VR技術在中職《機械制圖》課程中的應用

【摘 要】本文基于中職機械類專業的必修專業基礎課程《機械制圖》存在的問題，提出利用虛擬現實（Virtual Reality）技術引入大量的3D模型，創造虛擬的三維空間，以有效解決學生空間想象能力弱、識圖與繪圖能力差的問題。

【關鍵詞】虛擬現實技術 《機械制圖》 中職學校 學習環境? 實踐能力

【中圖分類號】G? 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2020）46-0103-03

VR技術是通過顯示器上的圖形方式表達用戶計算機的數據，在合理操作下產生的交互感受所幻想出來的一個空間。VR技術充分利用人們的視覺、聽覺和觸覺等多種感官體驗，為人們虛擬出一種三維空間，通過人機交互，讓用戶仿若身臨其境。近年來，VR技術在多個領域得到廣泛應用，同時也促進了中等職業教育的改革與發展。將VR技術與中職機械制圖課程相結合，可以有效解決學生的空間想象能力薄弱、識圖與繪圖能力差等問題，對提高課堂教學效率具有一定的參考價值。

一、中職《機械制圖》課程教學面臨的難題

《機械制圖》是一門研究機械圖樣識讀與繪制方法的課程，是中職機械類專業的基礎課程，也是從事機械行業專業技術工作必須掌握的一項職業技能。該課程通過投影理論的學習，注重發展學生的空間想象構形能力、空間幾何想象能力和空間分析問題能力，培養學生的職業技能。然而，在中職學校《機械制圖》教學中面臨很多難題，比如實訓示范成本昂貴、實訓設備不足、實訓造成大量耗材等。加之空間思維過程很難用語言精準地進行表達，對空間想象能力比較弱的學生而言，僅僅依靠教師的講解、觀看視頻等手段，難以將平面圖像完全地想象為三維立體形狀，導致《機械制圖》教學整體效果不佳。國家中長期教育改革與發展規劃綱要（2010—2020年）中鼓勵職業教育要充分借助現代化教學手段和信息化技術，對原有教育模式進行全面改革。因此，在《機械制圖》教學中充分利用VR和AR技術，通過構建虛擬的教學模型和環境，將虛擬的影像疊加到現實世界，形成一個虛實結合的環境，不僅能打破空間的限制，超越學生現實的感官體驗，為學生帶來良好的交互性、構想性和沉浸感，而且可為學生提供更為生動、豐富的學習資料與模型，有利于促進機械制圖教學模式的改革和學生的自主學習，能有效提高《機械制圖》教學效果。

二、VR技術在中職《機械制圖》課程中的應用策略

課堂教學的目的是以最為有效、富有趣味的教學方式向學生傳授和遷移知識。《機械制圖》課程本身具有抽象乏味、晦澀難懂等特點，利用VR技術，開發各種直觀易用、立體交互的教學資源和實訓平臺，能夠讓學生沉浸在VR場景中，更為真實、直觀地觀察所有工件的實體。這樣有利于突破教學重難點，強化學生的空間想象能力，而且通過線上+線下相結合的混合教學模式引導學生自主學習，促進學生學習興趣和效果的提升。

（一）VR技術在《機械制圖》教材資源開發中的應用

教材是課堂教學的重要載體，近年來隨著VR和AR技術的廣泛應用，新出版的相關教材中都增添了VR和AR資源。在當前學校難以全面更換教材的背景下，教師可以結合中職生特點及《機械制圖》課程教學目標，多尋找一些帶有VR和AR資源的教材，然后掃描為電子圖紙上傳到教學平臺或進行打印，在課前預習階段，將相應的圖紙發送給學生，這樣學生只需要便捷地用手機掃一掃，在手機屏幕上就能顯現出二維圖形相應的三維模型。學生還可以通過觸摸手機屏幕，實現對三維圖形的縮放、移動、旋轉等操作，從而很好地解決平面二維紙只能表達一兩個面的弊端，更加全面認識該模型。比如，在學習“外嚙合齒輪泵結構”時，教師通過不同渠道將帶有外嚙合齒輪泵結構X虛擬仿真資源的電子圖紙發送給學生，并指導學生下載相應的資源，學生經過課前預習對外嚙合齒輪泵結構已有全面認識，到課堂教學時，理解起來自然容易得多。

利用《機械制圖》虛擬仿真教學資源充分體現了三維可視化及互動學習的特點，將難以學習的知識點以虛擬仿真資源的形式進行介紹，從而達到“易學易懂”的目的。

（二）VR技術在《機械制圖》中的應用

《機械制圖》VR教學，將課本上的知識點設計在真實的情境中，通過問題情境促進學生構建知識體系，從而有效引導學生進行自主學習。VR技術在《機械制圖》中的應用主要包括讀組合體視圖、剖視圖表達、裝配體識讀等方面。

1.VR技術在讀組合體視圖中的應用。讀組合體是機械制圖課程學習中的重難點。在教學過程中，需要有效結合投影物的特點，通過對點、線、面及組合體各種關系深入分析，才能更好地幫助學生進行組合體的構型。通常來說，組合體的構成主要包括切割基本組合及基本幾何體，傳統的《機械制圖》教學無法全面地向學生展示組合體的切割情況;而運用VR技術，可以開展對組合體的虛擬切割的體驗教學，促使學生更深入地了解組合體的構型方式，為學生后續進行組合體形體分析奠定基礎。

