基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的機械制圖教學

朱文博，陳龍，崔怡，戚麗杰

摘要：隨著新技術(shù)的迅猛發(fā)展，機械制圖的教學在不斷的革新。本文簡介了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，并將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于機械制圖的課堂教學中。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行機械制圖教學有利于學生感知組合體的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、零件的工藝結(jié)構(gòu)和裝配結(jié)構(gòu)等，有助于提高學生閱讀和繪制二維工程圖的能力。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；機械制圖教學；組合體內(nèi)外部結(jié)構(gòu)；零件的工藝結(jié)構(gòu)；裝配結(jié)構(gòu)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）09-0057-02

一、引言

隨著新技術(shù)的迅猛發(fā)展，為培養(yǎng)適應(yīng)新形勢的高級技能型人才，許多高等院校各學科的教學改革在如火如荼地進行著?！稒C械制圖》課程是高等院校理工科學生必修的一門實踐性較強的專業(yè)基礎(chǔ)課，如何優(yōu)化《機械制圖》課程的教與學，是值得研究的重要課題[1]。近年來，始于軍事和航空航天領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，已大步走進工業(yè)、建筑設(shè)計、教育培訓、文化娛樂等方面，并且在許多領(lǐng)域中表現(xiàn)出了強勁的勢頭，越來越被各界所重視，具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。本文將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于機械制圖教學中，這是教育領(lǐng)域應(yīng)用信息技術(shù)的一種創(chuàng)新。

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介。虛擬現(xiàn)實技術(shù)也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境，是一種以沉浸性、交互性和想象性為基本特征的，可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)。它綜合利用實時三維計算機圖形技術(shù)、廣角立體顯示技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)等一系列先進技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備或利用鍵盤、鼠標等輸入設(shè)備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進行實時交互，可以及時地、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物，獲得對虛擬事物的感性和理性認識，讓使用者如同身臨其境一般，從而深化概念和構(gòu)建新的構(gòu)思和創(chuàng)意，創(chuàng)建了一種以人為中心的多維信息空間[3]。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點。虛擬現(xiàn)實技術(shù)以其基本的“3I”特征，特別是以人為中心的人機交互特征在國內(nèi)外的各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?！?I”即沉浸（Immersion）、交互（Interaction）和想象（Imagination），這三個“I”反映了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，就是系統(tǒng)與人的充分交互，它強調(diào)人在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的主導(dǎo)作用[4]。

“沉浸性”使用戶全身心地投入到計算機創(chuàng)建的三維虛擬環(huán)境中，一切看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，甚至聞起來、嘗起來等一切感覺都是真的，如同在現(xiàn)實世界中的感覺一樣?！敖换バ浴笔侵赣脩魧δM環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包括實時性）。例如，用戶可以用手去直接抓取模擬環(huán)境中虛擬的物體，這時手有握著東西的感覺，并可以感覺物體的重量，視野中被抓的物體也能立刻隨著手的移動而移動。“想象性”強調(diào)虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)具有廣闊的可想象空間，可拓寬人類的認知范圍，不僅可再現(xiàn)真實存在的環(huán)境，也可以隨意構(gòu)想客觀不存在的甚至是不可能發(fā)生的環(huán)境。

3.虛擬現(xiàn)實制作常用軟件。虛擬現(xiàn)實制作常用的軟件包有3DMax、Virtools、Quest3D、OpenGL等[4]?！?DMax”是集造型、渲染和制作動畫于一身的三維制作軟件。通過3Dmax軟件能夠制作出真實的立體場景與動畫，是在個人PC機上最優(yōu)秀的三維動畫制作軟件，受到了全世界無數(shù)三維動畫制作愛好者的熱情贊譽?！癡irtools”是功能非常強大的游戲和虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具，是一套整合軟件，可以將現(xiàn)有常用的檔案格式整合在一起，如3D的模型、2D圖形或是音效等。“Quest3D”是一個容易且有效的實時3D建構(gòu)工具，能在實時編輯環(huán)境中與對象互動，輕松實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的效果?！癘penGL”是個專業(yè)的圖形程序接口，是一個功能強大、調(diào)用方便的底層圖形庫，主要是用來讀入標準3D模型，然后處理漫游等動畫效果的。

