工业机器人VR虚拟现实实训室建设方案
工业机器人VR虚拟现实实训实训
室方案
目录
1 建设背景与现状 (4)
1.1 背景 (4)
1.2 现状 (4)
2 建设目标 (6)
2.1 中心任务 (6)
2.2 建设目标 (6)
3 建设效果 (6)
3.1 整体效果 (6)
3.2 具体效果 (7)
4 建设内容 (8)
4.1 环境空间设计 (8)
4.1.1 设计理念 (8)
4.1.2 设计思路 (9)
4.2实训室硬件建设 (9)
4.3 智能实训管理 (14)
4.3.1 实验室管理平台 (15)
4.3.2 资源库平台 (16)
4.4 配套实训资源及定制化开发 (17)
4.4.1 VR软件资源体系 (17)
4.4.2 课程资源体系 (18)
4.4.3 资源定制化开发 (19)
5 特色服务 (20)
1 建设背景与现状
1.1 背景
教育信息化是时代发展的要求，是事关教育全局的战略选择，是实现教育现代化的基础支撑和必要手段。党的十八大强调“以教育信息化带动教育现代化”。国务院《关于加快发展现代职业教育的决定》中“提高人才培养质量”部分提出了我国职业教育提高信息化建设水平的新要求，并把它作为政府发挥好保基本、提质量、促公平的重要途径。2012年1月教育部《关于开展教育信息化试点工作的通知》中指出职业院校（高职和中职）试点将围绕远程职业教育和培训，虚拟仿真实训资源开发与应用，信息技术培训、考核和认证机制探索以及校企联合开展远程职业教育和培训的模式等。2012年5月教育部《关于加快推进职业教育信息化发展的意见》指出加快开发职业教育数字化优质信息资源，开发虚拟仿真实训平台等多种形式的职业教育数字化信息资源。
2015年9月教育部办公厅《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见（征求意见稿）》指出职业教育要充分利用信息技术手段提升实训教学水平，通过开发虚拟仿真实训教育应用软件，建设一批融汇仿真技术、体感技术等新技术的职业教育信息化实训基地。利用虚拟现实技术、建立VR虚拟现实公共实训中心来模拟传统实验操作环节的软硬件实验环境，包括虚拟的实验设备、实验工具、实验对象等。因虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、感知性，实验者能够进行友好人机交互，真实感受互动的实验过程，身临其境地进行实验操作。同时，实验不受时间、空间、物品限制，实验过程安全，可重复。VR虚拟现实公共实训中心不仅可以解决目前我国职业院校实验教学面临的困境，而且可以创新实验教学，是我国职业教育信息化发展的必然趋势。
1.2 现状
实训室作为培养学生实践动手能力，实现知识技能转化的平台，对于职业院校应用型人才培养至关重要。目前我国职业院校实训教学中存在以下问题：
1、缺乏实训体验感。教师只能对机械部件外表进行讲授，而机器的运作原理及内部运作无法了解，因而当机器运转时内部结构无法讲授(机器运转时不能拆开机壳)；教师通过演示或组织学生看录像的方式进行实验教学，但学生很难
获得感性认识，实验效果大打折扣。
2、缺乏仿真模拟实训软件。传统设备操作实训，学生直接进行实物操作，往往因出错率较高造成设备损坏，尤其是对于一些贵重设备，将造成巨大损失与资源耗费。若在实物操作之前应用仿真模拟实训软件进行训练，便可有效解决这些问题，提高实训效果、降低不必要的损耗。
3、缺乏实训教学、指导、评价体系。未能紧密结合专业人才培养目标进行系统化的实训课程体系设计，与之匹配的教程、指导书、相关资源不够完善；缺少合格的“双师型”师资对实训教学及操作过程进行精心指导；缺乏对学生实训的测评标准、工具、方法等，因此便导致“有设备、用不好，有实训、无体系”的情况出现，使得学生实训效果大打折扣。
4、缺乏实训室的有效管理与应用。对实训室设备、使用情况缺乏科学规范的管理，相关制度缺失，导致维护成本过高；对于学生实训以外的综合应用缺乏思考，或能够支撑院校依托实训室开展各类创新活动与增值服务的能力和资源不足，制约了实训室功效的发挥，降低了综合利用效率。
2 建设目标
2.1 中心任务
国泰安工业机器人VR虚拟现实公共实训中心建设任务是帮助职业学校实现真实实验不具备或难以完成的教学效果。在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，工业机器人VR虚拟现实公共实训中心可以提供可靠、安全和经济的实验项目，能够满足学生全方位实验需求。
2.2 建设目标
依托虚拟现实技术、人机交互技术、动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具和系统集成技术等领先信息化技术，按照国家要求，为职业学校提供系统的全方位的工业机器人VR虚拟现实公共实训中心建设方案。帮助学校实验室走出应用管理难、开放共享难、创新难、可持续可扩展性弱，资源利用率低下等困境，并为学校打造区域内乃至全国示范性VR虚拟现实公共实训中心。
