基于虚拟现实技术汽车实训学习平台的应用
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作者: 汪立亮 姚东伟
【摘 要】 通过网络和计算机技术的虚拟现实技术是教学信息化有效手段，通过该技术能够实现教学全过程学生身临其境进行知识学习、技能训练和技术创新等。汽车实训操作平台是基于VR虚拟仿真技术开发的系统，应用于现代汽车职业教育实训教学具有突出的特点和优势。通过虚拟演示物体自由落体慢过程，形象直观的显示物体重力大小、方向以及速度的变化过程，使学生容易理解地球引力和加速度概念。
【关键词】 虚拟实现技术 职业教育 实训 应用实践
运用计算机技术进行教育学习，传统模式是人和计算机视为两个独立的个体，通过界面进行信息交换，就是使用者把设计要求或信息指令输入计算机，计算机作出动作显现反馈，而虚拟现实（Virtual Reality）是把现实中存在的或并不存在的事物和场景，通过运用计算机软件，可以将使用者和计算机虚拟实现一个整体，通过三维立体空间和图像工具实现信息可视化，把使用者置身于通过三维空间模拟出一个逼真的计算机环境中自由地使用各种指令信息，整个过程由计算机按照仿真软件进行控制。
1 虚拟现实技术
虚拟现实技术（Virtual Reality），涵盖计算机图形（CG）应用技术、仿真技术、人机交互技术、显示技术、传感器技术、人工智能和网络运行处理技术等领域内容，通过计算机通过仿真软件生成逼真的三维空间，可以通过传感器捕捉到使用者的信息，立即进行高速运算，运算结果转化成精确的3D世界影像传出，使用者在虚拟空间实现视、听、嗅等感官感觉和完成肢体动作，自然地对虚拟世界进行体验和互动，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。
2 虚拟现实技术在教育中的应用
在现代信息化学习方式和手段中，虚拟现实技术特别是基于网络的虚拟现实技术（Web3D）有着广泛的作用和影响，尤其在虚拟教学和仿真实验，以及信息化平台等方面的应用具有广泛性。虚拟现实技术能够为师生提供生动而逼真的计算机学习环境，师生都可成为虚拟环境中的参与者，并且每个人可以在虚拟环境中扮演不同的角色，这有力的调动参与者的学习积极性和能动性，对学习中的重点和难点容易掌握，并且对培养和训练技能都将起到积极有效的作用，并且可以降低成本和消耗。
虚拟现实技术在教学过程中主要三个方面的应用。（1）知识学习。知识学习是利用虚拟现实系统学生学习课程知识。其一，虚拟系统可以仿真出实际生活中不容易甚至无法观察到的自然中事物的变化过程和现象，学生通过虚拟系统可以观察、感受甚至参与整个生动和逼真过程，学习和了解知识，轻易解决学习中的知识重点难点。譬如：地理课程学习，通过虚拟现实系统，可以学生带到不同的地理环境，领略那里的自然风光，了解地理变化过程和特点等；物理知识学习，利用虚拟现实技术，可以展现各种物理变化过程，剖析变化原理，比如展示如原子核裂变、磁场感应和光纤传送信息等物理现象，让学生在观察和感受中学习掌握知识等。其二，通过虚拟系统可以使抽象的概念和理论，能够直观化和形象化展现给学生，便于学生对抽象概念的理解。例如，学习地球引力重力加速度概念，通过虚拟演示物体自由落体慢过程，形象直观的显示物体重力大小、方向以及速度的变化过程，使学生容易理解地球引力和加速度概念。（2）探索学习。虚拟现实技术可以虚拟学生学习过程中所提出的各种假设，通过虚拟系统学生便可直观逼真地观察假设所产生的结果产生的过程或效果。譬如：在学习分子链时，学生可以创新学习，大胆的按照自己的假设，将不同的分子组合新的物质，通过这种探索式的学习方式，不仅学生可能创新研究出新的物质，而且有利于激发学生的学习的能动性和创造性思维，培养学生的创新能力。（3）虚拟实验。利用虚拟现实技术，可以建立各种虚拟实验室或实训室。譬如：在虚拟的化学实验室里，可以观察化学反应的慢过程，模拟做一些具有危险性的燃烧和爆炸等反应现象；在汽车实训室汽车虚拟4S店里，可以动态体验学习汽车销售流程和规范的业务接待，业务办理等；在医学解剖实验实训室，可以虚拟人体解剖过程，观察人体局部器官新陈代谢和生理反应等。
3 基于VR虚拟仿真技术的汽车实训平台的应用
3.1 平台建设背景
