床和功能相对简单且数量有限的的数控车床，实习过程中必备的辅助实习材料也配备不足。由于先进设备的缺乏、缺少或只能使用落后的设备，是无法培养出社会所需的高技能人才的。虚拟现实技术可以建立虚拟实验项目、虚拟实习设备以及相关实习材料，供学生进行虚拟操作，这样从很大程度上解决学生在车工实习训练中由于设备少，材料不足，耗材贵而产生的供需矛盾，并且在实践过程中，根据社会需求变化，教学内容的更新，随时虚拟新的设备和实习项目，这样就能较好地
5、解决社会上对能使用新技术、新设备的人才需求，既减轻了学校负担，又提高了学生的技能水平2. 虚拟实习过程，改善老师的实习教学策略和提高学生的技能水平指导老师实习指导方法单一，缺少针对性的教学仿真软件制约了学生的实习质量在实习过程中，实习老师基本采用的是“说教示范式”教学，即先阐述操作规程、方法（有时也借助于“教学挂图、视频录像、教学课件”等辅助教学资料） ，然后进行相应示范和巡回指导，在学生实习课结束后再进行总结评价。从表面看，这似乎是一个不错的实习教学模式，但实习效果却并不理想。究其原因，是由于实习课有其固有的特性，即“实践操作”的动态性。在动态的操作过程中，学生由于经验不足会出现各种各样的甚
6、至意想不到的操作现象和问题，让学生无所适从，而这些问题的多样性和不确定性也让老师在巡回指导过程中顾此失彼，难以达到实习效率的最大化。随着技术的进步，市场上出现了车工操作仿真系统，这种系统主要是模拟工厂、企业产品的操作流程，对初涉车工实习操作的学生而言并无太大针对性，且这种仿真系统不但价格昂贵，也不符合学生的认知特点。利用虚拟现实技术构建虚拟实习环境，可改善实习过程，提高学生实习质量我们可以利用虚拟现实的交互性和沉浸性，以让学生以一个角色的身份，全身心地投入到车工的虚拟训练环境中，反复地进行全程或分解项目的训练，直到对技能要求的掌握和了 作者简介: 曹雷 (1972-),男,江苏如东,中学高级教
7、师,学士,研究生在读,研究方向:计算机教学 虚拟现实 3解。实习指导老师也可以通过学生虚拟训练环境的训练，及时了解学生在操作过程中出现的多样性和不确定性的问题，以便在实习教学时做到有的放矢。学生通过逼真的模拟训练和老师有针对性的指导，在真正的操作环境中就可以如鱼得水、放心胆大的操作，从而真正提高自身的操作技能和水平。虚拟实习方法，可有效减少实习过程中的安全事故 进行车工实习时，由于车床本身的工具、卡具很多，在产品加工时，要经历准备工件、安装刀具、进行加工、操作修正等过程，这些过程既繁杂而操作者又要小心对待，如有不慎，还很容易造成安全事故。如：在车削时所产生的钢性切屑塑性卷曲，边缘锋利，有时还会
8、形成红热地、很长的切屑，极易伤人，同时经常缠绕在工件、车刀及刀架上不易清除。如果学生在实习过程中操作紧张，稍有疏忽，就会发生安全事故。利用虚拟现实技术，可以放心的让学生去做各种操作，亲历实习过程，不必担心出现安全问题。即使学生操作有误、但由于在虚拟环境中，出现的安全问题不会对人体构成伤害。如果虚拟实习过程和方法设计得当，我们还能培养学生的安全意识和提高学生处理安全问题的能力。三、虚拟现实技术解决车工实习的初步实践1. 进行系统分析，形成需求分析说明书参考车工操作手册这是我们利用虚拟现实技术解决问题第一步。从根本上说，这个虚拟系统仍是一个软件产品，在进行初始分析时，我们必须要了解系统的需求。通过
9、操作手册，我们能系统的、全面的发现车工操作的整个流程，及各个环节的操作要点和注意问题。如在机床工高速切削，要戴好防护眼镜；装卸卡盘及大的工、夹具时，床面要垫木板等。这样在系统开发时，就会做到有的放矢，不遗漏环节。与实习指导老师、实习学生沟通，了解动态信息车工实习操作是一个动态的过程，在这个过程中会出现各种各样的不确定的操作问题，了解这些问题及其成因，对我们这个系统的成败是非常关键的。实习指导老师全程参与整个实习过程，他们对实习过程中学生的操作有着全面的认识，对学生们经常出现的问题也有清醒的了解。学生是整个实习操作的主体，在操作过程中，他们对操作的成败，出现的问题有着直接的认识，也有着自己的观点
