虚拟实验在机械控制工程基础教学中的应用研究

张香云

摘 要：计算机技术的发展催生了各式各样的新式的技术，这些新的技术手段为一些学科的发展提供了测试条件，成为促进学科发展的有效手段。虚拟实验是计算机技术与虚拟现实技术快速发展的产物，虚拟现实技术通过三维的模拟现实系统对机械部件机械仿真，这样的技术对于机械制造以及机械控制工程中的教学可以起到很大的作用。

关键词：虚拟实验；机械控制工程；基础教学；应用研究

一、虚拟现实技术的概述以及在机械控制工程基础教学中使用的优势

虚拟现实技术是一种利用电脑建立三维模型从而对机械组件进行模拟，虚拟现实技术不仅可以对视觉世界就像模拟，而且可以给使用者提供听觉、触觉等感觉的模拟效果。虚拟现实技术中有三个极为重要的要素：沉浸性、交互性、构想性，这三个要素可以评判虚拟环境模拟真实场景的效果。其中沉浸性是建立的虚拟世界带给使用者相当的真实性，使用者在虚拟的环境中有在真实世界的感觉，对人类来说有一定的迷惑性。交互性是指在虚拟环境中使用者对虚拟对象的可操作性，使用者可以通过传感设备对虚拟环境中的物体进行操作，交互性体现了虚拟现实技术的人机交互的功能。

虚拟世界的构想性是指虚拟世界可以开拓使用者的思维和想象力，提高用户的创造力。而虚拟实验是一种在计算机网络环境中模拟真实的实验室的环境，在模拟的环境下通过人机交互实现对虚拟世界中的物体以及模型进行一定的操作，从而进行低成本、高效率、可重复、可补救的实验，虚拟实验系统依据不同的沉浸程度主要分为桌面式虚拟实验系统、沉浸式虚拟实验系统、分布式虚拟实验系统和增强型虚拟实验系统等。虚拟实验在高校的机械相关专业中涉及精密的机械控制操作，这些相关的操作涉及多种复杂系统。只通过人类的大脑难以完成对实验的完全理解，通过计算机的模拟现实技术对复杂的机械结构进行仿真可以优化机械结构。虚拟现实技术在教学培训领域的使用为学生提供了一个相对自由的学习环境，学生可以根据自己的学习情况以及学习目标对资源进行良好有效的应用。虚拟实验在实际的教学中的使用可以使学生更加具象化的理解所学的内容，虚拟实验可以模拟一些真实场景可以使学生有身临其境感觉的同时避免了真实环境可能造成的安全事故。

二、虚拟现实技术在机械控制工程中的使用

虚拟现实技术在机械控制工程中的应用是解决真实世界中无法进行一些危险性较大的实验的问题，对于一些危险性较大的实验难以获批进行，而且对实验者、操作人员的生命安全进行保障。虚拟现实是由计算机生成的三维模拟环境，虚拟现实目前在航空航天、工程技术、件数设计、医学手术、艺术设计、军事模拟等领域中都有非常重要的作用。机械加工模拟环境可以对各种设备、厂房、周围环境等内容进行模拟，通过一些模拟仿真软件可以完成一些车床、流水线模型的制作。虚拟实验一般是利用一些建模软件建立一些机械模型，在建立模型时可以对实际的模型进行一些简化操作。对于模型的美化处理可以使模型更加易于识别，利用Photoshop制作场景的贴图以及材质的纹理，最后利用这些贴图对模型进行贴图处理，可以增强模拟现实的沉浸性。机械加工虚拟实验系统是一种对真实的机床加工过程的模拟，对机械运行过程进行模拟可以解决机械研发过程中的具体情况，不需要再现实世界中建立真实的设备就可以对设计好的设备进行运行，查看运行的顺利程度。机械加工虚拟实验系统模式的搭建可以将模拟的过程记录下来、忽略现实世界不可控因素的影响、减少实验的投资等，同时模拟真实的场景的过程可以用计算机教学记录，留下完整的模拟记录。模拟实验可以建立视频播放的模式、全局观摩的模式对实验的操作流程进行研究。机械加工虚拟实验系统首先应该建立三维实体模型，对于机械的结构进行分裂，分部进行制作，然后组装各部分零件模型。将整个模型导入到3D max中进行材质贴图渲染，最后利用专业的软件合成三维虚拟实体以及虚拟的模拟环境，对实验中的相关对象进行实时渲染。模拟现实技术的开发通过建模、渲染导入、交互设计、功能检测这四个阶段开发出完整的模拟实验体系。

机械加工虚拟实验室的建立依仗强大的交互引擎和建模软件，通过对行为机械编程使得交互动作顺利实现。在建模完成以及贴图渲染完成之后还需要对场景中物体的灯光、物体间的从属关系、物体与人之间的交互设计、场景的视角等方面进行调整，而且为了使用户有一个良好的代入感，就必须设计便于使用的系统界面。

三、虚拟现实技术在机械控制工程的基础教学中的具体应用

虚拟现实技术主要是面向学生开发的一种实验教学工具，虚拟实验系统目前融合了卫星通信、数字化信息系统、计算机技术、新媒体技术等多种技术。虚拟实验教学平台在系统中融合了专业的理论指导和现实世界的各种原则，通过教学设计挑选合适的机械模型，建立合适的理论探究过程，帮助学生学习到体系化的、实例性的专业化知识。而且通过虚拟技术搭建的实验教学平台来说，其优点是在教学实践中可以多次使用，教学中产生的失误和学生操作中产生的问题在这个平台上都可以重新复位，不会出现浪费资源的情况。而且虚拟实验平台由于其有趣的界面，以及新奇的教学方式会引起学生的学习兴趣，有助于学生自觉的教学学习，使专业知识的学习成为一件快乐的事情。而且虚拟实验在机械控制工程基础教学中的使用可以重复多次，为学生熟练的掌握操作技巧提供了良好的条件，老师也可以及时的对学生的学习情况进行记录、纠正。虚拟实验平台的交互性强，学生可以通过传感器与计算机进行交流，加强学生的实际体验感。虚拟教学平台还可以根据学生的个人特点进行区别教育，提供合适的培养机制，而且先进的模拟设计可以拓展学生的思维，增强学生的创造力。

四、小结

综上所述，虚拟实验在机械控制工程中具有良好的应用前景，具有可重复、交互性、沉浸性等一系列优势。当今机械设备成本较高，虚拟实验为学生提供一个低成本的、丰富的、交互性良好的、高效的学习平台，系统可以依据学生的个性化特点制定不同的教育方式提高学生的学习的效率。

参考文献

[1]高俊.虚拟实验在机械控制工程基础教学中的应用[J].教育与教学研究，2013，27（3）：76-79.

[2]聂学俊，杜敏杰.機械工程控制基础虚拟实验平台开发[J].中国现代教育装备，2016，（15）：4-6.

（作者单位：长江大学工程技术学院）