VR技術(shù)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

熊燕帆，何錫武

（武漢城市職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430064）

0 引言

隨著德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的實施，對高等工科院校培養(yǎng)適應(yīng)社會主義現(xiàn)代化建設(shè)要求、兼具工程實踐能力和創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才提出了新的要求。如何加強對實訓(xùn)基地的建設(shè)，如何改善實訓(xùn)教學(xué)模式、創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)的方式和手段，成為高校著重思考的重大問題。

VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用逐步增多，已有部分高校、學(xué)術(shù)機構(gòu)等開始使用虛擬實驗來補充教學(xué)[1]。然而，目前VR在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用十分罕見。

1 VR技術(shù)概述

VR（Virtual Reality）技術(shù)，也叫虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它是一種將信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的計算機虛擬仿真系統(tǒng)[2]。通過交互技術(shù)、人機界面技術(shù)等各種技術(shù)手段讓學(xué)習(xí)者可以通過與計算機進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)。

VR技術(shù)有三個重要特征：（1）沉浸性。VR技術(shù)主要通過運用計算機來構(gòu)建一個虛擬環(huán)境，需要借助于頭盔、耳機等輔助設(shè)備，達(dá)到獲得與真實世界一樣的感覺，為用戶營造出一種身臨其境的感覺。（2）交互性。在計算機為用戶構(gòu)建的虛擬環(huán)境中，用戶可以通過操作手柄、鍵盤、耳機等設(shè)備，達(dá)到操控虛擬物體并獲得反饋的效果。（3）想象性。VR技術(shù)不僅能通過構(gòu)建虛擬環(huán)境來模擬一個現(xiàn)實世界，還能運用相關(guān)技術(shù)來模擬一個不存在的環(huán)境，這正是從創(chuàng)新的角度體現(xiàn)出的VR技術(shù)的作用。

2 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 實訓(xùn)教學(xué)過程及內(nèi)容

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實訓(xùn)教學(xué)中主要以INDUSTRY 4.0工業(yè)網(wǎng)絡(luò)智能工廠為藍(lán)本，基于信息物理INDUSTRY 4.0工業(yè)網(wǎng)絡(luò)智能工廠，融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)自動化的生產(chǎn)，將虛擬工廠與實際的對象結(jié)合起來，實現(xiàn)機器、工件和組件之間全面點對點的信息通信，實現(xiàn)生產(chǎn)制造自動化、流程管理數(shù)據(jù)化、企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)化等[3]。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的實訓(xùn)教學(xué)涵蓋了PLC、現(xiàn)場總線、分布式I/O、變頻器、傳感器、伺服電機、直流電機、人機界面、云臺數(shù)據(jù)庫、工業(yè)機器人、三維打印、視覺檢測和組態(tài)軟件等多種技術(shù)。通過對工業(yè)自動化及網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備的安裝、接線、診斷，PLC、組態(tài)軟件和觸摸屏的編程、調(diào)試等，實現(xiàn)對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)全集成技術(shù)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)智能工廠的相關(guān)技能訓(xùn)練。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)教學(xué)設(shè)備實物圖如圖1所示，整個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)教學(xué)設(shè)備主要完成藥瓶的生產(chǎn)與灌裝的工作，并將灌裝好的藥瓶自動擰蓋并安放到固定的架子上，并將數(shù)據(jù)報送給上位機。在上位機生產(chǎn)管理系統(tǒng)上能查看詳細(xì)的派發(fā)訂單信息和實際完成的訂單信息并能下發(fā)訂單到下位機。學(xué)生需學(xué)習(xí)整個產(chǎn)線的搭建并了解下位機端的數(shù)據(jù)如何上傳至上位機，了解工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法。

由于整套設(shè)備價值百萬，教學(xué)中無法購置多套設(shè)備供學(xué)生拆裝與調(diào)測，必須使用VR虛擬仿真系統(tǒng)，供學(xué)生仿真學(xué)習(xí)。整個數(shù)據(jù)走向如圖2所示，終端產(chǎn)線的數(shù)據(jù)、各種傳感器的數(shù)據(jù)、智能相機的數(shù)據(jù)等都上傳至PLC，通過工業(yè)交換機、路由器實現(xiàn)PLC、觸摸屏、上位機等各類設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互通。整個教學(xué)過程涵蓋了通信、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、機器人等多學(xué)科知識的融合，知識難度大且學(xué)生不易上手學(xué)習(xí)。

