虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品實驗教學(xué)的應(yīng)用
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摘要：目前，在高校產(chǎn)品設(shè)計實驗教學(xué)中，通過將實際產(chǎn)品工藝與設(shè)計實踐相結(jié)合的方式，加強學(xué)生對設(shè)計實踐的理解。實驗室因受到空間條件與技術(shù)條件的限制，從而影響到實驗教學(xué)效果，而虛擬現(xiàn)實作為目前較為熱門的新技術(shù)，在計算機軟件與智能硬件的結(jié)合下，可以實現(xiàn)一些在實際情況中較難模擬的場景，用戶通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)手段可以進行多種體驗，這對開展產(chǎn)品實驗教學(xué)工作有著積極的作用。
關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；產(chǎn)品實驗教學(xué)；產(chǎn)品設(shè)計
1虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征
虛擬現(xiàn)實技術(shù)利用計算機技術(shù)搭建虛擬環(huán)境，用來模擬現(xiàn)實，通過多傳感器裝置讓用戶能夠與虛擬環(huán)境形成自然交互，而虛擬環(huán)境則是通過計算機制作的帶有貼圖的高精度模型，同時結(jié)合用來和虛擬環(huán)境交互的硬件設(shè)備。用戶通過操控設(shè)備來實現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互，增強用戶的虛擬體驗，達到身臨其境的效果。要實現(xiàn)身臨其境的效果則需要滿足幾個特征。第一，要滿足的就是沉浸感，用戶通過佩戴VR眼鏡置身于虛擬環(huán)境中，環(huán)境真實感的強弱取決于VR環(huán)境的場景設(shè)計，場景中增添一些合理的動效能夠增強用戶的沉浸感，比如一些暗示的動效、操作指引等，或者一些可以進行交互的動態(tài)環(huán)境，比如通過粒子特效制作煙霧等，用戶可以通過觸感技術(shù)浮動煙霧等，通過特效增強用戶的喜悅感。第二，交互性操作是VR設(shè)備能夠被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，用戶通過計算機外設(shè)與環(huán)境相連，能夠?qū)μ摂M環(huán)境中的呈現(xiàn)物進行互動操作，為了實現(xiàn)對環(huán)境的真實模擬，VR虛擬現(xiàn)實需要結(jié)合多種傳感器來觸發(fā)虛擬環(huán)境的設(shè)計，比如聽覺，觸覺，甚至嗅覺等，增強用戶的真實體驗。第三，要滿足自主性，虛擬世界的物體可以根據(jù)用戶的需求進行變動，學(xué)生以客觀世界的實際操作來模擬在虛擬環(huán)境中的動態(tài)，在虛擬現(xiàn)實中激發(fā)人的創(chuàng)造性，使沉浸在環(huán)境中的學(xué)生提高感性與理性的認識。
2傳統(tǒng)實驗教學(xué)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用教學(xué)的比較
2.1傳統(tǒng)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀
傳統(tǒng)產(chǎn)品實驗教學(xué)能從多方面提高學(xué)生對產(chǎn)品設(shè)計的認識，在設(shè)計實踐方面，能夠讓學(xué)生直接體驗到產(chǎn)品設(shè)計的一些制作環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在認識材料工藝制作加工方面更加直觀，分組實驗?zāi)芎芎玫卦鰪妶F隊精神，尤其是進行試驗性測試與實際制作更能激發(fā)學(xué)生的探究精神，發(fā)揮他們的創(chuàng)意；在實踐教學(xué)方面，實驗室手工師傅能夠輔導(dǎo)學(xué)生如何使用各類工具，有操作不當?shù)牡胤绞止煾的軌蚣皶r地指出并糾正，打下扎實的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)產(chǎn)品實驗教學(xué)也有一些弊端，由于產(chǎn)品設(shè)計是一門實踐性較強的學(xué)科，且產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度快，通過文檔視頻學(xué)習到的知識比較淺，還需實踐才能更好理解。但學(xué)校很難滿足因產(chǎn)業(yè)不斷升級需購置相關(guān)教學(xué)設(shè)備的要求，同時增加設(shè)備需定期保養(yǎng)維護，成本較高。由于學(xué)校場地有限，一些實驗需要較大場地，比如一些大型模具制作設(shè)備演示、機器噴涂等工藝，不能直接讓學(xué)生進行操作學(xué)習，只能通過參觀工廠實地觀摩等方式進行學(xué)習。對于機器的操作需要有豐富的經(jīng)驗，學(xué)生初次實踐難免會出現(xiàn)一些錯誤操作，有可能對學(xué)生造成危險，對設(shè)備也會有損傷。實習工位與指導(dǎo)老師的配比低，由于學(xué)校設(shè)備數(shù)量有限，實訓(xùn)工位與實訓(xùn)師傅數(shù)量不足一直是普遍存在的問題，大部分都是分組先后操作進行學(xué)習，間斷性學(xué)習導(dǎo)致對知識的掌握不牢。
