虛擬仿真技術(shù)在鉸孔教學(xué)中的應(yīng)用

寧波大學(xué) 于愛兵 王家煒

針對鉸孔教學(xué)中理論與實(shí)踐無法有效結(jié)合的問題，采用虛擬仿真技術(shù)建立虛擬仿真輔助教學(xué)系統(tǒng)。以《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》課本中的“孔加工方法”章節(jié)為例，通過UG、Unity3D、Visual Studio等軟件制作了鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)。鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)由知識模塊和實(shí)踐模塊兩部分組成，通過教學(xué)系統(tǒng)可以學(xué)習(xí)鉸刀種類、鉸刀結(jié)構(gòu)、刀具參數(shù)以及鉸孔的操作過程。鉸孔輔助教學(xué)手段豐富了教學(xué)形式，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生獲得更為生動的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真是指借助現(xiàn)代高科技手段將現(xiàn)實(shí)中的相關(guān)產(chǎn)品、設(shè)備虛擬化，使其能夠在計算機(jī)中進(jìn)行模擬交互，從而達(dá)到虛擬操作的效果。該技術(shù)在教育行業(yè)有著巨大的應(yīng)用前景，“十四五”規(guī)劃中就曾明確指出，“要促進(jìn)以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等為代表的信息技術(shù)與教育教學(xué)的融合”[1]。

目前，國內(nèi)外針對虛擬仿真技術(shù)在教育教學(xué)方面的應(yīng)用已經(jīng)做了一定的研究。Gledson[2]等人基于BIM建立了虛擬仿真項(xiàng)目，提高了學(xué)生對建筑技術(shù)課程的自主學(xué)習(xí)能力；李建海[3]等人將基于Simulink仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的不足，使學(xué)生能夠更深入的理解和掌握理論知識，提高了教學(xué)質(zhì)量；郭靜[4]等人將虛擬仿真技術(shù)引入基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)中，構(gòu)建了以虛擬與實(shí)訓(xùn)有機(jī)結(jié)合為特征的完整基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

鉸孔作為孔加工方法的重點(diǎn)授課內(nèi)容之一，其具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)踐環(huán)節(jié)在培養(yǎng)學(xué)生如何正確使用鉸刀方面起著重要的作用。但由于受傳統(tǒng)教學(xué)模式的限制，授課過程中存在一些問題：（1）目前的授課方式往往是照搬教材案例進(jìn)行“填鴨式”面授，很少結(jié)合實(shí)踐環(huán)節(jié)的案例引導(dǎo)學(xué)生；（2）講解鉸刀結(jié)構(gòu)、角度等較抽象的內(nèi)容時，學(xué)生的理解和掌握存在一定困難；（3）受教具或模型數(shù)量的限制，學(xué)生的參與度有限，體驗(yàn)性較差。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用將為傳統(tǒng)教學(xué)模式的改革提供新方法和新思路，通過虛擬仿真技術(shù)開發(fā)新型交互式課件，借助虛擬操作提高鉸孔教學(xué)的實(shí)踐性和交互性，同時提升學(xué)生的參與度[5]，幫助學(xué)生將理論知識充分運(yùn)用到實(shí)際操作中，更好的掌握理論知識和專業(yè)技能。

2 鉸孔虛擬仿真教學(xué)平臺開發(fā)

本文結(jié)合機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)知識，應(yīng)用UG、Unity3D以及Visual Studio等軟件，開發(fā)了鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)，生動形象的展現(xiàn)了鉸刀種類、鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何參數(shù)、鉸刀應(yīng)用等一系列鉸孔相關(guān)知識。

2.1 課程分析以及軟件設(shè)計要點(diǎn)

根據(jù)“孔加工方法”章節(jié)的教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生需要學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)包括：（1）鉸刀的分類；（2）鉸刀的結(jié)構(gòu)組成以及幾何角度的測量；（3）鉸孔的應(yīng)用。

由于每種鉸刀的結(jié)構(gòu)組成不同，需要建立多個刀具模型，并結(jié)合輔助文本、視角縮放等功能進(jìn)行知識點(diǎn)的講解；為了直觀的展現(xiàn)刀具模型，程序要能夠?qū)崿F(xiàn)鉸刀的自由旋轉(zhuǎn)、縮放等功能，方便教師講解，學(xué)生觀察；鉸孔作為孔的精加工方法之一，其實(shí)踐模塊的設(shè)計需結(jié)合整個鉆孔過程。鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)的理論支撐以及設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架以及軟件設(shè)計流程Fig.1 System framework and software design process