2.2 實訓(xùn)教學(xué)中存在的問題

針對以上工業(yè)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的實際情況，具體來說，存在以下問題：

2.2.1 學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)，易發(fā)生誤操作，設(shè)備損耗大

由于學(xué)生處于學(xué)習(xí)階段，剛接觸設(shè)備，沒有任何實操經(jīng)驗，極易發(fā)生誤操作，導(dǎo)致設(shè)備損壞或損耗，甚至有安全隱患。在課堂上一位老師很難看護(hù)好所有學(xué)生的試驗全過程，稍不留意可能發(fā)生安全故事。

2.2.2 設(shè)備的更新速度難以更上新技術(shù)的變革

由于機電類的實訓(xùn)設(shè)備費用昂貴，一套設(shè)備至少使用五年甚至更長時間。而社會新技術(shù)不斷發(fā)展，學(xué)校的教學(xué)設(shè)備很無法跟上新技術(shù)革新的速度，導(dǎo)致學(xué)校培養(yǎng)的人才與企業(yè)所需要的人才無法匹配，影響學(xué)生的就業(yè)和長期發(fā)展。

2.2.3 教師教學(xué)示范效果不佳

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)課程開始時，教師會手把手給學(xué)生演示一遍如何操作，但是由于實訓(xùn)場地環(huán)境吵雜，所有學(xué)生圍在一起觀看效果很差，教學(xué)效果大打折扣[4]。

3 VR技術(shù)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)實訓(xùn)中的應(yīng)用

為了解決專業(yè)教學(xué)中存在的設(shè)備難、教學(xué)難的問題，VR虛擬仿真用于教學(xué)勢在必行。本課題設(shè)計的虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)主要完成指導(dǎo)學(xué)生在虛擬場景中完成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)平臺的搭建和使用。采用與類似游戲的操作體驗，盡可能讓學(xué)生打開軟件即可上手，從而大大減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)成本，通過游戲化的操作方式充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，主動探究任務(wù)的完成，從而達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

本虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)通過一個個具體案例，按照真實操作場景，逐步向用戶展示設(shè)備的操作過程，同時配以相應(yīng)的語音和文字解說。教學(xué)過程可進(jìn)行任意拖放跳轉(zhuǎn)，便于用戶對某些需特別強化的知識點進(jìn)行針對性學(xué)習(xí)。

對于一般流程較為固化的知識點，如一般設(shè)備的運行原理展示、拆裝過程展示、操作展示等，采用通用的“教”“練”“考”程序流程，讓學(xué)生邊學(xué)邊練，最終通過考試檢驗學(xué)習(xí)效果。

“教”的過程就類似教師示范的過程，真實地還原相關(guān)設(shè)備的實際外形與操作原理，生動而直觀地向用戶展示仿真對象的基本操作過程。

“練”的過程中學(xué)生可以邊看邊模擬操作過程，遇到問題系統(tǒng)會有提示如何進(jìn)行下一步。練過程中，用戶還是按照教的流程進(jìn)行學(xué)習(xí)，所不同的是，在所有需要操作的觸發(fā)點，用戶都需要自己手動進(jìn)行交互操作，通過這樣的方式加深用戶的理解，并且增強仿真軟件的趣味性[5-6]。

“考”的過程就是學(xué)生自己動手模擬操作過程。啟用考功能后，設(shè)備操作將沒有任何提示，用戶需要按照之前學(xué)到的知識進(jìn)行考核鞏固?？荚囎詈髸詣由煽己顺煽儯涗浻脩魧嶋H考試的每一步操作[7-8]。

4 結(jié)語

對于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)中存在的各種問題，VR技術(shù)的應(yīng)用是提高其教學(xué)便捷性和有效性的一種非常關(guān)鍵的技術(shù)方案。