3 建设效果
3.1 整体效果
通过工业机器人VR虚拟现实公共实训中心建设将对实训教学模式带来创新改变，教学模式如下图所示：
工业机器人VR虚拟现实公共实训中心实现从传统实训向虚拟现实实训的转变，让学生能够在虚拟过程中也能学习到实际操作中的必备技能。
3.2 具体效果
工业机器人VR虚拟现实公共实训中心在职业教育实验教学中具有以下效果：1、开创了全新的学习情景
虚拟现实技术还可以应用计算机、交互外设及软件来构建一个虚拟的生产环境，使学生能如同在制造现场一样与荧屏上出现的制造过程进行自由交流。基于网络的虚拟现实技术为学习者提供了全新的学习场景，构造出开放性的教学环境。
2、提供了崭新的教学手段——构建实物虚化、虚物实化的方法
通过虚拟现实、多媒体、网络等技术的综合应用，可在课堂和实验室中展现在传统的教学模式中无法实现的教学过程。虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟和虚物实化。学生可以带上立体眼镜，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。虚拟现实系统可以进行实物虚化，虚拟各种人物创建虚拟课堂，在虚拟的课堂气氛中，学生可以与虚拟的教师、学生一起交流讨论，开展启发式教学。运用虚拟现实技术，还可以使学生通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互，由视、听、触、觉获取外界的反应。通过学生自我组织，制定并执行学习计划，进行自我评价，开展适应式学习。还可通过小组或团队的形式，组织学生进行学习成员间共享成果，开展协作式教学，有利于学生的正确理解和掌握。
3、变革了传统实训方式
运用虚拟现实技术，突破传统实训室的限制，使每一位学习者都可以根据自
己的学习特点，在自己方便的时间通过计算机自由地选择适合的学习训练内容，按照适合于自己的方式和速度进行学习。这种探索性的学习模拟训练有利于激发学生的创造性思维，使学习者在具体情境中通过主动的探索获得知识，从而提高学习者的动力。虚拟实训环境大大增加了实训时间和内容，减少了实际实训的耗材及实训环节中的危险性。
4、丰富了课堂教学内容
利用虚拟现实技术可丰富教学内容，将实验、实训等技能训练搬到课堂中进行。由于这些虚拟的训练系统无任何危险，学生可以反复练习，直至掌握操作技能为止。应用虚拟现实技术还可恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、不宜直接观察的自然过程和现象，全方位、多角度地展示教学内容。利用计算机多媒体技术制作各种仿真课件创设所需要的某种虚拟情景，让学生进行模拟实验，从而极大丰富课堂的教学内容。
5、节约了有限的教育成本——开展虚拟实验、进行虚拟生产
虚拟各种实验设备、实训环境和操作过程，使大多数课程可以在虚拟实验室中进行，大多数的技能可以在虚拟实训车间中进行训练，从而不必购置昂贵的实验实训设备。可以在节约大量昂贵的仪器设备费用的前提下，解决在教学中因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因而无法进行的教学实验，虚拟训练又可避免实验实训设备的损坏、训练材料的消耗等问题，从而有效节约教育成本。
4 建设内容
4.1 环境空间设计
4.1.1 设计理念
VR虚拟现实公共实训中心设计坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，以全面提高学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实训教学资源为核心，建设具有扩展性、兼容性、前瞻性的VR虚拟现实公共实训中心管理和共享平台，高效管理实训教学资源，满足学校多学科专业的虚拟现实实训需求。探索校企共建的新模式和新途径，建立可持续发展的虚拟现实实训服务支撑体系。
4.1.2 设计思路
工业机器人VR虚拟现实实训室整体效果图（参考）如下所示：
4.2实训室硬件建设
在实训室内，实训学员通过手持红外笔，结合桌面式全息操作系统可以捕捉到用户的手部在空间中的位置信息，用户通过该操控笔在空气中对眼前的全息图像进行交互。笔上的三个按键提供了简洁的交互方式，如选择、旋转，任意摆放和拼接物体等。用户可以自然地拖动呈现在“空气”中的物品靠近自己，从多角度地观看模型细节及透视，感受无与伦比的空间感和真实感，就像将一个真实的物品握在手中操作一样地自然、简单。
1、区域设计
教师区：1套zSpace（包含1台触控一体机、1支红外笔和1个3D追踪眼镜），1台80寸液晶电视，1套罗技摄像头+支架
?老师可通过z-View软件辅助演示帮助同学们理解
●学生区：以班级为单位，按照2~4名学生为一组将全班分成若干小组，每组
配置1套zSpace（包含1台触控一体机、1支红外笔、1个3D追踪眼镜和