4.虛擬現(xiàn)實技術(shù)常用硬件配備。完備的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需要配備許多硬件設(shè)備：如數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、立體眼鏡、傳感器、頭盔顯示器、BOOM顯示器和聲學硬件等[4]。

數(shù)據(jù)手套是最常見的輸入裝置。人機交互時，可以看到虛擬手隨著真手在虛擬環(huán)境中活動，可進行物體的抓取、移動、裝配、操縱和控制等。數(shù)據(jù)衣是一種穿在用戶身上，把他的整個身體中各個部位運動的數(shù)據(jù)輸入到計算機的裝置。立體眼鏡以其簡單的結(jié)構(gòu)、輕巧的外形和便宜的價格成為目前最為流行和經(jīng)濟適用的虛擬現(xiàn)實觀察設(shè)備。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于機械制圖教學

由于學生缺乏空間想象力，在校接觸零部件的機會不多，無專業(yè)工作經(jīng)驗，當他們在書本或課件中見到一些機器和零件的二維視圖時，無法勾勒出物體的正確輪廓，感到學習枯燥沒吸引力，因此，在機械制圖教學中，首先要解決的是學生的感性認知問題。對此，我們可以在機械制圖教學中引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對機械制圖中一些典型機構(gòu)進行模型的創(chuàng)建，并采用虛擬仿真和動態(tài)演示的方式，學生可清楚認識機械零件的結(jié)構(gòu)，機構(gòu)運動規(guī)律及其工作原理，更容易理解機械零件的二維設(shè)計圖，這樣就大大提高了學生的接受水平，激發(fā)了學生學習的熱情和主動性，為后續(xù)課程的學習打下了基礎(chǔ)。

當學生戴上數(shù)據(jù)手套和頭盔顯示器等設(shè)備時，可以對虛擬環(huán)境中的模型進行移動、翻轉(zhuǎn)等動作，如同手中拿著真實的物體從不同的角度充分地觀察，使學生完全沉浸在虛擬環(huán)境中，從而在腦海中準確地建立各模型的空間概念。這樣就把學生感到頭疼難以理解的內(nèi)容形象、生動、直觀地展現(xiàn)在他們眼中，從而解決了由于抽象思維能力不強引起的感性認知不足的問題，幫助學生迅速掌握所學內(nèi)容。

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在組合體讀圖中的應(yīng)用。在機械制圖組合體的教學中，已知兩個視圖求作第三個視圖是教學中的重點和難點，它考查了學生的空間想象力和作圖技巧。通常對于一些疊加、挖切多處的形體，且圖形中線條的交叉重疊而且虛線較多，求作第三個視圖時，學生作圖速度會很慢，甚至無從下手或完全想象不出形體的形狀。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對組合體進行實體模型仿真，學生可以將虛擬實體和二維視圖進行反復(fù)對照，培養(yǎng)學生將各個視圖聯(lián)系起來的讀圖能力和分析能力，使學生對圖中的線框和圖線的含義有直觀的印象，提高學生對組合體的綜合分析能力。