2.2 系統(tǒng)開發(fā)流程

鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)具體開發(fā)流程如下：（1）選取課本中具有代表性的鉸刀，對其進(jìn)行測繪，使用UG建模軟件構(gòu)造刀具模型以及刀具收納盒、工具車、氣缸蓋等教學(xué)輔助模型；（2）將UG構(gòu)造的幾何模型導(dǎo)入到3Ds Max中進(jìn)行模型裝配并導(dǎo)出至Unity3D軟件中；（3）在Visual Studio中編寫跳躍場景、切換相機(jī)以及移動、旋轉(zhuǎn)鉸刀等腳本，然后根據(jù)機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)要求，設(shè)置鍵盤按鍵和UI界面中的虛擬按鈕來實(shí)現(xiàn)對Unity3D中的幾何模型、場景相機(jī)以及助學(xué)文本的控制；（4）結(jié)合相應(yīng)素材完善教學(xué)模塊，檢查無誤后將軟件打包導(dǎo)出。

3 鉸孔虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

3.1 軟件界面

雙擊鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)圖標(biāo)即可打開軟件主界面，如圖2所示；點(diǎn)擊“開始”按鈕進(jìn)入知識學(xué)習(xí)模塊，該模塊囊括了鉸刀分類、鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和鉸刀幾何參數(shù)等基礎(chǔ)知識點(diǎn)，如圖3所示為知識模塊的初始界面；界面右側(cè)設(shè)置有一列功能欄，通過點(diǎn)擊“應(yīng)用1”或“應(yīng)用2”按鈕即可進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)踐模塊，進(jìn)行鉸孔操作，鞏固理論知識，如圖4、圖5所示。知識和實(shí)踐模塊初始界面左上角均設(shè)置有“返回”與“說明”兩個按鈕，可用于界面的轉(zhuǎn)換以及操作方法的解讀。此外，還可以通過鍵盤按鍵切換相機(jī)視角，以便于觀察和學(xué)習(xí)鉸刀結(jié)構(gòu)、鉸孔過程等內(nèi)容。

圖2 軟件主界面Fig.2 The main interface of the software

圖3 知識模塊初始界面Fig.3 Knowledge module initial interface

圖4 實(shí)踐模塊1初始界面Fig.4 Initial interface of practice module 1

圖5 實(shí)踐模塊2初始界面Fig.5 Initial interface of practice module 2

3.2 知識模塊

基于《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》教材中的鉸孔知識體系，知識模塊依次對鉸刀的種類、結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。在初始界面中，刀具名牌按鉸刀的分類情況布置于工具車上，學(xué)生可以根據(jù)名牌的擺放位置了解鉸刀的大類以及細(xì)分，相比于文字?jǐn)⑹?，學(xué)生對鉸刀分類能有更加直觀的認(rèn)識。點(diǎn)擊右側(cè)功能欄中與名牌名稱一致的按鈕，對應(yīng)鉸刀便會從刀具收納盒中移動至相應(yīng)名牌后方，可供學(xué)生觀察，如圖6所示，這個過程將抽象的名詞實(shí)體化，有助于加深學(xué)生對不同鉸刀的認(rèn)識。此外，為了增強(qiáng)課件的交互性以及幫助學(xué)生進(jìn)一步觀察和理解每種鉸刀，教學(xué)軟件還設(shè)置了拖動鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)鉸刀、控制鍵盤按鍵切換鉸刀等功能。按下鍵盤“Q”鍵，相機(jī)會切換到整體式鉸刀的正前方，學(xué)生可以近距離觀察鉸刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時，UI界面還設(shè)置有助學(xué)文本幫助學(xué)生理解界面內(nèi)容，如圖7所示；同樣，按“W”鍵，顯示可調(diào)式鉸刀；按“E”鍵，顯示帶柄式鉸刀；按“R”鍵，顯示成套式鉸刀；按“T”鍵，顯示錐度手用鉸刀；按“Y”鍵，顯示錐度機(jī)用鉸刀；按“U”鍵，回到初始界面。