10、。 作者简介: 曹雷 (1972-),男,江苏如东,中学高级教师,学士,研究生在读,研究方向:计算机教学 虚拟现实 4我们通过调查表、与师生直接交流的方法对“操作过程中出现问题的现象种类” 、 “出现的频率” ， “学生们在出现问题时的心态” 、 “出现问题时的习惯动作及造成这些问题的原因”等方面调查了解，直接掌握一线实习信息。在了解、掌握了车工实、项目、过程和方法后，利用软件工程开发设计方法，形成系统需求说明书。2. 制作“原型” ，供学生实践由于职业学校资金有限，我们采用桌面 VR 系统进行实践。为了让学生接受这个“新鲜事物” ，使他们逐步溶入其中，也为了减少软件中的错误，我们先暂时开发了
11、一个原形系统，供学生在实践中使用。虚拟模型生成我们首先按照设计方案制作出场景中各要素的模型，并赋上相应的材质贴图，这由3DMAX 完成。利用 3D 建模技术对基本的加工材料等建立三维模型，由于 3DMAX 中提供了一些用于创建常用的三维物体，如圆球、圆环、圆柱、多面体等。所以对加工材料的形成，容易实现。对车床等结构复杂的三维对象，虽然直接用 3D 也能进行绘制，但是建模的工作量极大。因此考虑采用间接的方法，即先利用目前比较成熟的造型软件将车床的三维模型创建出来，然后利用相应的转换工具进行转换。同时我们对虚拟操作环境作了简单的设置，如光源、环境背景等进行了处理，形成了虚假的真实环境。设计系统模块
12、通过系统分析和中等职业学校学生实习特点，我们设计了自主训练、反馈辅导、合作交流、自主创作空间、结果评价等六个模块。以自主训练模块为例：我们将 3D 中生成的模型导入到 VRML 设计环境中、再利用 VAML 进行动画和交互设计，把车工操作过程和过程中学生操作时容易出现的问题分成处理单元，并让其贯穿于整个实践操作过程中，配备问题处理的提示，及操作后果处理。如：在进行“高速切削”时，我们首先对“高速切削”过程进行模拟，对操作结果进行分类：产生塑性卷曲切屑，产生红热地、很长的切屑，紧紧缠绕在工件、车刀及刀架的切屑、及同时形成上述情形的切屑。在出现了不同的情况后，让学生尝试通过模拟环境去解决这一问题，
13、如操作有误，系统会对错误操作的类型进行判别，并给出相应的错误状态， 作者简介: 曹雷 (1972-),男,江苏如东,中学高级教师,学士,研究生在读,研究方向:计算机教学 虚拟现实 5甚至出现伤害结果，让学生产生警觉。由于它是一个虚拟的环境，并不会对人体造成伤害。当学生退出系统时，系统会及时给出操作者的操作结果统计信息，对操作者的正确操作、错误操作、错误类型、错误频率进行统计，并给出相应的操作建议。再如在通过反馈辅导模块中，我们安排了一个反馈通道，它记录了学生在操作过程中出现的操作问题信息，通过一个“反馈通道”实时提交给实习指导老师，这样老师就可以动态的了解学生的安全操作状态，并进行分析，在实际
14、训练过程中，可以做到有的放矢。同时在“反馈通道”中，我们还安排了学生提问专栏。学生们可以利用它就模拟操作过程中出现的问题对实习指导老师提问，询问出现问题的原因及解决方法。当然在实践过程中，学生离不开实际环境的锻炼，但我们通过“虚拟现实技术”模拟现实环境中大量的实习设备，解决了现实环境中设备、材料短缺等问题，并在虚拟实习过程中，延长了学生实习训练时间，积累了学生丰富的先期操作经验。尤其重要的是，由于它对实习过程中安全问题的逼真模拟，培养了学生的安全素养和安全意识。这些都有利于学生在以后真实环境中训练。参考文献: 1 朱一宁. 分布式虚拟现实技术及其应用,20002张金钊等著：虚拟现实三维立体网络程序设计语言清华大学出版社 2001 年
