虚拟现实技术在3D造型课程教学上的应用
[DOI]1013939/jcnkizgsc201537196
13D造型课程教学
3D造型课程属于计算机辅助设计与辅助制造（CAD/CAM）类课程，该课程是在学生学完必要的专业技术基础课及专业课程的基础上开设的一门专业核心课程，通过该课程所教授的知识及技能，学生可以掌握利用三维技术表达设计成果、设计理念的技能。
3D造型课程是操作性较强的课程，传统课程教学过程存在教学方式单一，只讲操作软件命令，忽视情境创设，制约学生的创造与思考能力的问题。为此现在多采用项目教学法，创建一种与实际工作环境相近的情境，设置项目任务，要求学生自己亲自动手操作，在具体的真实情境中解决实际问题。以工作项目为主线，学生为主体，教师为主导，在完成项目的过程中，师生共同探讨、探索，从而提高自己分析问题和解决问题的能力。
要想开展项目教学，创设真实的工作情境，确立项目任务尤为重要。因此，如何能创设真实的情境，吸引学生，使他们能够身临其境，产生设计的冲动和欲望，积极参与到项目教学中来，就是摆在我们面前的一个亟待解决的问题。虚拟现实技术的引入为解决这些问题创造了有利的条件。
2虚拟现实技术简介
虚拟现实（Virtual Reality，VR），它是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟现实技术是结合了计算机图形学、计算机仿真、人机接口、多媒体以及传感技术发展而成的一门新技术。它是基于计算机相关技术模拟真实情景生成的一种人造环境，它采用模拟环境、视景系统、仿真系统和人工智能等多种技术生成逼真的视、听、触觉一体化的虚拟情景。用户可以借助必要的装备以自然的方式与虚拟环境中的物体进行交互作用、相互影响，从而获得与亲临等同的真实环境的感受和体验。虚拟现实系统的技术特征是沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、构想性（Imagination）。依据“沉浸性” 程度的高低和交互程度的不同将虚拟现实系分为沉浸式虚拟现实、分布式虚拟现实和桌面式虚拟现实以及增强现实性虚拟现实。
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他设备，把参与者的视觉、听觉和其他感觉封闭起来，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、其他手控输入设备、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。
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。
桌面虚拟现实（PCVR）系统，基本上是一套基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统。桌面虚拟现实的参与者是不完全沉浸的，它要求参与者使用标准的显示器和立体显示设备，数据手套和六个自由度的三维空间鼠标器，戴上立体眼镜坐在监视器前，在一些专业软件的帮助下，可以通过计算机屏幕观察虚拟境界。由于目前这种虚拟现实的设备投入低、使用技术难度小，因而较另外三种虚拟现实技术得到了更广泛的应用。
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。
虚拟现实技术在高端制造、能源领域、教育科研、国防军工、建筑艺术、电子商务、交互式娱乐、远程医疗等领域都有着极其广泛的应用前景，利用它可以进行工业产品虚拟设计、创建多媒体通信、设计协作系统、实境式电子商务、网络游戏、虚拟社区系统等。
3虚拟现实技术应用于3D造型教学
虚拟现实技术作为数字化技术的一部分，在高端制造业应用较为广泛，已成为数字化工业制造技术和生产流水线的重要应用环节，利用该技术可优化产品设计，通过虚拟设计与虚拟装配避免或减少了物理模型的制作，缩短开发了周期，降低了成本。我院在工业产品的3D造型课程项目化教学过程中，通过引入虚拟现实技术，创建了适合项目化教学的具有真实工作情境的桌面虚拟现实（PCVR）任务系统，学生在体验企业工作环境的同时，亲临其境地参与项目设计的工作流程，激发了学习热情，提高了学习兴趣，取得了很好的教学效果。通过教学实践，我们发现在通常情况下，学生在设计过程中通过手绘、三维建模等手段来表现出产品的实际形态及效果，但往往因为无法直观的表现出设计图，导致设计流程反复冗长。运用虚拟现实技术教学系统，可以将设计思想更好地融于其中，学生将自己创建的3D模型放入虚拟现实系统，通过网络大家都可以看到，学习小组成员可以修改讨论，教师也可以实时批改方案并将结果呈现在虚拟现实环境中，这样使教师的任务指导、过程考核以及作业的批改的效率都有了很大的提高。
在教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实技术，可以彻底打破空间、时间的限制。通过创建虚拟数字实验室，学生可以足不出户，获得与真实实验一样的体会。虚拟实验室的人机交互系统，可以很方便地带领学生走入虚拟车间，体验工作环境，利用虚拟装配系统，完成机器装配过程，检验3D造型中的结构问题，发现设计中的装配缺陷，及时修改零件机构设计。
通过虚拟现实系统所建设的数字实验室，直观地展示工厂、生产线、产品虚拟样品以及整个生产过程，项目教学的任务产品从初始3D造型设计、生产过程的建模、仿真加工、模型装配到检验整个的生产周期都在计算机上进行模拟和仿真，这样使得课堂教学更加生动，同时也提高了课堂效率。
另外，在进行3D造型课程的考核时，我们利用虚拟现实教学系统为学生提供的3D参考模型，学生可以在虚拟环境下，全方位地观察模型细节，了解模型结构，以完成模型的创建，这样也解决了实物模型短缺的问题。
虚拟现实技术与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。虚拟现实应用于教育的不同领域，有不同的应用模式，也取得了不同的效果。虚拟教学的主要优点是：教学内容可视化、学习中的交互性好、沉浸感真实感。
利用虚拟技术模拟难以讲解的教学场景，并使之可视化和交互性，让学生在可视化和参与性下能更好地学习到相关技能。目前，尽管虚拟现实系统的硬件设备还比较昂贵，虚拟现实技术尚未能普及。但是，随着虚拟现实技术的不断发展和完善，以及硬件设备价格的不断降低，我们相信，虚拟现实技术作为一个新型的教学媒体，以其自身强大的教学优势和潜力，将会逐渐受到教育工作者的重视和青睐，在教育领域广泛应用并发挥其重要作用。
