虚拟现实技术赋能的《模具设计与制造》实证研究

楼市 2024-10-18 16:01 广西

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1 VR技术概述

1.1 VR技术的发展历程

VR技术在教育领域的发展经历了从早期探索到现代应用的演变过程。最初，VR技术在教育中的应用集中在模拟训练和特定技能的培养上，如飞行模拟器用于飞行员训练，医学模拟则用于外科手术的训练。这些应用凸显了VR技术在提供安全、可控且重复性高的训练环境方面有独特优势。

进入21世纪，随着技术的成熟和成本的降低，VR技术开始逐渐进入普通教育领域，为各级各类教育带来了创新的教学工具和方法。教育者和研究人员开始探索VR技术在语言学习、历史教育、地理知识和自然科学等领域的应用潜力，发现它能为学生提供身临其境的学习体验，增强学习的趣味性和互动性，提高学习效率和成效。

在教育理论的支持下，VR技术的教育应用开始更加注重学习者的主动参与和体验式学习，如通过VR技术，学生可以虚拟参观历史遗迹、体验不同的文化环境，甚至与历史事件中的人物进行互动，这种沉浸式和情境化的学习方式被证明能够深化学生的理解和记忆。

近年来，随着VR技术与移动技术、云计算和大数据等新兴技术的融合，VR技术在教育中的应用变得更加多样化和个性化。个性化学习路径的设计、虚拟实验室的构建以及协作式学习环境的创建等应用不断涌现，这些创新的应用不仅拓宽了教育的边界，还为传统教育模式带来了挑战和补充。

VR技术在教育领域的发展历程体现了从边缘到主流的转变，从专业技能训练到普遍教育应用的拓展。未来，随着技术的进一步成熟和教育理念的不断创新，VR技术有望在促进知识传播、提高教学质量和推动教育公平等方面发挥更大的作用。

1.2 VR技术在教育领域的应用研究

VR技术在教育领域的应用已经成为当前教育技术研究的热点之一，开启了一种全新的教与学模式。VR技术通过创造沉浸式、交互式的虚拟环境，使学习者能够以全新的视角和方式进行学习，这种方式在很多方面都显示其独特的优势。

从认知心理学的视角来看，VR技术之所以在教育领域得到广泛应用，与其能提供的沉浸式学习体验密切相关。沉浸式学习环境能够激发学习者的感官体验，增强其情感参与度，促进记忆的形成和知识的吸收。根据康斯特鲁克提维斯姆理论，学习是一个主动构建知识的过程，而VR技术为学习者提供了丰富的、可操作的虚拟环境，使学习者能通过亲身体验和实践来构建和理解知识。

在实践层面，VR技术已经被应用于各个教育层次和领域中。在医学教育领域，VR技术使学生可以在无风险的环境中进行外科手术的模拟训练，这不仅提高了教学的安全性，还提升了学习效率。在地理和环境科学教育中，通过VR技术，学生可以直观地了解复杂的地理现象和环境问题，增强其对地理知识的理解和环境意识。此外，VR技术还被用于历史教育中，通过重现历史事件和场景，帮助学生更好地理解历史脉络和文化背景。

尽管VR技术在教育领域展现巨大潜力，但其普及和应用也面临诸多挑战。首先，高昂的设备成本和开发费用是主要障碍之一。为此，教育机构和研究人员需要寻找成本效益高的VR解决方案，同时，开发开源和共享的VR教育资源也是降低成本的有效途径。其次，教师对于VR技术的接受度和应用能力不足也是制约因素之一，因此需要加强教师的专业培训和技术支持。此外，如何评估VR教育应用的效果也是当前研究的重点之一，需要开发有效的评估工具和指标，以量化VR技术在教育中的应用效果。

VR技术在教育领域的应用正在不断深化和拓展，不仅改变了教学内容的呈现方式，还正在重塑教学方法和学习体验的本质。通过提供互动性强、情境真实的虚拟环境，VR技术不仅有助于提高学习效率和效果，还能够满足不同学习者的个性化需求，促进包容性教育的实现。

未来，随着技术的不断进步和教育需求的不断变化，VR技术在教育领域的应用将进一步拓展。一方面，技术创新如增强现实（augmented reality, AR）与VR的结合、5G网络的普及、人工智能（artificial intelligence, AI）技术的融合，将为VR教育应用带来更多可能性，使虚拟教学环境更加真实、互动性更强、内容更加丰富多样。另一方面，教育理论的发展也将指导VR教育应用的研究，探索更有效的教学策略和学习方法，以适应不断变化的教育需求。

