2015/10/30 16:06:51 汽车发动机构造虚拟仿真实训平台的设计

在高职院校的汽车发动机构造课程中发动机总体构造、曲柄连杆机构构造、配气机构需要采用 3D 化的虚拟现实技术实现内部结构展示,其他部分则需要展示原理。因此设计虚拟仿真实训平台主要针对这三个部分,其他部分可以使用Flash 或其他 PPT 课件来完成原理介绍。整个虚拟实训平台基本设计实现分为以下几个部分:

Moodle网络平台的搭建

为实现虚拟实训平台建设,在硬件方面,需要一个或多个普通机房,一台网络服务器。多媒体机房可以接入因特网也可以不接入,如果采用内部局域网,则只需一台普通计算机来实现网络服务器的功能。接入外网的好处是学生可以随时随地进入虚拟实训平台进行学习,但是课堂教学不易管理,教师需要采用一些措施防止学生在课堂上通过网络聊天、游戏等。采用内部局域网则能避免学生做课程以外的内容,但是虚拟实训的开放性受到制约,学生不能在外部随时访问和学习。内蒙古交通职业技术学院的虚拟实训平台设计采用两个多媒体教室加一台网络服务器的模式。理论上说在这种局域网模式下,能够满足 200 人同时在线,如需更多学生同时在线学习,则需使用专业网络服务器或服务器群集。为了取得最佳的运行效果,作者对多种软硬件部署方案进行了测试。

服务器软硬件配置和 web 环境部署

服务器软件配置的第一步是服务器操作系统的选择,为实现网络教学,我们首先要建立一台网络服务器,本次研究中由于同时在线人数最多不超过 200 人,所以使用较高配置的 PC  机来代替专业服务器,在操作系统方面,网络服务器可以选择 linux 或 windows 两类,由于采用普通 PC 机来虚拟网络服务器,为方便使用其他 windows 软件,我们选择了 windows 系统。目前常用的 windows 系统有 windows XP  、Win 7、windows 2003、windows 2008,为了达到最好的教学效果,我们分别对上述系统进行了安装测试后发现,WIN XP  、Win 7 这些个人操作系统虽然也可是安装部署 web 环境,但是微软公司在系统内对最大连接数进行了限制,导致了最大只能 10 人同时访问服务器,无法满足一到两个班级同时访问教学网站,网络上提供的各种解除连接数限制的方法都无法超越 10 人同时在线,因此不能满足虚拟实训平台部署。

Moodle网站部署:

Moodle 的安装和部署非常简单,只需按 Moodle 软件提示操作即可完成网站安装部署,完成安装后的 Moodle 只是一个空的教学管理系统,使用管理员身份登录后,管理员要在后台为教学网站添加课程和各课程的教师,并为教师分配权限。在高职院校内部教学网络中,一般采用批量导入的方式录入学院信息,这样可以减少学生自己注册所需的时间,提高教学效率。在教学内容安排形式上,可以采用主题形式和星期形式,主题形式指将虚拟实训所有内容分成若干个大的项目,在网上首页依次显示每个项目标题及项目内部的教学内容,星期形式指按教学周来现实不同的教学内容。教师可以根据自己所教课程内容来选择显示形式,作为虚拟实训平台设计者,一般选择主题形式来增删教学内容,这样比较方便管理

虚拟现实场景编辑及动画制作

将所有三维模型文件导入到虚拟现实编辑器之后,虚拟实训中虚拟仿真环境设计工作基本都可以再在 VRP 中完成。从 3D MAX 导入到中视典虚拟现实编辑器中,模型可以分为静态模型、刚体动画、柔体动画、相机四种形式,在虚拟实训中也经常要用到的一些装配动画展示,这类动画在虚拟现实编辑器中称作刚体动画,要完成这套装配过程,首先需要对前面创建的三维模型进行命名,命名时需要根据活塞连杆总成的装配顺序,对所有零件进行命名,然后使用 3D MAX 制作做好零件的装配与分离动画,测试动画效果后,再将其导入到虚拟现实编辑器中,并在虚拟现实编辑器中通过脚本设置来实现演示机构装配与拆卸的动画过程,虚拟现实编辑器中代码编辑器关键词全部使用中文,并且不需要用户手工书写代码,只需在窗口中选择关键词并为之设置各种参数,系统自动会生成相应的程序代码。在此过程中,3D MAX 软件操作相对复杂一些,需要设计者掌握该软件的建模、材质编辑、动画制作及后期渲染、烘焙。主要这些操作符合虚拟现实编辑器的规范,导入到虚拟现实编辑器后,其他操作则变得非常简单。

