工藝夾具VR認知實驗設計與應用

楊振宇 趙國勇 李玉勝 李志永 趙慶志

摘要：針對傳統(tǒng)工藝夾具拆裝認知實驗的多樣性、局限性和安全性問題，通過IdeaVR虛擬現(xiàn)實軟件設計了工藝夾具VR拆裝系統(tǒng)。教學實踐表明，工藝夾具VR認知實驗系統(tǒng)不僅可以克服傳統(tǒng)工藝夾具拆裝實驗的現(xiàn)存問題，而且可以擴大學生工藝夾具的知識面，促進學生對新技術的認同感，提高學生學習興趣，拓展學生的創(chuàng)新能力，教學達成度良好。

關鍵詞：工藝夾具;VR;認知實驗

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）36-0273-02

隨著世界科學技術的不斷更新發(fā)展，新媒體技術在教育教學過程中的應用越來越廣泛。工藝夾具是工科課程機械制造工藝學、金屬切削機床概論和機制制造技術基礎等課程的重要知識點，工藝夾具的認知效果對課程其他知識點的掌握存在較大影響。由于工藝夾具種類繁多，想讓學生認知盡可能多的工藝夾具結構，往往需要很多的實驗室空間，利用新技術改革傳統(tǒng)教學方式已成為必然趨勢。因此，利用虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，VR）可以讓學生通過使用VR眼鏡、頭盔、數(shù)據(jù)手套和鼠標等傳感設備，進行實時交互，感知和操作虛擬環(huán)境中的各種對象，身臨其境地進行相關操作，充分調(diào)動學習積極性。

一、課程中工藝夾具認知的現(xiàn)狀

工藝夾具的課程內(nèi)容是機械設計制造及其自動化、車輛工程、農(nóng)業(yè)機械化工程專業(yè)相關課程必不可少的知識點，也是學生走上工作崗位必然會接觸的一種裝置，其重要性不言而喻。當前，大多數(shù)課程對工藝夾具內(nèi)容的認知，主要通過以下方式進行：三維模型爆炸圖展示、實物拆裝視頻展示、實物現(xiàn)場展示。以上教學方法存在以下問題：占用場地大;只能統(tǒng)一展示，學生無法動手實驗;存在一定的安全隱患。以至于課程開設這類實驗時很慎重，從而影響學生對這部分知識的認知，教學效果受到較大影響，需要改進。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，VR技術在教育教學領域得到不斷應用。工藝夾具種類多，形式繁雜，特別適合采用VR技術讓學生進行認知實驗，這樣既可以在節(jié)省實驗空間的情況下讓學生掌握更多的知識，也可以提高學生學習的積極性。

二、工藝夾具VR認知實驗設計

針對現(xiàn)有工藝夾具認知實驗過程中存在的問題與困難，結合上海曼恒IdeaVR系統(tǒng)對工藝夾具虛擬現(xiàn)實認知實驗進行設計，設計內(nèi)容包括：實驗大樓場景設計、工藝夾具拆裝認知實驗室設計和快捷操作系統(tǒng)設計。

（一）實驗大樓場景設計

為了讓實驗更貼近人的直覺感官效果，學生進入實驗的首幅界面如圖1（a）所示，圖中有實驗大樓、LO-GO標志、樹木、草地和水池。俯瞰實驗大樓，其建筑結構采用“工”字形結構，體現(xiàn)工學特點。實驗大樓正面鑲嵌學院名稱和樓號，內(nèi)部有四層，每層設有20間實驗室。每間實驗室用來完成某一工藝夾具的拆裝認知實驗。

（二）工藝夾具拆裝認知實驗室設計

為了能夠將VR實驗室場景與現(xiàn)實場景貼近，讓學生在完成一次實驗的過程既可以進行夾具結構認知，又可以對學生的這次實驗提供評價。如圖1（b）所示，將實驗室內(nèi)部結構設計為以下部分組成：工藝夾具拆裝工位部分，主要采用長條桌作為拆裝工作平臺，平臺上放置各種拆裝工具和被拆裝工藝夾具，在該拆裝工位的可見區(qū)域內(nèi)，有一個“拆裝動畫”按鈕，在工藝夾具拆裝之前點擊該按鈕查看夾具的拆裝動畫;工藝夾具結構PPT展示部分，在實驗室的前方墻面上，學生通過操作手柄按鍵實現(xiàn)PPT的翻頁，瀏覽該工藝夾具的相關理論知識;工藝夾具知識點考核部分，也在實驗室的前方墻面上，學生完成工藝夾具拆裝后，需要在此處完成答題，系統(tǒng)根據(jù)學生答題情況自動判分;工具箱在實驗室墻角一側，用來存放各類工具;工藝夾具拆裝認知操作流程和注意事項部分放置在實驗室的后墻上，由三塊公告牌組成，展示工藝夾具拆裝實驗的注意事項、實驗室規(guī)程和操作流程說明，既有利于讓實驗室環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境一致，也有利于學生掌握虛擬拆裝實驗的操作流程。

（三）快捷操作功能設計

由于工藝夾具虛擬拆裝整體環(huán)境設計占用空間很大，VR系統(tǒng)設計軟件在環(huán)境平移、旋轉和縮放過程中，不是很靈活。為了實驗時便于學生操作，通過視角編輯、動畫編輯器和交互編輯器，對每一個實驗室設計可以快速切換進入實驗環(huán)境的快捷按鍵。

三、工藝夾具VR認知實驗的應用與成效

為了讓學生更好地認知工藝夾具的結構和功能，開發(fā)虛擬現(xiàn)實實驗設計。如圖2所示，在搭建的VR硬件系統(tǒng)中，將設計好的工藝夾具VR認知實驗形成3D畫面。學生戴上3D眼鏡，手持遙控手柄，在3D場景中對工藝夾具進行拆裝、翻轉、移動和復位操作。操作過程中，掌握工藝夾具各部件的名稱和功能、各零部件間的配合關系、傳動部件間的傳動關系和驅動方法。

通過工藝夾具VR認知實驗實踐，獲得以下成效：（1）克服傳統(tǒng)工藝夾具拆裝實驗的局限性，擴展工藝夾具拆裝實驗的內(nèi)容和種類，擴大學生工藝夾具的知識面;（2）促進學生對新技術的認同感，提高學生學習興趣、基礎知識學習的感性認識，拓展機械設計創(chuàng)新能力;（3）學生實驗過程中的視覺和感覺效應的交互操作，有利于提高其自主認知的想象力，增強教學達成度和創(chuàng)新意識。

四、結語

針對當前工藝夾具認知實驗開展存在的問題，借助教學信息化研究與改革項目實踐，融入虛擬現(xiàn)實教學方法，本文提出

基

于ldeaVR的工藝夾具VR拆裝實驗室。在虛擬實驗融入課程后，學生的學習積極性有了很大提高，增強了動手能力，將理論知識結合實踐，鍛煉綜合分析和設計能力。