3D技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境建設(shè)中的應(yīng)用

李 晶 陳 軍

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210000)

1 Unity3D技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中的優(yōu)點

1.1 形象直觀、方便教學(xué)

采用基于Unity3D技術(shù)的實訓(xùn)教學(xué)可以將原本抽象的、在實訓(xùn)場地和課堂內(nèi)無法很好呈現(xiàn)的、學(xué)生學(xué)習(xí)困難的教學(xué)難點通過虛擬現(xiàn)實的方法展現(xiàn)出來。通過在虛擬現(xiàn)實世界中與虛擬物品進(jìn)行交互，變抽象知識為形象知識，讓學(xué)生可以全面地學(xué)習(xí)到相關(guān)的實訓(xùn)專業(yè)課知識。

3D技術(shù)在實訓(xùn)中可以采用音頻和視頻交互的形式與學(xué)生直接進(jìn)行交流，在進(jìn)行相關(guān)課程設(shè)計時可以借鑒傳播學(xué)和教育學(xué)的相關(guān)原理，選擇有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解的方式進(jìn)行教學(xué)，從而達(dá)到高效率備課、高質(zhì)量上課和方便老師教學(xué)的目的。

1.2 材料低損耗、人身低危險

由于高職院校的許多實訓(xùn)教學(xué)都是模擬工廠現(xiàn)實環(huán)境，而學(xué)生基本沒有操作設(shè)備的經(jīng)驗和知識技術(shù)儲備，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)由于誤操作引起的各種危險。而采用Unity3D技術(shù)的虛擬實訓(xùn)教學(xué)則可以在電腦和虛擬設(shè)備上進(jìn)行。在虛擬環(huán)境中掌握基礎(chǔ)操作知識后，再配合有限的真正的實物實訓(xùn)，從而在最大程度上保證學(xué)生和設(shè)備的安全。

對于制造業(yè)類的實訓(xùn)室而言，教學(xué)活動消耗的耗材是學(xué)校很高的一筆經(jīng)濟支出。很多學(xué)校雖然有建設(shè)實訓(xùn)室的資金，但是面對高昂的維護和耗材成本，經(jīng)濟壓力很大。而采用3D技術(shù)技術(shù)進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)，將材料的損耗降到最低，這對降低學(xué)校教學(xué)成本和提高教學(xué)質(zhì)量有很重要的意義。

1.3 設(shè)備和零件的真實再現(xiàn)

采用Unity3D技術(shù)可以通過三維建模軟件模擬出各種耗材、零件、設(shè)備和環(huán)境，可以近距離地觀察設(shè)備和零件，了解其相關(guān)知識并360°全方位地觀察零件。通過虛擬裝配可以模擬實訓(xùn)裝配過程的各個環(huán)節(jié)，老師可以事先錄制好引導(dǎo)教程，并在教學(xué)的重難點部分打上標(biāo)記，讓學(xué)生可以更好地學(xué)習(xí)，也可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主學(xué)習(xí)能力。特別是對于諸如化工和消防等實訓(xùn)課程，Unity3D技術(shù)可以仿真出一個模擬現(xiàn)場的環(huán)境，讓學(xué)生體驗到平時課堂上無法演示的場景和學(xué)習(xí)一些危機應(yīng)對知識。Unity3D技術(shù)對零件的再現(xiàn)并不是簡單地對零件進(jìn)行拍照展示，而是在三維建模和掃描的基礎(chǔ)上進(jìn)行零件的重新展示，特別重要的一點是，采用Unity3D技術(shù)可以從不同角度和界面對零件進(jìn)行解釋，甚至直達(dá)真實零件都很難進(jìn)行的教學(xué)角度，從而實現(xiàn)加深學(xué)生理解的作用。