表達零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)常常采用剖視圖，但在講解剖視圖時，如果形體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學生則很難想象出零件的內(nèi)部形狀，甚至弄不清剖視圖的形成過程、剖切平面的剖切位置，不知道哪些部分被剖切平面剖切，圖中哪些地方要畫剖面線。為此，我們用虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作零件模型，利用“剖切”功能，通過設(shè)置好的剖切位置和剖切平面，對零件進行全剖、半剖或者局部剖。學生戴上立體眼鏡和數(shù)據(jù)手套后，可以對剖開的兩部分模型進行分合、旋轉(zhuǎn)等動作，更直觀地觀察剖切體。這樣，就可以清楚地看到零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進而可以清楚地分辨出在視圖中各線條所代表的意思。這對教師講課和學生學習剖視圖有很大的幫助，不用費很多課時就能很好地完成教學任務(wù)，達到事半功倍的效果。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在零件結(jié)構(gòu)方面的認知。機械制圖的教學通常是針對大一學生來開設(shè)的。大一的學生對機械零件的接觸很少，對于零件結(jié)構(gòu)，尤其是零件的工藝結(jié)構(gòu)知之甚少，很多工藝結(jié)構(gòu)學生不認識、不理解。例如倒角、倒圓、鑄造圓角、拔模斜度、鍵槽、砂輪越程槽等，學生光看二維工程圖或者三維模型圖很難理解并記住這些畫法，如果采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將這些結(jié)構(gòu)直觀地展現(xiàn)在學生眼前，并讓他們帶上立體眼鏡和數(shù)據(jù)手套觸摸這些結(jié)構(gòu)，必然會加深對這些結(jié)構(gòu)的認識和理解。

除此之外，對于各種標準件、常用件以及軸套類、輪盤蓋類、叉架類、箱體類零件，學生難以把實際中的物體與之對應(yīng)上，會出現(xiàn)張冠李戴的現(xiàn)象。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建一些標準件、常用件和各類零件的模型庫，在教學中，當講到什么零件時就從庫里調(diào)出該零件，讓學生直接觀察該零件的結(jié)構(gòu)，分門別類地記憶，這樣既節(jié)約經(jīng)濟，可以省去了購置大量實體模型的費用，又可以讓他們印象深刻，掌握得更扎實，從而加強學生繪制并閱讀零件圖的能力。

3.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在裝配結(jié)構(gòu)方面的認知。對于裝配圖部分的教學，不僅教師覺得比較難教，而且學生也普遍覺得難以掌握。學生對于裝配體的結(jié)構(gòu)、工作原理、零件間的裝配連接關(guān)系等都缺少感性的認識，無論是閱讀還是繪制裝配圖，學生都感到非常吃力。為此，可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬裝配系統(tǒng)，將機構(gòu)中的各零件裝配在一起形成裝配體，并對裝配體進行模擬裝配和動畫演示。在裝配過程中不僅可以驗證設(shè)計和裝配的可行性和工藝性，還能定出最優(yōu)的裝配工藝與路徑，還可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的硬件裝備，讓學生自行完成虛擬裝配。這樣，學生就可以輕松地掌握裝配體各零件間的裝配關(guān)系和裝配體的工作原理以及運作過程等，提高了學生閱讀并繪制裝配圖的能力，并且為后續(xù)機械原理和《機械設(shè)計》課程打下基礎(chǔ)。

三、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在《機械制圖》課程的教學中，其直觀、形象、生動的模式易于教師的教授和學生的學習，有利于學生全方位感知組合體的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、零件的工藝結(jié)構(gòu)和裝配結(jié)構(gòu)等，使抽象的投影關(guān)系與直觀的視覺印象能相互轉(zhuǎn)換，有助于提高學生閱讀和繪制二維工程圖的能力，同時培養(yǎng)了學生現(xiàn)代設(shè)計的意識和創(chuàng)新思維，適應(yīng)當前卓越工程師教育的培養(yǎng)方針，隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展，將在機械制圖教學中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻：

[1]陳敏，王國勇，伍勝男.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械創(chuàng)新實驗教學中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備，2011，（21）：114-116.

[2]朱鳳艷，趙維信.運用Solidworks軟件，建立機械制圖虛擬模型庫[J].科技資訊，2009，（10）：53.

[3]李潔，陳林.虛擬技術(shù)在機械制圖教學中的應(yīng)用研究[J].職業(yè)教育研究，2012，（2）：12-14.

[4]李欣.虛擬現(xiàn)實及其教育應(yīng)用[M].北京：科學出版社，2008.