虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入機(jī)械類課程的技術(shù)與難點(diǎn)分析

劉煒 夏兆旺 包國治 王軍

摘? 要： 針對一般網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件偏重理論，缺少與學(xué)員互動的問題，引入模型實(shí)例和SolidWorks Composer作為技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了三維虛擬裝配在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用，解決了網(wǎng)絡(luò)課件不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備拆裝教與學(xué)互動的瓶頸。應(yīng)用此款課件在教學(xué)中開展了教學(xué)效果的調(diào)查研究，引入技術(shù)接受模型，從感知有用性和感知易用性兩方面分析學(xué)生接受難易程度，搜集課件使用信息分析心流體驗(yàn)的九個(gè)要素，發(fā)現(xiàn)九項(xiàng)中有五項(xiàng)得到了提升。網(wǎng)絡(luò)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于機(jī)械類課程的教學(xué)，提升了教學(xué)效果和擴(kuò)展教學(xué)范圍，使遠(yuǎn)程教學(xué)得到強(qiáng)有力的支撐。

關(guān)鍵詞： 虛擬裝配; 網(wǎng)絡(luò)課件; 技術(shù)接受模型; 心流體驗(yàn)

中圖分類號：G642.3? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）05-80-04

Abstract： Aiming at the problem that the general network courseware emphasizes theory and lacks interaction with students， this paper introduces model instances and SolidWorks Composer as technical means， realizes the application of three-dimensional virtual assembly in network teaching， and solves the bottleneck that usually a courseware on web cannot realize the interaction between teaching and learning of equipment disassembly and assembly. This courseware is used to investigate the teaching effect in teaching. The technology acceptance model （TAM） is introduced to analyze the degree of students' acceptance difficulty from two aspects of perceived usefulness and perceived ease of use. Nine factors of flow experience are analyzed by collecting the information used in the courseware. Five of the nine factors are found to have been improved. The combination of network and virtual reality technology has been applied to the teaching of mechanical courses， which improves the teaching effect and expands the scope of teaching， and gives strong support to remote education.

Key words： virtual assembly; courseware on web; interactive education; TAM; flow experience

0 引言

隨著教育科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入教學(xué)并成為一種重要的教學(xué)手段勢在必行。在高等教育領(lǐng)域，國外的一些名校如哈佛，MIT已經(jīng)率先在MOOC等教學(xué)方法和手段的探索應(yīng)用上，走到了前列，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。葉興浩在《大學(xué)物理3D課堂教改初探》[1]提出制作、展示和研討的學(xué)習(xí)過程，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐并提出完善網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺;此外，武漢理工大學(xué)的王利，向陽在《三維課件在船舶輔機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐》提出使用三維軟件Pro-E在課堂進(jìn)行演示所得到的良好教學(xué)效果[2]。但針對柴油機(jī)的拆裝維修來說，這些教學(xué)方法并沒有提供三維互動功能，不適用于遠(yuǎn)程互動教育。本文提出運(yùn)用Solidworks Composer工具將三維互動仿真課件與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，可以解決遠(yuǎn)程互動教育的問題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有自行體驗(yàn)、主動探索和學(xué)習(xí)的過程，既最大程度符合了721法則中的“70%”特性，也意味著它更容易激發(fā)受訓(xùn)者的興趣，通過互動、鼓勵(lì)，引導(dǎo)受訓(xùn)者積極體驗(yàn)而不是消極地聽講，從而更加精確有效地向受訓(xùn)者闡釋客戶現(xiàn)場情況、設(shè)備結(jié)構(gòu)特性、操作流程等，實(shí)現(xiàn)“因做而學(xué)”的建構(gòu)主義教學(xué)效果[2]。

