何丹青

摘 要：針對傳統(tǒng)實訓教學存在形式單一、時間空間受限、維運成本高、缺乏情景感等缺點，本文提出了一種基于Unity的虛擬仿真實訓平臺，并以機械設(shè)計課程中的減速器教學單元為例，闡述平臺的開發(fā)技術(shù)體系和應用于課堂教學的解決方案。經(jīng)測試，該平臺能顯著提升學生學習積極性，具有良好的交互性、沉浸性，能夠較好地提升了課堂教學的實效性。

關(guān)鍵詞：Unity；虛擬現(xiàn)實；教學應用；減速器；交互仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）16-0036-02

信息技術(shù)與教育全過程的深度融合是教育教學改革的重要內(nèi)容，也是實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的必由之路。必須高度重視信息技術(shù)對教育發(fā)展的革命性影響，構(gòu)建教育信息化體系，推動教育思想和理念的轉(zhuǎn)變，促進教育內(nèi)容、教學手段和方法現(xiàn)代化，更好地支撐教育改革和發(fā)展。傳統(tǒng)實訓教學存在許多不足之處：受限于設(shè)備、時間、場地等實訓條件，不能開展重復多次的實驗；由于經(jīng)費等原因，實驗耗材、器件、模型等教學硬件資源不能支持全覆蓋教學內(nèi)容，其維護、更新、升級成本很高；機電一體化、自動化等專業(yè)的一些實訓項目存在一定安全隱患，實訓危險系數(shù)較高；現(xiàn)有實訓模式單一，沉浸性、交互性、感知性差，學生在實訓時缺乏主動性。虛擬仿真技術(shù)是近年信息技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一類試驗研究的心技術(shù)。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)是虛擬仿真技術(shù)的一個重要方向，它是一種先進的人計算機接口技術(shù)，利用計算機生成一種三維的、基于感知信息的模擬環(huán)境，并使用戶“進入”到該環(huán)境中進行行為控制，從而實現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境的交互。VR技術(shù)最大特點就是用戶可以自然的與虛擬場景進行交互操作，可以實現(xiàn)人“身臨其境”的效果，有很強的沉浸感。VR技術(shù)廣泛應用于醫(yī)學模擬手術(shù)、產(chǎn)品的模擬裝配、儀器設(shè)備的模擬使用等領(lǐng)域，并在近幾年逐步應用于教育領(lǐng)域。

1 平臺簡介和解決方案

VR技術(shù)具有3I特性，即交互特性（Interaction）、沉浸特性（Immersion）和想象特性（Imagination）。它的應用研究包含了三維建模、人機交互、實驗對象的虛擬仿真、圖形學、數(shù)據(jù)庫等方面內(nèi)容。本文通過Unity引擎實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的交互，并以機械設(shè)計課程的減速器單元為例，對基于Unity的虛擬仿真平臺的開發(fā)技術(shù)體系和流程做簡要說明。

1.1 Unity簡介

Unity是一個用于創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的專業(yè)跨平臺開發(fā)引擎。

Unity的開發(fā)技術(shù)體系主要包含3D建模技術(shù)、UI技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)、Web開發(fā)技術(shù)和系統(tǒng)交互技術(shù)等。

Unity具有出色的跨平臺性，支持開發(fā)者跨越20余種不同平臺，包括WebGL、游戲主機、臺式機、VR設(shè)備和移動設(shè)備等。Unity圖像渲染引擎采用OpenGL、API和Direct3D，能支持Max、Maya、Lightwave、XSI、Pro-E等多種常用建模軟件輸出的模型文件。另外，強大易用的著色系統(tǒng)、地形編輯、物理特效、在線開發(fā)、項目發(fā)布和光影渲染等功能支撐，使得Unity具有簡單易學、靈活便捷、高性能等特性。

1.2 解決方案

基于開發(fā)技術(shù)體系，Unity的開發(fā)流程主要包括內(nèi)容導入、內(nèi)容編輯和內(nèi)容發(fā)布三個階段。其中，內(nèi)容導入階段包含3D模型、圖片、音效和視頻等素材的導入；內(nèi)容編輯階段包含VR開發(fā)引擎、插件、第三方服務器等步驟；內(nèi)容發(fā)布可以有應用程序單機發(fā)布、在線發(fā)布、移動設(shè)備發(fā)布等多種形式。開發(fā)完成后，支持VR外設(shè)，可以進行沉浸式體驗。針對課堂教學，設(shè)計基于Unity的虛擬仿真平臺的系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

2 交互仿真測試

以機械設(shè)計課程中的減速器教學單元為例，測試基于Unity的VR技術(shù)在課堂教學中的應用實效。

2.1 教學內(nèi)容與要求

齒輪減速器教學內(nèi)容與要求包括：傳動機構(gòu)與裝置原理講解、演示；減速器設(shè)計、計算與零件圖建模；減速器的測繪、裝配與調(diào)整等。本文選用典型齒輪減速箱作為交互仿真測試案例，如圖2所示。

2.2 交互仿真

經(jīng)過3D建模、內(nèi)容輸入、內(nèi)容編輯（交互操作等）、內(nèi)容發(fā)布等步驟，用Unity開發(fā)齒輪箱單元交互虛擬教學demo，如圖3所示。

該交互仿真包含知識點講解、零件拆解、動態(tài)演示。相比一般的虛擬仿真，基于Unity的虛擬仿真加入了VR技術(shù)，可以讓學習者沉浸在真實的情景中，實現(xiàn)全方位的實驗觀察；同時，學習者可以拆解裝配體，對零配件個體進行觀察分析，整個過程無需考慮設(shè)備順壞和人身安全問題；另外，可以直觀學習、理解、解析減速器的內(nèi)部工作狀態(tài)，這是在真實實驗中無法實現(xiàn)的。

3 結(jié)語

加快推進信息化教學進程，促進信息技術(shù)與教育全過程的深度融合，是實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的必由之路。本文在研究基于Unity的VR技術(shù)的基礎(chǔ)之上，充分比較傳統(tǒng)實訓與虛擬仿真實訓之間的優(yōu)缺點，以減速器教學單元為例，闡明了基于Unity的虛擬仿真平臺在課堂教學中的應用思路和系統(tǒng)框架。該平臺具有以下特征：實驗情境逼真，交互性強，顯著提高學生學習興趣；學習不受時間、空間限制，資源可共享性強；有利于提高學生時間操作能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力；有效降低教學成本，節(jié)約教學資源，提高實驗實訓安全系數(shù)；有助于提升課堂教學質(zhì)量，推動教育教學改革。此外，該虛擬仿真平臺在交互體驗、在線教學等方面有很大的提升空間。

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