為有效培養學生讀組合體視圖能力，基于VR技術構建組合體虛擬教學輔助系統，利用此系統可以快速生成具體的組合體虛擬拆裝應用，為學生提供虛擬環境下的交互拆裝操作，學生可以使用鼠標、鍵盤、手柄、數據手套等交互工具，進行交互式的抓取、移動、拆裝、組合等，實現組合體的拆裝與組合，進而驗證學生的拆裝過程，并生成相應的作業指導書。學生通過自主操作、虛擬仿真，仿佛身臨其境，不僅感受新奇、有趣、體驗深刻，而且對組合體的組成結構了解更深。

2.VR技術在剖視圖表達中的應用。剖視圖可以清晰、全面地展現各個零部件的形狀、結構及連接狀況。若要繪制出零部件的槽孔，剖視圖表達是最常用的繪圖方式。在《機械制圖》教學中，學生普遍反映繪圖中最難的部分就是剖視圖的表達。要想正確畫出零部件的內部狀況，需要學生對組合體完全理解。但在傳統《機械制圖》教學中，部分學生由于缺乏空間想象能力，僅僅依靠二維圖形難以想象其各個角度及方位的視圖情況。將VR技術運用在零件模型的建立中，有助于學生對剖視圖畫法有更加深入的了解，而且可以通過運用剖視圖對零部件的各個角度及方位的三維視圖情況進行詳細觀察，這樣就能簡單地將實物與零部件的內部狀況結合起來進行繪圖，大大降低了剖視圖表達難度，有利于樹立學生的繪圖信心。

3D秀秀是一款基于WEB展示產品3D模型的軟件，可以用于3D模型的拖拽、剖切、旋轉、縮放、平移等操作，最為重要的是其支持CAD軟件。為此，在剖視圖的表達中，筆者結合3D秀秀軟件的優勢，利用CAD軟件事先做好三維數字模型并上傳，然后進行模型的編輯使其轉化為可以進行剖切現實和交互瀏覽的web3D模型，學生可以在移動手機終端或PC瀏覽器上方便地瀏覽3D模型，并能任意地切割該模型，這樣就能觀看到完整的截斷面情況，這對于理解立體構型并正確地進行剖視圖表達具有十分重要的作用。

比如，在繪制支架組合體視圖時，首先在CAD軟件中建立支架組合體的三維模型，然后將其上傳到3D秀秀平臺，接下來進行模型自轉、爆炸、背景音樂、調節燈光、紋理、陰影等高級模型編輯工作。在完成編輯與模型預覽設置后生成Web3D文件，然后以網頁的鏈接形式發送給學生，學生在不同的終端上就能對組合體在不同的方向、不同的位置進行切割，極大地促進學生對支架組合體的認知與理解。

3.VR技術在裝配體識讀中的應用。在傳統的《機械制圖》教學中，學生未能真正深入了解與掌握各種零件的結構、形狀及相應的裝配原因、關系等。由于很多中職院校都存在機械結構認知模型數量不足、真實產品模型損壞率非常高的狀況，學生很少有拆裝這類裝配體的機會，從而導致對裝配體的識讀比較困難。近年來，隨著互聯網技術、計算機技術及圖像技術的快速發展，運用VR技術能構建虛擬產品的三維模型，這為《機械制圖》教學中開展虛擬結構認知實驗提供了很好的條件。運用零部件三維模型，能讓學生對各個零部件的真實形象具有正確的認知，了解各個零件的連接狀態及傳輸動力，便于學生對裝配體中的各類零部件進行分析。比如，在學習“齒輪減速器”時，在互聯網共享的三維互動虛擬實驗室中，學生只需要簡單操作鍵盤與鼠標就能對齒輪減速器的模型進行反復地拆裝，而且系統中為學生設置了模型拆裝演示動畫、（下轉第139頁）（上接第104頁）鼠標點擊拆裝及鼠標拖拽拆裝等學習內容。VR技術在裝配體識讀中的應用，讓學生通過自主學習，掌握齒輪減速器的拆裝要領，不僅有利于強化學生對齒輪減速器中各個零部件的識讀能力，而且更有利于培養學生的動手能力及工程操作意識。

VR技術在復雜裝配體識讀中的應用具有無可比擬的優勢，不僅能讓每一名學生都親身體驗操作裝配的過程，使其更好地理解裝配圖的繪制過程，而且打破了時空限制，突破了傳統教學不能用實際產品進行親身體驗的弊端，有力地推動了教學模式的改革，豐富了教學資源，促進了學習效率的提升。

基于VR技術的中職《機械制圖》課程教學，突破了傳統模式的瓶頸，讓學生在VR技術創造的模擬三維空間內自由地進行訓練與操作，自主性、交互性和感知性更強，有效地提高學生的識圖能力、空間想象能力、繪圖能力及創新能力，推動了機械專業課程的改革與創新。因此，教師應結合中職生特點，積極探索適合學生特點和能力發展的《機械制圖》VR課程教學模式，以真實的情境、豐富的資源、切身的體會，強化學生對機械零部件的理解與操作，提高學生的動手實踐能力。

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【作者簡介】韓立云（1979— ），江蘇金湖人，教育碩士，講師，研究方向為機電專業教學。

（責編 文 煜）