圖6 鉸刀種類Fig.6 Types of reamers

圖7 整體式鉸刀Fig.7 Integral reamers

為了幫助學(xué)生認(rèn)識和理解不同鉸刀的結(jié)構(gòu)組成以及切削部分的刀具角度，在每類鉸刀對應(yīng)的UI界面中均設(shè)置有結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何參數(shù)兩個子模塊。由于涉及的鉸刀種類較多，下面以整體式鉸刀為例對結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何參數(shù)兩個模塊進(jìn)行展開論述。點(diǎn)擊整體式鉸刀UI界面中的“結(jié)構(gòu)參數(shù)”按鈕，進(jìn)入結(jié)構(gòu)參數(shù)學(xué)習(xí)模塊，分別點(diǎn)擊界面左下方功能欄中的六個結(jié)構(gòu)按鈕，可以依次顯示出整體式鉸刀的六個組成部分，如圖8所示。

圖8 整體式鉸刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.8 Structural parameters of the integral reamer

相比于鉸刀的各個組成部分，刀具的幾何角度更為抽象，需要借助參考平面來表現(xiàn)出各切削部分間的投影關(guān)系，因此，在軟件界面中添加了定義刀具角度所需要的參考平面，并提供了相應(yīng)的文本說明，有助于學(xué)生理解刀具角度。點(diǎn)擊整體式鉸刀UI界面中的“幾何參數(shù)”按鈕，進(jìn)入幾何參數(shù)學(xué)習(xí)模塊，通過界面左下方功能欄中的四個角度按鈕，可以分別顯示出四個刀具角度，如圖9所示。

圖9 整體式鉸刀的幾何參數(shù)Fig. 9 Geometric parameters of integral reamer

3.3 實(shí)踐模塊

實(shí)踐模塊的建立有助于理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)的同步進(jìn)行，充分發(fā)揮理論指導(dǎo)實(shí)踐和實(shí)踐鞏固理論相結(jié)合的工程能力培養(yǎng)方式[6]。在知識模塊初始界面中按下“應(yīng)用1”按鈕，進(jìn)入鉸盲孔和通孔界面，分別點(diǎn)擊該界面右上角的“鉸盲孔”和“鉸通孔”按鈕，鉸刀便會移動至相應(yīng)工件上方，進(jìn)行鉸孔操作，如圖10所示，單擊“復(fù)位”按鈕，界面恢復(fù)初始狀態(tài)。為了提高課件操作的交互性以及表現(xiàn)的生動性，學(xué)生可以按住“空格”鍵控制鉸刀的旋轉(zhuǎn)。此外，通過鍵盤按鍵切換相機(jī)位置，能夠?qū)崿F(xiàn)近距離觀察鉸孔過程，以幫助學(xué)生更加直觀的感受和理解鉸孔過程以及鉸盲孔和鉸通孔之間的區(qū)別。

圖10 鉸孔操作Fig.10 Reaming operation

點(diǎn)擊知識模塊初始界面中的“應(yīng)用2”按鈕，進(jìn)入氣缸蓋孔加工界面，按順序依次點(diǎn)擊該界面上方的“定心”“鉆孔”“擴(kuò)孔”“鉸孔”按鈕，可分別控制定心鉆、麻花鉆、擴(kuò)孔鉆、鉸刀對氣缸蓋進(jìn)行孔加工，如圖11所示，單擊“復(fù)位”按鈕，各刀具回到刀具收納盒，界面恢復(fù)初始狀態(tài)。與應(yīng)用1模塊類似，學(xué)生可以通過按住鍵盤“A”鍵、“S”鍵、“D”鍵、“F”鍵來分別控制各刀具在孔加工過程中的旋轉(zhuǎn)。另外，學(xué)生還可以通過按鍵切換相機(jī)位置，實(shí)現(xiàn)不同視角觀察氣缸蓋孔加工過程，有助于更加直觀的認(rèn)識常見的孔加工過程以及鉸刀在孔加工過程中的應(yīng)用。

圖11 氣缸蓋孔加工操作Fig. 11 Cylinder head hole machining operations

4 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)在鉸孔教學(xué)中的應(yīng)用，是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的補(bǔ)充和擴(kuò)展。本文開發(fā)的鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)，包括知識模塊和實(shí)踐模塊兩部分，可以學(xué)習(xí)鉸刀種類、鉸刀結(jié)構(gòu)、刀具參數(shù)以及鉸孔的操作過程。通過學(xué)生與虛擬模型的交互操作以及輔助文本對教學(xué)內(nèi)容的解讀，彌補(bǔ)了倫理與實(shí)踐環(huán)節(jié)無法有效結(jié)合、教學(xué)內(nèi)容抽象、學(xué)生參與度不足等問題，使學(xué)生由被動接受變?yōu)橹鲃訁⑴c，提高了學(xué)習(xí)興趣和效果。