1 Solidworks Composer技術(shù)

Solidworks Composer是Solidworks的一個(gè)插件 [3]。Solidworks Composer 用視角照相機(jī)創(chuàng)建位置關(guān)鍵幀來記錄柴油機(jī)拆裝教學(xué)所需的拆裝順序和拆裝路徑。仿真動畫位置關(guān)鍵幀的設(shè)定按照柴油機(jī)傳統(tǒng)裝配工藝的規(guī)定，每個(gè)裝配工序?qū)?yīng)相應(yīng)的位置關(guān)鍵幀。拆裝動畫完成后，再經(jīng)過后期加工處理，附加一定環(huán)境下拆裝條件與拆裝要求，實(shí)現(xiàn)工藝可視化[4]。本文中拆裝的思想，可以根據(jù)不同類型柴油機(jī)的特點(diǎn)選擇最合適的展示方法，也可將多種展示手法相結(jié)合，以便更好地突出各類柴油機(jī)的特有屬性，實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化安排，具體如下[6]。

⑴ 分析各型柴油機(jī)結(jié)構(gòu)特征，整合拆解順序。簡單部分按結(jié)構(gòu)的組成順序裝配，對裝配體進(jìn)行分類識別，確定裝配基準(zhǔn)，對子裝配體進(jìn)行裝配后得到組件。復(fù)雜部分則要進(jìn)行虛擬裝配規(guī)劃，擬訂優(yōu)化后的裝配方案。

⑵ 拆裝方案以工藝流程為指導(dǎo)，選擇學(xué)生容易認(rèn)知的拆裝路線。

⑶ 以模塊化思想為指導(dǎo)，將復(fù)雜的模塊分離出來，單獨(dú)演示其結(jié)構(gòu)和工作原理。

2 基于Solidworks Composer的柴油機(jī)拆裝工藝遠(yuǎn)程教學(xué)方案的具體思路

2.1 制作動畫教程并在網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

使用Solidworks構(gòu)建需要演示的柴油機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)數(shù)字化模型，在網(wǎng)頁上發(fā)布生成好的柴油機(jī)拆裝工藝流程動畫，使用者可以在不同的物理位置登陸網(wǎng)頁，觀看該動畫。這種基于網(wǎng)絡(luò)的三維視角可變式流程演示動畫在輔助以相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，一同發(fā)布在網(wǎng)頁上，教學(xué)內(nèi)容可以分為四類，即圖片介紹，文字說明，圖表顯示，視頻講解[3]。

2.2 層次化知識信息結(jié)構(gòu)

從學(xué)生的接受難易度，由淺入深地進(jìn)行層次排布。①圖片介紹作用是提起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，對柴油機(jī)相關(guān)知識信息點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展，拓展到船舶建造，海洋工程領(lǐng)域。從而激發(fā)學(xué)生求知欲，促使學(xué)生能夠自主的學(xué)習(xí)，這也是遠(yuǎn)程教育的關(guān)鍵。②使用文字來說明柴油機(jī)的工作原理，柴油機(jī)工作原理分模塊進(jìn)行說明。③圖表顯示具體化柴油機(jī)原理并且給出柴油機(jī)具體參數(shù)，學(xué)員可以從前面的抽象知識過渡到具體知識，針對CZ380柴油機(jī)的各個(gè)具體結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)給出說明。④分別對拆裝過程中難度較大的地方作視頻講解和三維虛擬互動演示。

本文以CZ380柴油機(jī)為例，如圖1所示。

2.3 實(shí)例化知識信息結(jié)構(gòu)

通過對CZ380柴油機(jī)的模塊的分解，搭建了學(xué)員認(rèn)知層次，從而使學(xué)員在網(wǎng)頁的學(xué)習(xí)過程中，更好的了解和掌握相關(guān)知識點(diǎn)。CZ380柴油機(jī)的裝配工藝規(guī)劃包括劃分裝配單元、選擇裝配路徑和確定裝配順序。裝配單元通過Solidworks Composer中選擇集的劃分來確定。由于在此平臺中，無法模擬裝配現(xiàn)場的真實(shí)環(huán)境，故裝配路徑需要保證柴油機(jī)各機(jī)構(gòu)的零部件裝配過程中不發(fā)生碰撞與干涉。裝配順序的確定采用拆卸法，假設(shè)零件裝配和拆卸是可逆的過程，通過求解零件的拆卸順序來獲取零件的裝配順序。由裝配方案遵循“可拆即可裝”的原則[5]。