2 《模具设计与制造》课程教学现状

2.1 课程教学现状概述

在探索高职《模具设计与制造》课程教学的现状时，发现学生面临多重挑战，这些挑战影响了他们的学习效果和教育体验。大多数学生在入学前没有接触《模具设计与制造》课程，对这门课程充满了好奇和兴趣。然而，随着课程的深入，学生的学习热情逐渐降低，学习积极性也减弱。

传统的“灌输式”教学方法虽然使《模具设计与制造》的教学进度较为完善，但这种单向的教学方式使部分学生逐渐习惯于被动接受知识，缺乏主动探索和实践的机会。这种教学模式并不利于培养学生的自主学习能力和合作学习的习惯，也不利于理论知识与实践技能的有效结合。

《模具设计与制造》课程具有挑战性，尤其体现在提升学生的空间想象力方面，空间想象力不仅是学生掌握设计制图技能的基础，还是模具设计创新和问题解决能力的关键。然而，学生的学习背景差异大，空间想象力的个体差异也较明显，这导致传统的教学模式难以适应所有学生的学习需求。在传统教学环境下，学生只能通过平面的图纸和文字描述理解复杂的三维结构，对于空间想象力较弱的学生，容易感到迷茫和挫败。

提升高职学生在《模具设计与制造》课程中的空间想象力是提高教学质量和学习效果的关键。传统的教学方法需要与现代教育技术相结合，通过创新的教学模式和手段满足学生的个性化学习需求，激发学生的学习兴趣，提高其学习积极性和参与度，帮助学生更好地掌握《模具设计与制造》课程的核心知识和技能，为其未来的职业生涯奠定基础。

2.2 存在问题及需求分析

在高职《模具设计与制造》课程的教学过程中，面临的主要问题包括学生空间想象力的不足、传统教学方法的局限性、学生学习积极性的缺乏以及教学资源的单一性。这些问题在相互作用下，影响了学习效果和教学质量。为了解决这些问题，需要对现有教学模式进行需求分析，并探索有效的改进策略。

（1）在高职《模具设计与制造》课程中，学生在空间想象力的培养、保持学习积极性以及适应传统“灌输式”教学方法等方面遇到了挑战。由于缺乏针对空间想象力的预先训练，结合教学资源的单一性和课程内容的抽象性，学生难以在设计制图学习中取得良好的成效。这些问题反映了现有教学模式在激发学生兴趣、提供实践机会以及支持个性化学习需求方面的不足。

（2）为提升《模具设计与制造》课程的教学成效，需采用互动参与的创新教学法，如案例学习、项目驱动及翻转课堂，增设实践操作与实验环节，运用VR等现代技术优化学习体验，实行个性化教学策略，并开发多样化的教学资源，激发学生学习兴趣，提高其自主学习能力和实践技能。

（3）《模具设计与制造》课程的教学改革需从创新教学方法、增强实践训练、应用现代教育技术、个性化教学设计以及丰富教学资源等多方面着手。通过综合应用这些策略，旨在解决当前教学中存在的问题，提升学生的学习体验和成效。具体而言，创新的教学方法能打破传统的“灌输式”教学模式，使课堂变得更加生动，激发学生的学习兴趣和积极性。通过增加实践训练，学生能将理论知识应用于实际操作中，加深对模具设计与制造过程的理解，提升操作技能和创新能力。

（4）在教育中应用VR和AR等先进的信息交互技术可为学生提供直观、互动的学习环境，特别是在培养空间想象力方面具有独特优势。这些技术能帮助学生克服传统教学中难以直观展现的三维空间关系问题，使学生在虚拟环境中通过模拟操作加深理解和提高学习效率。

通过上述多方面的改进和创新，高职《模具设计与制造》课程的教学将能更好地匹配现代教育的要求，满足学生的学习需求，促进学生综合能力的提升，为学生未来的职业生涯和持续发展奠定基础。未来教学改革需要教育工作者、课程设计者和技术开发者的共同努力，不断探索和实践，以实现教学模式的持续创新和优化。