1.4 交互性學(xué)習(xí)，提高學(xué)生興趣

在實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境中采用Unity3D技術(shù)可以有利于教師對課程設(shè)計進(jìn)行大膽創(chuàng)新，Unity3D技術(shù)為教師教學(xué)提供了更多的工具和可能性，可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)樂趣。許多實訓(xùn)課程中可以加入眾多的交互學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，大大地提高了學(xué)生的動手實踐能力，促進(jìn)學(xué)生將課堂上學(xué)習(xí)的知識引入實踐中。許多研究結(jié)果都表明，學(xué)生覺得能夠通過3D技術(shù)與機器進(jìn)行直接地交互是一種非常好的學(xué)習(xí)體驗，可以極大地提高他們的學(xué)習(xí)樂趣和學(xué)習(xí)信心。新的課程改革對學(xué)生的實操能力提出了更高的要求，而采用交互式學(xué)習(xí)可以極大地提高學(xué)生拆解知識的能力，大大提高學(xué)生的動手能力。

1.5 及時更新設(shè)備，與企業(yè)需求接軌

過去建設(shè)高職實訓(xùn)中心中一個較大的問題就是設(shè)備的更新?lián)Q代問題，因為諸如機床、加工中心、機器人等實訓(xùn)設(shè)備都是屬于重資產(chǎn)，而隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，這些設(shè)備的更新?lián)Q代又很快，經(jīng)常出現(xiàn)學(xué)校教授的課程跟不上企業(yè)技術(shù)更新速度的情況。而采用Unity3D技術(shù)可以直接與企業(yè)實際需求對接，用軟件模擬出最新技術(shù)設(shè)備，讓學(xué)生在學(xué)校虛擬仿真中心就可以進(jìn)行最新設(shè)備和技術(shù)的實訓(xùn)，直接為就業(yè)打下基礎(chǔ)。

2 Unity3D技術(shù)在實訓(xùn)教學(xué)中應(yīng)用實例

本文以Unity3D技術(shù)在工業(yè)機器人實訓(xùn)教學(xué)中應(yīng)用為例，介紹了Unity3D技術(shù)的具體應(yīng)用方式。但是工業(yè)機器人專業(yè)涉及大量的實訓(xùn)課程，而機器人實訓(xùn)室的建設(shè)成本和對師資的要求較高。許多高職院校在工業(yè)機器人實訓(xùn)方面都存在設(shè)備較少和教師水平不足，教學(xué)質(zhì)量較低等問題，因此，引入Unity3D技術(shù)等虛擬現(xiàn)實技術(shù)對機器人進(jìn)行虛擬實訓(xùn)可以很好地解決這些問題。

本文教學(xué)采用的是5自由度的KUKA機器人進(jìn)行虛擬仿真，采用Unity3D技術(shù)構(gòu)建出機器人使用的虛擬環(huán)境和機器人主體。通過操作真實的KUKA機器人控制手柄，具有很好的真實性和交互性，學(xué)習(xí)效果較好。首先，虛擬機器人主體按照1∶1的比例在軟件中進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入Unity3D軟件中進(jìn)行渲染，并添加各個關(guān)節(jié)之間的運動和約束關(guān)系，并進(jìn)行關(guān)節(jié)限位設(shè)置。其次，采用Unity3D中的渲染插件對機器人實際應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行軟件模擬，采用Unity3D中的材質(zhì)插件對機器人表面進(jìn)行膚質(zhì)和光影調(diào)節(jié)，最后創(chuàng)造出逼真的虛擬環(huán)境。然后，對虛擬場景的運行腳本進(jìn)行編制，結(jié)合機器人控制手柄的命令，結(jié)合Unity3D軟件中預(yù)置的腳本工具對機器人的多種動作控制進(jìn)行腳本編寫。通過一系列工作，就可以采用控制手柄對虛擬機器人進(jìn)行全方位地控制和操作了。學(xué)生可以在計算機上學(xué)習(xí)各種原本需要進(jìn)入機器人實訓(xùn)室才能學(xué)習(xí)的知識，從而大大提高了學(xué)習(xí)效率。

3 結(jié)語

本文主要介紹了Unity3D技術(shù)應(yīng)用于高職實訓(xùn)教學(xué)中的特點和優(yōu)勢，并以KUKA機器人的虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)為例，介紹了Unity3D技術(shù)的應(yīng)用流程。