近年来，国家大力发展职业教育，已成为国家人才发展战略，近十年来特别是高等职业教育蓬勃发展，规模不断扩大质量不断提高，但大多院校也出现办学资金紧缺，“双师型”专业老师数量不足，培养模式与手段有待改革和创新等问题，特别是职业教育的实验实训条件，是职业教育核心教学现场和条件，需要大力校内建设或是校企合作，这些制约了职业教育内涵建设和转型发展。一般学校现有的条件下，受到实验设备投资限制，大型实验设备的操作实验不容易实现、装配工艺流程的教学讲解抽象难以理解。即使学校有能力建设这样的实验室，其设备维护的费用也相当惊人，利用虚拟现实技术，建设虚拟实验实训室，节约建设成本，节约基础建设空间，降低实验实训维护和消耗，提高实验实训效果和安全性，有效地解决场地、资金、管理和消耗等在建设实验实训中的矛盾。
3.2 汽车虚拟培训平台系统
该系统基于VR虚拟仿真技术的汽车实训平台的开发以培养汽车维修的优秀人才为目的而研发的汽车实训操作平台。
该系统基于“创壹Web3D虚拟现实三维互动教学平台”运行的网络虚拟实验3D环境，采用虚拟现实技术制作汽车主体及其部件，并具有逼真3D互动虚拟实验、3D动画演示、声音与相关原理文字自动同步显示、3D汽车模型或其部件模型任意方向旋转及视点变换的功能。能够实现大量并行用户快速下载及构建渲染动态3D场景，确保用户与3D场景互动的即时性，所有部件都可360度全方位观看，具有直观立体，真实互动的效果。
该系统的主要功能涵盖：汽车结构解析、总成和零部件拆装工艺、总成和系统工作原理动画实现、虚拟故障现象和诊断排除等，用户不仅可以动手对汽车产品进行虚拟仿真操作，了解汽车每个细节，熟悉汽车工作原理，而且还可以进入“汽车故障诊断”进行多种情况下不同部件的机械及电路故障排除模拟操作，从而能够积累实践经验，也可为汽车企业减少了不少培训成本。 汽车虚拟培训平台系统包括了汽车驾驶、汽车结构与拆装、汽车的修理、汽车故障诊断等，其中包含了大众（德系）、别克（美系）、丰田（日系）。分为教学、实训、考核三个模式，通过教学模式学习，就可以在实训模式进行设备拆卸和虚拟实验故障排除等各种操作，具有很强自主性；考核模式当教师编辑并派发了考试试卷后，对应学员登录后就会出现考试内容，并可实时记录保存，自动评分，使教师轻轻松松便可实现“无纸化”考试管理。
3.3 汽车虚拟培训平台系统性能指标
该平台系统是一套针对高校、职业院校或教育培训机构开发的快捷、可扩展性3D仿真汽修教学平台，系统采用B/S架构，整合Web3D仿真、Com组件、PHP动态网页、AJAX轻量交互等最新技术，基于Apache+MySQL高性价比解决方案。
在现在高等教育，逐步向信息化、互动性教学转型的过程中，该平台系统已包括以下数据安全与快速响应技术，通过可视化Web3DEditor三维仿真建模软件，让高校摆脱其它专业领域技术应用与整合的束缚，专注于自身优势教学内容改进与扩充，以能快速的构建自己精品课程、仿真互动课程整合平台，提高新教学内容的使用率及教学方式转型，突破传统教学模式的地域限制和时间限制，又不失传统的教学方式身临其境的效果。该平台系统采用C++、PHP、Javascript等主流语言程序开发，最后全部通过打包加密后再利用编译程序进行系统优化，这样大大加快了系统整体运行速度。支持的数据库为：大型的关系型数据库，如SQL Server， Oracel，MySQL等。本系统在运行过程中学员操作的3D动画的动作是通过TCP/IP 协议发送给服务器端程序的，而该系统中的 TCP/IP 协议采取的是UDP 用户数据包模式，这样就保证了数据不会轻易的丢失与延迟。
（1）3D汽修模型及智能控制动画，实现智能虚拟互动随意拆装， 并能自动判断拆装操作的正确性；（2）3D模型数据量小运行速度快（如一个发动机包括所有零部件在内的逼真3D模型数据量小于1MB）。（3）3D汽修智能虚拟电路检测；（4）3D汽修智能虚拟故障排除；（5）在虚拟汽修培训系统中实现128位随机加密；（6）动态3D场景传送；（7）动态场景渲染；（8）分布式3D数据库自动分区平衡各数据库负荷技术；（9）能够实现大量并行用户快速下载；（10）构建渲染动态3D场景确保用户与3D场景互动的即时性。
参考文献：
[1]常鹤晖.基于VR虚拟仿真技术的汽车专业课程建设[J].中国教育信息化，2014（18）.
[2]吴伯英，吴琼.虚拟现实技术在教育教学中的应用[J].科技成果纵横，2007（2）.
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