3 基于Solidworks Composer的柴油機(jī)拆裝工藝遠(yuǎn)程教學(xué)方案的實(shí)現(xiàn)

3.1 模型的建立

虛擬互動課件需要詳細(xì)的柴油機(jī)各零部件數(shù)字化模型，CZ380柴油機(jī)模型根據(jù)圖紙和實(shí)物測量，應(yīng)用Solidworks軟件來構(gòu)建其數(shù)字化模型。

需建模的零部件包括柴油機(jī)的一些重要零部件如氣缸、氣缸蓋、氣缸墊、油底殼，以及兩大機(jī)構(gòu)——曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)。在柴油機(jī)裝配過程中，從屬于模塊的零件如油管、水管可適度的簡化如圖2所示。

在Solidworks Composer系統(tǒng)完成了所有的演示效果后，采用其生成的.smg格式文件構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)互動課件的核心部分。如圖3所示。

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

制作柴油機(jī)整體結(jié)構(gòu)的裝配動畫，為了更好觀察各個(gè)零件的裝配效果，將柴油機(jī)分為飛輪、氣缸體和氣缸蓋，曲軸連桿活塞、齒輪及齒輪蓋、油底殼五個(gè)部分。應(yīng)對所有的零件進(jìn)行不同顏色的渲染，以從頂?shù)较?，從里到外的原則進(jìn)行裝配，每個(gè)動畫步驟都有一個(gè)名詞解釋會幫助學(xué)員更好理解裝配的過程。

4 應(yīng)用效果及分析

為了分析此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)例對于教學(xué)的影響，引入技術(shù)接受模型進(jìn)行評價(jià)。技術(shù)接受模型（Technology Acceptance Model，TAM，1989年），簡稱TAM模型，技術(shù)接受模型提出了兩個(gè)主要的決定因素：①感知有用性（perceivedusefulness），反映一個(gè)人認(rèn)為使用一個(gè)具體的系統(tǒng)對他工作業(yè)績提高的程度;②感知易用性（perceivedeaseofuse），反映一個(gè)人認(rèn)為容易使用一個(gè)具體的系統(tǒng)的程度。

本研究以TAM模型為基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)展，如圖4所示。

本文研究方法包括以下方面。

⑴ 硬件是載體，在整個(gè)系統(tǒng)的配置中，由于是基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)方案，所以可以選擇基于遠(yuǎn)程PC或者移動手機(jī)客戶端的瀏覽模式。

⑵ 軟件的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵點(diǎn)在于工藝正確，用戶學(xué)習(xí)方便。

⑶ 交互體驗(yàn)感，良好的交互感帶給用戶較好的使用感受，影響用戶的學(xué)習(xí)動力。

表1中列出變量的定義、測度項(xiàng)個(gè)數(shù)和來源，以上所有變量的測量均采用Likert5級量表進(jìn)行測試，其中5表示非常贊同，1表示非常不贊同。

本教學(xué)方案已發(fā)布在學(xué)校網(wǎng)站，教育資源板塊中，不但作為本學(xué)?；?qū)W院學(xué)生的學(xué)習(xí)資源，而且為遠(yuǎn)程教育提供教學(xué)材料，同時(shí)為社會學(xué)員提供參考的學(xué)習(xí)資源。在“江蘇省大學(xué)生柴油機(jī)拆裝大賽”中為參賽選手了解熟悉考試對象，事先掌握比賽基本技術(shù)提供條件。解決了參賽學(xué)員不能預(yù)先接觸比賽對象的矛盾，保障了比賽的公平性。提高了參與度，改變以往面對面的教育模式。