3 VR技术在《模具设计与制造》课程中的应用

3.1 课程设计与开发

3.1.1 VR教学内容开发

《模具设计与制造》课程作为模具工程领域的核心技术基础课，其实践性和应用性强，对于未来从事模具设计与制造工作的高职学生，掌握该课程是进入模具行业的必备条件。通过分析课程教学大纲，可以确定每个教学单元的目标、内容以及面临的挑战。课程内容涵盖了从模具设计的基础理论到复杂模具系统的实际应用，如注射模设计和冲模设计等多个关键领域。

在课程结构中，特别将“注射模设计”和“冲裁工艺与模具设计”2个模块作为VR技术教学实施的焦点，因为这两部分不仅涉及模具设计的基本理论知识，还包含了大量的实践操作和技术应用，是理论知识与实践技能结合的重要环节。通过在VR环境中对这2个模块的教学，旨在利用VR技术的直观性和互动性，帮助学生理解模具设计的原理和工艺流程，增强学生的空间想象力和工程实践能力，提高学生的综合设计与制造能力。融入VR技术的教学内容如表1所示。

表1 VR技术融入《模具设计与制造》课程教学内容

（1）注射模设计。在“注射模设计”课程模块的教学过程中，VR技术可以用来模拟注射模的工作原理和结构组成，让学生在虚拟环境中观察和分析模具的典型结构、浇注系统、成型零部件、结构零部件以及推出机构等。学生可以通过互动操作更好地理解注射模设计的每个细节，包括温度调节系统和侧向分型与抽芯机构的设计。这种直观和互动的学习方式不仅能提升学生的空间想象力，还能增强学生对模具设计原理和工艺流程的理解，提高设计技能和问题解决能力。

（2）冲裁工艺与模具设计。对于“冲裁工艺与模具设计”课程模块，VR技术同样发挥着重要作用。学生可以在虚拟环境中模拟冲裁变形过程和断面特征，理解冲裁间隙，凸、凹模刃口尺寸的计算以及冲裁工艺参数的计算。通过与虚拟模型的交互操作，学生能直观地看到不同冲裁条件下零件的排样与搭边以及冲模的典型结构和零部件设计。这种沉浸式的学习体验有助于学生理解冲裁工艺，提高读图能力和空间想象力，同时锻炼学生的设计和创新能力。

通过将VR技术融入“注射模设计”和“冲裁工艺与模具设计”教学中，可以为学生提供更加直观、互动的学习体验，有助于提升学生的专业技能和创新能力。这一教学改革要求教育者、技术开发者和学生共同努力，探索和实践最佳的VR应用方式，以实现教学模式的持续创新和优化。

3.1.2 VR教学环境构建

在《模具设计与制造》课程中，将VR技术应用于“注射模设计”和“冲裁工艺与模具设计”2个关键教学环节，旨在通过提供沉浸式和互动式的学习体验增强学生对这些复杂过程的理解和掌握。开发针对这2部分的VR教学资源，需经过需求分析、模型制作、场景建构、交互设计及测试评估等流程，以提升学生的空间想象能力与立体绘制能力，包括利用三维建模软件打造逼真模型，通过Unity 3D搭建教学场景，并使用C#语言进行交互功能编程，最后通过手机等VR设备测试教学资源的实际应用效果，并根据反馈进行优化，具体流程如图1所示。

图1 教学环境构建流程

3.2 教学实施过程

3.2.1 教学活动设计

在探索VR技术在《模具设计与制造》课程中的应用，通过一系列精心设计的教学活动，旨在评估VR教学对提高学生学习动机、成绩、识图绘图能力以及空间想象力的影响。通过选定“注射模设计”和“冲裁工艺与模具设计”2个模块作为教学实践案例，以期通过实验班（采用VR教学）和对照班（采用传统教学）的比较，分析VR技术的教学效果。