1~3个3D非追踪眼镜）
?其中一个学生主做，佩戴3D追踪眼镜，使用交互笔进行操作
?其它学生佩戴2D眼镜观看主做学生操作，并进行讨论
?主做学生可以在组内轮换，并于各学生都参与到操作上来
2、zSpace硬件组成
触控一体机3D追踪眼镜
3D非追踪眼镜
红外笔
（1）红外笔
红外笔用于操作者抓取虚拟场景中的3D物体的一款外设设备，它是通过一体机感应红外笔的位置，来计算其对应的空间图像内的物体，从而实现实时操作移动，缩放，旋转和放置3D虚拟影像的效果；
红外笔
（2）3D追踪眼镜
3D追踪眼镜用于操作者观察3D虚拟影像，并通过跟踪反馈点（5个）反馈至一体机，以便追踪操作者头部位置，实时进行3D显示画面视角角度调整。
3D追踪眼镜
（3）3D非追踪眼镜
3D非追踪眼镜主要用于操作员旁边观察人员之用，观察人员通过佩戴它能同步查看操作员的交互画面。
3、zSpace系统功能
使用桌面式全息操作系统之前，需将zSpace配套的教学软件安装到触控一体机上，然后将红外笔连接到显示设备，操作者戴上3D 追踪眼镜。在电压稳定的情况下开机启动系统程序，zSpace采用的是Win8操作系统，因此很容易上手操作，打开对应的教学实训软件，进入软件操作界面之后，在zSpace屏幕上面会看到一个凸出来的3D效果。对于屏幕显示的3D场景，你可以通过头部移动来改变眼睛观察的视角，从而实现虚拟场景中物体的全方位观看，你还可以用手里的笔将3D物体“拿”起来，然后放到其他的位置，或者对3D物体进行各种调整和修改。
原理学习
爆炸机体
拆装实训
学生还可以对3D模型进行对比、拆分、分析和测量等操作。3D模型如下图所示：
刹车片拆装底盘拆装
人体结构剖析动物骨骼拆分
4、zSpace系统特点
●创新型立体融合模式，展现全彩全息视觉效果
●集成全新的立体用户操作界面，体验超逼真的视觉效果及舒适的交互
●通过红外笔在空中直接与虚拟模型进行交互
●通过全新的头部跟踪模式，用户可从多角度观看立体模型
●实时图形渲染，可根据操作者需要进行缩放模型进行全息显示效果
硬件价格清单
4.3 智能实训管理
为了完善VR虚拟现实公共实训中心环境的搭建，也为了科学管理实训资源，并将院校各实训软件资源产品清晰合理分类管理，国泰安开发设计出实训室管理平台及配套服务，包含三款管理系统：实验室管理平台、资源库平台、实训室智能控制系统。这些平台及系统具备以下相应的功能，如下图所示：
4.3.1 实验室管理平台
实验室管理平台集科学化的资源管理、智能化的实验管理、便捷性的数据统计为一体，可以非常高效的管理实验室预约、实验考勤、实验室资产、实验室耗材等，实现实验室智能化管理。
图实验室管理平台界面图
表实验室管理平台主要功能表
序号功能描述
达到效果
1
实验室教学管
理系统支持实验教务排课及选课、实验教
学管理、实验库管理等功能。
1、门户式的平台搭建，彰
显实验室特色风采；
2、科学化的设备管理，方
便设备整合调度；
2
实验室资产管
理系统支持实现资产建账、信息维护、报表统计、资产盘点等功能。
4.3.2 资源库平台
资源库平台集资源建设、资源管理、资源整合、资源应用为一体，构建一个循环、智能、自生长的实训资源生态环境。平台高度共享大量优质实训资源，包含实训教学微课、实训过程录屏、实训指导手册、学生手册等多种资源类型，友好的分类导航，方便师生检索、管理和使用实训教学资源，发挥“能学、辅教”作用。
表实训资源管理平台功能示意图
4.4 配套实训资源及定制化开发
4.4.1 VR软件资源体系
目前，国泰安工业机器人VR虚拟仿真已经开发出来工业机器人基础教学的部分
产品，包括工业机器人原理展示，拆装实训等；当然国泰安工业机器人VR研发
团队也在高质高速的开发其他应用，具体应用表如下：
4.4.2 课程资源体系
国泰安制定了实训室课程资源，包含实训指导书、实训资源等，具体内容如下表所示：
4.4.3 资源定制化开发
1、总体概述
软件定制化开发是学校教育信息化建设的一种模式，特别是每个地区的工业发展方向不同及企业需求各异。根据学校虚拟仿真实验教学中心个性化需求，定制开发虚拟仿真实验教学资源是不可或缺的。国泰安拥有一批系统、专业的国家级虚拟仿真实验教学示范中心建设团队和3D虚拟仿真技术设计团队，可以满足学校个性化需求，为用户提供定制化虚拟仿真综合解决方案。
图 3D虚拟实训平台示例图
2、定制化开发流程
3D虚拟仿真教学资源定制化开发结合软件开发过程和国泰安对于每一个项
目均有的严格周密的操作流程，以确保项目的进展和实施顺利且高效。我们认为与客户的关系绝不仅仅是一次买卖，而是要成为长期的合作伙伴。
5 特色服务
国泰安为进一步扩大双方项目合作运作效果和影响，拓展学校专业特色的影响力，国泰安以丰富强大的渠道、资源和技术服务等为基础，全面支持学校教学业务的发展，就探索创新性教学模式、提高教研水平、技能大赛、活动会议交流及学科建设等方面提供实务高效的服务项目。服务体系如下表所示：