基于虛擬現實技術的機械制圖教學

朱文博，陳龍，崔怡，戚麗杰

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

關鍵詞：虛擬現實技術；機械制圖教學；組合體內外部結構；零件的工藝結構；裝配結構

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

隨著新技術的迅猛發展，為培養適應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。《機械制圖》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基礎課，如何優化《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域的虛擬現實技術，已大步走進工業、建筑設計、教育培訓、文化娛樂等方面，并且在許多領域中表現出了強勁的勢頭，越來越被各界所重視，具有廣闊的應用前景[2]。本文將虛擬現實技術運用于機械制圖教學中，這是教育領域應用信息技術的一種創新。

1.虛擬現實技術簡介。虛擬現實技術也稱靈境技術或人工環境，是一種以沉浸性、交互性和想象性為基本特征的，可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統。它綜合利用實時三維計算機圖形技術、廣角立體顯示技術、仿真技術、多媒體技術、人工智能技術、計算機網絡技術、并行處理技術和多傳感器技術等一系列先進技術，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、數據手套等傳感設備或利用鍵盤、鼠標等輸入設備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環境的一員，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，從而深化概念和構建新的構思和創意，創建了一種以人為中心的多維信息空間[3]。

2.虛擬現實技術的特點。虛擬現實技術以其基本的“3I”特征，特別是以人為中心的人機交互特征在國內外的各領域得到了廣泛應用。“3I”即沉浸（Immersion）、交互（Interaction）和想象（Imagination），這三個“I”反映了虛擬現實系統的關鍵特性，就是系統與人的充分交互，它強調人在虛擬現實環境中的主導作用[4]。

“沉浸性”使用戶全身心地投入到計算機創建的三維虛擬環境中，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，如同在現實世界中的感覺一樣。“交互性”是指用戶對模擬環境內物體的可操作程度和從環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”強調虛擬現實技術應具有廣闊的可想象空間，可拓寬人類的認知范圍，不僅可再現真實存在的環境，也可以隨意構想客觀不存在的甚至是不可能發生的環境。

3.虛擬現實制作常用軟件。虛擬現實制作常用的軟件包有3DMax、Virtools、Quest3D、OpenGL等[4]。“3DMax”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機上最優秀的三維動畫制作軟件，受到了全世界無數三維動畫制作愛好者的熱情贊譽。“Virtools”是功能非常強大的游戲和虛擬現實開發工具，是一套整合軟件，可以將現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建構工具，能在實時編輯環境中與對象互動，輕松實現虛擬現實的效果。“OpenGL”是個專業的圖形程序接口，是一個功能強大、調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.虛擬現實技術常用硬件配備。完備的虛擬現實系統需要配備許多硬件設備：如數據手套、數據衣、立體眼鏡、傳感器、頭盔顯示器、BOOM顯示器和聲學硬件等[4]。

數據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境中活動，可進行物體的抓取、移動、裝配、操縱和控制等。數據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據輸入到計算機的裝置。立體眼鏡以其簡單的結構、輕巧的外形和便宜的價格成為目前最為流行和經濟適用的虛擬現實觀察設備。

二、虛擬現實技術應用于機械制圖教學

由于學生缺乏空間想象力，在校接觸零部件的機會不多，無專業工作經驗，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實技術。利用虛擬現實技術對機械制圖中一些典型機構進行模型的創建，并采用虛擬仿真和動態演示的方式，學生可清楚認識機械零件的結構，機構運動規律及其工作原理，更容易理解機械零件的二維設計圖，這樣就大大提高了學生的接受水平，激發了學生學習的熱情和主動性，為后續課程的學習打下了基礎。

當學生戴上數據手套和頭盔顯示器等設備時，可以對虛擬環境中的模型進行移動、翻轉等動作，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容形象、生動、直觀地展現在他們眼中，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容。

1.虛擬現實技術在組合體讀圖中的應用。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。利用虛擬現實技術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對照，培養學生將各個視圖聯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。

表達零件內部結構常常采用剖視圖，但在講解剖視圖時，如果形體結構復雜，學生則很難想象出零件的內部形狀，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，我們用虛擬現實技術制作零件模型，利用“剖切”功能，通過設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據手套后，可以對剖開的兩部分模型進行分合、旋轉等動作，更直觀地觀察剖切體。這樣，就可以清楚地看到零件的內部結構，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，達到事半功倍的效果。

2.虛擬現實技術在零件結構方面的認知。機械制圖的教學通常是針對大一學生來開設的。大一的學生對機械零件的接觸很少，對于零件結構，尤其是零件的工藝結構知之甚少，很多工藝結構學生不認識、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，如果采用虛擬現實技術將這些結構直觀地展現在學生眼前，并讓他們帶上立體眼鏡和數據手套觸摸這些結構，必然會加深對這些結構的認識和理解。

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上，會出現張冠李戴的現象。利用虛擬現實技術創建一些標準件、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出該零件，讓學生直接觀察該零件的結構，分門別類地記憶，這樣既節約經濟，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.虛擬現實技術在裝配結構方面的認知。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構、工作原理、零件間的裝配連接關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，可以利用虛擬現實技術構建虛擬裝配系統，將機構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計和裝配的可行性和工藝性，還能定出最優的裝配工藝與路徑，還可以利用虛擬現實技術的硬件裝備，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，并且為后續機械原理和《機械設計》課程打下基礎。

三、結語

虛擬現實技術在《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外部結構、零件的工藝結構和裝配結構等，使抽象的投影關系與直觀的視覺印象能相互轉換，有助于提高學生閱讀和繪制二維工程圖的能力，同時培養了學生現代設計的意識和創新思維，適應當前卓越工程師教育的培養方針，隨著虛擬技術的發展，將在機械制圖教學中發揮更大的作用。

參考文獻：

[1]陳敏，王國勇，伍勝男.虛擬現實技術在機械創新實驗教學中的應用[J].中國教育技術裝備，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.虛擬技術在機械制圖教學中的應用研究[J].職業教育研究，2012，（2）：12-14.

[4]李欣.虛擬現實及其教育應用[M].北京：科學出版社，2008.