虚拟实训中学生角色设置

虚拟实训环境与网络游戏一样属于虚拟的世界,我们完全可以借鉴游戏的做法,增加虚拟实训的浸没感和交互性。在虚拟实训系统中,可以模拟网络游戏创立虚拟的学生角色,或者创立多人同时在线的虚拟实训环境。要想达到这一效果,我们可以借助中视典VRP 系统所提供的骨骼动画功能,在骨骼动画功能中,系统提供了 100 多个不同的 3D 任务角色这些角色模型已经经过优化处理,每个角色模型的面数都在 4000 面左右,加入虚拟实训场景后不会对网络传输造成太大的负担。虚拟现实编辑器的角色库还为人物提供了虚拟场景中的各种动作如站立、行走、跳跃等。

我们在实际教学中发现,虚拟角色对学生的学习兴趣和参与积极性影响非常大。同样的活塞连杆组拆装实验,在不采用虚拟角色时,学生一般只进行教学目标中要求的操作,虚拟实训仍然属于传统的验证性实验。而引入虚拟角色后,能极大的激发学生学习兴趣,学生使用虚拟角色进入实训场景后,开始多次进行虚拟拆装,并尝试采用不同的方法进行拆装,虚拟实训过程变成了探究式学习过程。将虚拟实训网络化并引入虚拟角色后,虚拟实训在表现形式上已经较为接近网络游戏,但与网络游戏相比仍存在不足,目前,网络游戏中不同角色可以实现多人在线,游戏玩家可以在虚拟世界进行交流和互动,共同完成任务。中视典公司的虚拟现实软件同样可以进行多人在线设计,由于本研究的重点为虚拟实训环境编辑,购买的软件并未包含这一功能模块。在此,本文仅在理论角度对多角色同时在线的虚拟实训场景进行分析,并未进行实际测试。

虚拟现实与网络平台整合

在 VRP 编辑器中完成虚拟实训场景编辑和动画设计后,可以使用两种方式发布虚拟实训场景,一种方法是将虚拟实训场景编译成 EXE  格式的可执行文件,另一种发布方式是将虚拟场景发布成网页,将虚拟场景以数据包的形式存放在网页文件夹中,因数据包仅存储虚拟场景而不包括播放器,文件的体积较小,适合网络传输。最新版的 VRP 使用了与 Flash 类似的流媒体播放技术,用户在浏览器中可以边下载数据边播放,减少了用户下载等待时间。在虚拟实训与网络平台整合时,以上两种发布方式都可以使用。

在教学实践中我们对虚拟实训与网络教学平台进行了整合测试,在测试过程中,遇到了以下问题:

1.  整合方案选择问题:

VRP 制作的虚拟现实作品可以通过两种形式发布,一种是发布成编译好的可执行文件,编译后的文件可以脱离 VRP 编辑器单独播放,这种方式适合制作讲课课件或单机版的虚拟实训项目。VRP 为了使可执行文件能在没有安装编辑器的电脑中运行,在 EXE 文件中包含了一个 VRP 播放器,因此文件体积较大。所以这种方式的优点是客户端无需安装插件即可浏览虚拟现实作品,缺点是文件体积大,不适合多人在线的网络传输;另一种是通过中视典公司的 VRP-IE 软件发布成可以在浏览器中使用 3D 格式,这种方式对 b/s 结构的在线教学系统支持很好,但是客户端第一次浏览时需要下载一个IE 插件。本套虚拟实训教学系统设计主要采用 B/S 结构的 Moodle 系统来实现,因此较多的采用第二种方式发布虚拟实训项目作品。

2.  数据格式问题:中视典发布出的 WEB3D 文件包括一个 html 页面文件和两个数据文件,其数据文件使用了 rar 作为扩展名,但数据格式与常见的 rar 压缩格式不同。如果教学平台采用的是外网访问的方式,内蒙古交通职业技术学院机房为限制学生在课堂上下载游戏等其他软件,一般都禁止学生机下载 exe 和 rar格式文件,为了让学生能在浏览器正确的现实虚拟现实场景,需要解除学生机对rar 格式下载限制。

3.  虚拟现实文件名问题:由于 Moodle 是澳大利亚开发的一套开源教学管理软件,系统多部署在 linux 系统上,因此对中文支持不好,并且对英文的大小写区分也很严格。所以在进行虚拟现实编辑时除内部代码使用中文以外,其他部分尽可能使用英文,尤其是最后导出的文件必须使用英文文件名。更多关于汽车虚拟仿真软件内容请你关注http://www.yijiaoedu.com


 
QQ在线咨询
销售热线
0371-53302651