虚拟现实软件在煤矿机电专业课程教学中的应用

摘 要:虚拟现实技术能够对设备和场景进行重建,使用虚拟现实技术对机电专业课程进行开发,能够达到良好的教学效果.同时,虚拟现实技术也可以应用在采煤、化工、地质等专业的教学中,替代部分现场教学过程.

关 键 词:虚拟现实教学煤矿机电虚拟实训

中图分类号:G434文献标识码:A文章编号:1674-2117(2014)16-00-02

1前言

煤矿类教育教学中存在诸多难题,其中表现最为突出的是现场教学.由于煤矿条件复杂且要求严格,要大批进行实地现场教学难度非常大,不能保证安全,尤其体现在采煤、井下地质构造、机电设备类课程的教学中.近几年来,煤矿机电设备发展迅速,传统的教学方法、方式已不能满足实际教学要求.虚拟现实软件在此提供了有力的补充,它可将现实的场景及设备按比例进行建模,利用计算机来模拟设备运行,实时对设备进行虚拟操作,已达到良好的学习效果.

2《煤矿运输提升设备》虚拟现实教学开发

虚拟现实教学也叫计算机模拟教学,它利用计算机和其他专用虚拟现实硬件、软件模拟一个逼真的环境,通过参与者与“模拟环境”的交互作用来进行教学与学习,是一种双向交互式教与学的教学形式.它不仅适用于课堂教学,使课堂教学更加形象和生动,也适用于互动性实验实训教学中.虚拟现实软件在大型游戏的开发中使用非常广泛,操作者可以进入虚拟世界与其互动.在煤矿机电专业教学中也可以对整个矿井所有设备及整个系统进行虚拟,让初学者能够身临其境地进入到矿井现场进行学习,了解整个矿井所有组成系统的作用和具体岗位职责,模拟进行实训操作以达到预期教学目的.

2.1理论教学环节开发

设备类课程的理论教学主要讲的是设备结构及其原理,这就需要能够直观看到设备本身,其现场教学效果也远远好于课堂教学,在课堂教学受到限制的情况下,虚拟现实软件就显得尤为重要.虚拟现实的第一步是建模,对设备进行建模的方法很多,可以采用常见的建模软件,如Pro-e、UG、Catia、SoiledWorks等工具进行建模.以上四种软件均为机电设备常用建模软件,这些软件可以准确地对设备所有零件进行数字化建模并组装,还可以计算每个零件之间的干涉情况,更真实地反应设备实际装配情况,用3Dax进行着色或贴图后,预览可得到逼真的立体效果.其他非机械类课程也可以直接使用3Dax进行建模.最后,把所得到的模型数据导入虚拟现实软件Qutes3D中进行整合,并且添加必要的物理及逻辑关系,实现机电设备的虚拟和互动.以下为液力耦合器教学开发过程.

利用Pro-e进行建模:首先在软件内通过草绘、拉伸、旋转、扫描等工具,根据零件具体尺寸建立零件模型,如图1所示.然后新建“组件”模块,把所有已经建模零件根据其装配关系进行模拟装配,如图2所示.最后把组件模块另存为stl格式文件(用三角网格来表现3D模型的文件)以便于把模型能够导入3Dax内进行处理.

利用3Dax进行着色或贴图,也可以建立一些没有尺寸要求的模型,如果需要场景也可以在3Dax内实现.最终把所有模型和场景都要另存为x格式文件(记录模型顶点数据和连线情况的文件),这样就可以把数据导入到Quets3D内进行组合、模拟、互动.


使用Quest3D实现模型场景重建,软件内部本身自建了许多模块,如场景Scene、物体Objects、逻辑Logic、变量Variables、动画Animation、声音Sound、物理仿真Physics,只需要直接拖动并连接实现逻辑关系就能够得到预期的效果.本例通过软件渲染出液力耦合器的3D模型,通过人机交互可以对液力耦合器进行拆卸和安装、外壳变为半透明、模拟内部零件工作时的旋转运动,并在整个过程中通过操作鼠标实现视角的变换,全方位直观的展现液力耦合器的结构及工作原理.如图3所示.

在液力耦合器结构原理的教学中,经统计通过传统教学班级中认真听课人数占比约为85%,10分钟后约为60%;虚拟现实教学利用计算机建模,通过模拟拆解可以清晰地看清楚其结构组成和工作过程,并在操作过程中进行讲解,班级中认真听课人数占比达到95%以上,10分钟后仍然在85%以上,可以看出利用虚拟现实技术在设备类课程的教学中,教学效果及学生持续认真听课时间都远远好于传统教学.

2.2实训教学环节

调度绞车拆装操作实训,是《煤矿运输提升设备》课程当中非常重要的实训环节,实训内容包括调度绞车拆卸和安装、磁力启动器与绞车的接线、绞车运转操作,一次实训需要三小时左右.学生直接进行操作实训,完成任务难度很大,设备也容易在不断地拆卸安装过程中出现故障,且实训设备数量有限,不可能同时满足全班同时进行实训,通过虚拟现实技术可以解决以上问题.虚拟现实软件可以重现拆卸和安装步骤,先让学生熟悉实训操作过程,再通过软件的人机交互功能,模拟进行拆卸安装,合格后再进行实际操作.提高了学习效率、降低了设备使用频率、延长了设备的使用时间.

3结语

通过完成虚拟现实软件对《煤矿运输提升设备》课程开发,可以看出虚拟现实教学可以弥补课堂内的不足,能够充分调动学生的学习积极性,突破教学的重点、难点,在培养学生技能的实训教学环节也起到积极的作用.同时虚拟现实软件也适用模拟较危险的生产现场,如采煤、化工等专业,弥补其现场教学的不足.

(陕西能源职业技术学院机电工程系,陕西咸阳712000)

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