經(jīng)過以上的使用和分析，使用本課件后，被培訓(xùn)者在心流體驗(yàn)的九個(gè)要素（目標(biāo)明確、清晰及時(shí)反饋、挑戰(zhàn)與技能的平衡、行動與意識相融合、關(guān)注任務(wù)不受干擾、不擔(dān)心失敗、自我意識消失、遺忘時(shí)間、自覺體驗(yàn)）中，有五項(xiàng)（關(guān)注任務(wù)不受干擾、遺忘時(shí)間、不擔(dān)心失敗、清晰及時(shí)反饋、自覺體驗(yàn)）都有顯著提升。

5 總結(jié)與展望

本文以Solidworks Composer 軟件為研究對象，對柴油機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬展示交互仿真功能設(shè)計(jì)，同樣，其他機(jī)械設(shè)備的裝配結(jié)構(gòu)都可使用Solidworks Composer進(jìn)行拆裝維修說明手冊的建立，描述相關(guān)產(chǎn)品的具體操作實(shí)踐，為學(xué)生直觀地展示具體拆裝工藝和操作流程。

本文所制作的柴油機(jī)遠(yuǎn)程拆裝教學(xué)應(yīng)用軟件，在遠(yuǎn)程教育中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)手段，是知識可視化視覺傳播的表現(xiàn)形式，通過互聯(lián)網(wǎng)，將現(xiàn)有知識點(diǎn)傳播到計(jì)算機(jī)客戶端，手機(jī)終端，結(jié)合不同的語言環(huán)境，能滿足多樣化的用戶群需求，用戶根據(jù)自身知識水平的不同，靈活的選擇學(xué)習(xí)階段。

柴油機(jī)拆裝可視化教學(xué)方案，為處理教學(xué)過程中難以解決的虛實(shí)對比和虛實(shí)互動的手段提供了較好的技術(shù)支持。教學(xué)方案為學(xué)生呈現(xiàn)更加直觀化的知識，使得學(xué)習(xí)內(nèi)容變得動態(tài)化。通過對學(xué)生學(xué)習(xí)柴油機(jī)拆裝效果的分析，為學(xué)生提供個(gè)性化的指導(dǎo)。通過虛實(shí)結(jié)合和虛實(shí)對比，學(xué)生依據(jù)學(xué)習(xí)效果分析進(jìn)行學(xué)習(xí)過程反饋，這些為學(xué)生自我評價(jià)提供了重要依據(jù)，有助于學(xué)生在自我總結(jié)和反思中不斷進(jìn)步，從而形成自己的學(xué)習(xí)柴油機(jī)相關(guān)知識點(diǎn)的路線圖。

大型柴油機(jī)的遠(yuǎn)程拆裝工藝及維修教學(xué)在現(xiàn)階段國內(nèi)遠(yuǎn)程教學(xué)領(lǐng)域仍有不足之處，將Solidworks Composer軟件此類三維虛擬技術(shù)引入后，將會為大學(xué)教學(xué)手段及遠(yuǎn)程教學(xué)方案提供更為廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 葉興浩.大學(xué)物理3D課堂教改初探[J].黑龍江教育，2016.5：12-14

[2] 王利，向陽.三維課件在船舶輔機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2016.5（21）：194-195

[3] 馬秀麟等.視頻資源類型對學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)體驗(yàn)的實(shí)證研究[J].中國遠(yuǎn)程教育，2016.5：32-39

[4] 袁鳳娟等.基于3DVIAComposer的水電站廠房模型三維仿真系統(tǒng)開發(fā)[J].電腦知識與技術(shù)，2014.10-32：26-30

[5] 周亞麗.基于3DVIA Composer的金剛石線切割機(jī)裝配工藝可視化研究[J].現(xiàn)代制造工程，2015.3：70-74

[6] 金照，黃瓊濤，張榮強(qiáng).基于3DVIA Composer的產(chǎn)品虛擬展示與設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2015.11：119-122

[7] 李君.基于Solidworks和3DVIA Composer的汽油柴油機(jī)建模與維修保養(yǎng)[J].農(nóng)業(yè)工程，2014.7：15-19