2.2虛擬現(xiàn)實在產(chǎn)品實驗教學(xué)中的優(yōu)勢
虛擬現(xiàn)實的技術(shù)特性能在很大程度上彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，產(chǎn)品實驗室所需的一些教學(xué)大型展示設(shè)備，可以通過計算機創(chuàng)建一個虛擬的環(huán)境，在其中對實驗的技術(shù)進行反復(fù)操練。在高校產(chǎn)品實驗教學(xué)中引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有以下優(yōu)點：安全性高。產(chǎn)品設(shè)計實驗教學(xué)是一門需要動手實踐的課程，部分操作具有一定的危險性，比如金工實習的車、銑、磨、刨以及數(shù)控這些，如果操作不當易引發(fā)危險，虛擬仿真可以讓學(xué)生在實操前進行虛擬練習，同時在系統(tǒng)中設(shè)置考核機制，考核通過才可實操，這樣實驗的安全規(guī)范從理論到實踐多了一個緩沖環(huán)節(jié)，可以大大減少實驗的誤操作。豐富教學(xué)手段。在傳統(tǒng)的產(chǎn)品實驗教學(xué)中，基礎(chǔ)知識的學(xué)習較枯燥，導(dǎo)致學(xué)生積極性不高，而理論的不扎實對后續(xù)大型機臺的實操造成安全隱患。雖然部分設(shè)備在實驗教學(xué)中很少對學(xué)生開放，但虛擬仿真讓實驗教學(xué)的交互性更加豐富，比如實驗教師可以通過虛擬設(shè)備教授學(xué)生如何操作機器，學(xué)生可以放心上機，可以通過虛擬仿真技術(shù)深入了解機器的運作原理，可放大實際產(chǎn)品內(nèi)部，進入產(chǎn)品內(nèi)部空間觀測產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，虛擬現(xiàn)實可以通過觸感感應(yīng)裝置模擬五感，這種真實感也讓學(xué)生對實驗印象深刻。實驗管理更高效。部分產(chǎn)品設(shè)計實驗室的設(shè)備數(shù)量多、更新慢，利用虛擬現(xiàn)實環(huán)境可以通過及時更新數(shù)據(jù)來展示學(xué)習的設(shè)備，比如各類產(chǎn)品模型樣機展示、新材料的加工與制造等。通過虛擬仿真減少實驗設(shè)備管理與維護工作，有效地安排實驗任務(wù)，讓實驗管理更便捷。
3影響虛擬現(xiàn)實在產(chǎn)品實驗教學(xué)中的因素
3.1虛擬現(xiàn)實設(shè)備目前價格昂貴
高校要想構(gòu)建一個高品質(zhì)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，就需要購買一批高分辨率的頭戴式顯示器、空間定位器、數(shù)據(jù)手套等設(shè)備。同時，還需要高性能的計算機以及相應(yīng)的軟件。目前，在高校普及還有一定的難度，且智能硬件更新速度快，高校的實驗建設(shè)更新速度也很難和市場同步，這也會導(dǎo)致軟件內(nèi)容無法及時得到更新。
3.2實驗內(nèi)容不完善
虛擬仿真主要是內(nèi)容的呈現(xiàn)，VR虛擬仿真目前還沒有針對高校產(chǎn)品實驗室來專門構(gòu)建一套完整的課程數(shù)據(jù)體系，因此，想要將實驗內(nèi)容在VR虛擬現(xiàn)實中進行展現(xiàn)教學(xué)目前還比較困難，其中VR虛擬現(xiàn)實的場景與模型制作，需要根據(jù)產(chǎn)品實驗教學(xué)所涉及的內(nèi)容構(gòu)建相應(yīng)的三維數(shù)據(jù)，這是一個較為龐大的工程，需要專門針對高校產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)實驗課程開始進行VR環(huán)境開發(fā)，同時需要大量的數(shù)據(jù)模型來滿足教學(xué)需求，對于VR模型制作可以根據(jù)高校各自的需求開設(shè)相關(guān)的VR制作課程，自行開發(fā)所需的模型。
3.3虛擬現(xiàn)實設(shè)備維護與管理
實驗室構(gòu)建虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，需要較多的硬件支持，這也要求實驗教師系統(tǒng)掌握虛擬仿真使用與維護的知識，由于不同人的體質(zhì)適應(yīng)能力不同，虛擬現(xiàn)實的沉浸式體驗會有讓人產(chǎn)生眩暈等情況，針對這類情況要有完整的安全措施。在實驗記錄與實驗考核方面也需要根據(jù)VR虛擬現(xiàn)實的特性進行相應(yīng)的調(diào)整，以往我們的實驗記錄均是紙質(zhì)版填寫，而VR虛擬仿真部分內(nèi)容是在虛擬環(huán)境中完成的，因此，可以設(shè)置一套電腦管理系統(tǒng)，進行實驗的記錄管理與考核。
4虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品實驗教學(xué)中的應(yīng)用
利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行產(chǎn)品實驗教學(xué)，可以加強學(xué)生的理論學(xué)習，對新事物理解更加透徹，鍛煉學(xué)生的操作能力，了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、原理、性能、工藝、材料等多個方面。在實驗課中使用比較多的是模型制作、五金實訓(xùn)實習、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理、材料與制造這一類的實驗課程環(huán)節(jié)。
4.1模型制作實驗
模型制作主要是讓學(xué)生了解產(chǎn)品的形態(tài)，以及產(chǎn)品樣機的制作手段有哪些，熟悉各類手板制作工序，了解不同材料特性，根據(jù)不同的產(chǎn)品需求來制作產(chǎn)品模型，比如cnc機床加工制作、木材彎曲制作、玻璃鋼翻模等。虛擬仿真可以讓學(xué)生在學(xué)習如何制作之前，在虛擬環(huán)境中操作使用不同的材料進行不同的模型制作加工，熟悉模型從制作到成型的過程，由于實驗課程的時間受限，不能將所有的模型制作方式都實驗制作一遍，因此，虛擬仿真是一個不錯的選擇，既可以讓學(xué)生加強理論學(xué)習，又可以彌補課程中實踐的不足。
4.2五金實訓(xùn)虛擬實驗
五金實訓(xùn)課程是產(chǎn)品設(shè)計實驗課中的重要環(huán)節(jié)，需要學(xué)習車工、銑工、線切割、數(shù)控等各類實踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容，是一門綜合性強的理論應(yīng)用型課程，虛擬仿真可以加強學(xué)生對于理論的應(yīng)用能力，虛擬仿真不僅可以交互性地進行操作，而且可以從多個角度展示機器的工作原理，了解設(shè)備如何運行，交互特性讓學(xué)生能更有興趣參與實踐，為學(xué)生進行實地實操打下堅實的基礎(chǔ)。
4.3產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理實驗
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理是讓學(xué)生對各類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行了解，熟悉各類新工藝新材料，包括一些設(shè)計工程知識。虛擬仿真技術(shù)則可讓學(xué)生對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的了解更透徹，比如可以提供扳手、鉗子等各類拆裝工具，下載大量的仿真模型進行拆裝。實驗教師可以在虛擬環(huán)境中對學(xué)生進行講解，尤其是體量較大的產(chǎn)品，比如汽車總成拆裝與零部件拆裝，虛擬仿真可以更高效安全地進行實驗教學(xué)。在工藝與制造方面，虛擬仿真可以以更加生動的方式展現(xiàn)制造工藝的特點，比如注塑機如何工作，模具如何運動等。
4.4校企合作實踐教學(xué)
校企合作實踐教學(xué)是為企業(yè)提供人才的最佳方案，以往的校企合作很多不能很好地進行人才產(chǎn)出，在校企合作項目上很難產(chǎn)生商業(yè)價值，一個很重要的原因是企業(yè)與學(xué)校的對接不流暢，企業(yè)給出的項目課題有一定的技術(shù)難度，這個時候需要企業(yè)項目負責人與教師經(jīng)常指導(dǎo)學(xué)校工作室學(xué)生，同時也需要一個即時性溝通的工具，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以在一定程度上讓設(shè)計溝通更加便利，在協(xié)同虛擬環(huán)境下進行合作研究、遠程實驗等，比如在虛擬空間中展示設(shè)計方案，互相探討，提出意見，及時修改，確保項目的時效性，以及能讓項目產(chǎn)生商業(yè)價值，校企合作也能更加緊密。
5結(jié)語
虛擬現(xiàn)實技術(shù)雖然在應(yīng)用方面有很好的前景，并且在不少領(lǐng)域也得到了很好的認可，但是產(chǎn)品設(shè)計實驗教學(xué)這一塊還是空白區(qū)域，期望能結(jié)合不同專業(yè)領(lǐng)域為產(chǎn)品設(shè)計實驗教學(xué)提供一套完整的VR虛擬仿真方案，利用多媒體、虛擬現(xiàn)實構(gòu)建仿真實驗室，以更生動、更安全的方式激發(fā)學(xué)生積極性，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維。
參考文獻：
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作者：黃楚峰 章文 單位：廣東第二師范學(xué)院