（1）习题驱动：以具有实践意义的设计问题为起点，引发学生的学习兴趣和求知欲。通过分组讨论和解决问题的方式，激发学生的学习主动性，同时促进团队合作与交流。

（2）演示VR眼镜：介绍VR眼镜的使用方法和注意事项，通过示范和互动让学生熟悉VR设备，消除技术障碍，为后续的VR教学做好准备。

（3）组织实施：在VR环境中，学生独立或小组合作完成模具设计图的绘制。该环节不仅训练学生的识图和绘图能力，还通过沉浸式体验培养学生的空间想象力。

（4）读模具结构：利用VR技术展现模具的三维结构，使学生能够从多角度和多维度理解模具的复杂构造，激发学生的逆向思维和创新思维。

（5）成果评价：注重过程性评价和自我评价，引导学生思考学习过程中的收获与不足，鼓励学生之间进行互评，以增进学习的深度和广度。

（6）注意事项：总结和强调学生在学习过程中常犯的错误和关键知识点，通过复习巩固所学内容，确保学生能够正确理解和应用相关知识。

3.2.2 学生互动与反馈

在研究中，通过在某高职院校模具专业大二的110名学生中实施的一项教学实验，探讨了VR技术在《模具设计与制造》课程中的应用效果。实验将学生分为55人的实验组和55人的对照组，分别采用VR教学模式和传统教学模式进行教学。通过对2组学生在实验前后进行专业知识测试，并对比2种教学模式的测试结果，对VR技术在教学中的效果进行分析和评估。

2种模式测试结果对比分析如图2所示，实验组学生的成绩普遍高于对照组，这归功于VR技术的沉浸式学习环境，有助于直观理解模具设计的复杂性。此外，实验组学生在知识技能掌握上更为熟练，表明VR教学有效促进了理论知识到实践技能的转化。同时，学生反映VR教学提高了空间想象力，这得益于三维模拟和交互操作的直观体验。

图2 实验班与对照班测试结果对比分析

4 研究结果与分析

4.1 教学效果评估

在《模具设计与制造》课程中融入VR技术后的教学效果评估揭示了该技术在提升教学质量和学生学习体验方面的显著潜力。通过综合分析课堂学习风气、学生成绩以及教学效果问卷调查结果，可总结VR技术带来以下关键教学成果。

（1）VR技术的引入提高了学生的学习积极性。学生在沉浸式的虚拟环境中表现更高的专注度，对课堂内容的吸收和理解更为深刻。

（2）VR教学强化了学生在学习过程中的主体地位。与传统教学相比，学生在虚拟环境中通过直观的模拟和交互操作，能够主动探索和学习，这种自主学习的机会增强了学生的学习动力和自信心。

（3）通过实施VR教学，实验班的学生在学习成绩和技能掌握上均优于对照班，尤其在空间想象力和模具设计技能方面。这表明VR技术通过提供直观的三维视觉展示和模拟操作，有助于学生更好地理解模具设计与制造的过程，提高学生的学习效率和技能运用能力。

（4）VR技术的应用使《模具设计与制造》课程的教学形式更加丰富和多样化。通过可视化的教学内容和互动式的学习体验，增强了学习的直观性和趣味性。学生能够从不同角度和维度理解模具设计的原理，这种多元化的教学形式让学生具有良好的学习体验感，也激发了学生的创新思维和探索精神。

将VR技术融入《模具设计与制造》课程能改变学生的学习态度，强化学生的主体地位，促进学习能力的提升，并丰富了课堂教学形式。

4.2 VR教学的优势与局限

VR技术在专业课程教学中的应用展示了显著的教学潜力，也揭示了一些局限性和挑战。通过沉浸式学习环境和逼真的三维模拟激发了学生的好奇心，促使学生积极探索课程内容。VR教学增强了学生的主体地位，使学生能在虚拟环境中主动进行操作和学习，提高了学生的参与度和自主学习能力。该技术将复杂的模具设计和制造过程直观化，有助于学生理解和掌握专业知识，尤其在提升空间想象力方面成效显著。VR技术丰富了教学形式，引入多样化的教学资源和互动性，为提升教学效果和学习体验提供了支持。

VR教学在教学效果方面虽有诸多优势，但也面临一些局限。首先，技术与设备的限制是主要障碍之一，高质量的VR眼镜和手柄等必要硬件的成本较高，且现有技术下的渲染效果尚有局限，这些因素可能阻碍VR技术的广泛应用。其次，虽然VR提供了交互功能，但现阶段技术还未能完全满足复杂操作的需求，如细致的装配、拆卸等操作的交互设计仍需优化。学生的沉浸感依赖于渲染效果和设备性能，现有的技术和设备局限可能削弱沉浸体验。另外，VR教学资源的开发既耗时又费力，现有资源库不能满足所有教学需求，且教学模型的真实度和内容的丰富度还有待提高。这些局限性指出了VR教学应用中需注意和改进的方面。

▍原文作者：陈茜¹谢钧²

▍作者单位：1. 广西工商职业技术学院信息与设计学院；2. 广西-香港标准及检定中心有限公司

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