虛擬仿真技術在鉸孔教學中的應用

寧波大學 于愛兵 王家煒

針對鉸孔教學中理論與實踐無法有效結合的問題，采用虛擬仿真技術建立虛擬仿真輔助教學系統。以《機械制造技術基礎》課本中的“孔加工方法”章節為例，通過UG、Unity3D、Visual Studio等軟件制作了鉸孔輔助教學系統。鉸孔輔助教學系統由知識模塊和實踐模塊兩部分組成，通過教學系統可以學習鉸刀種類、鉸刀結構、刀具參數以及鉸孔的操作過程。鉸孔輔助教學手段豐富了教學形式，將理論與實踐相結合，使學生獲得更為生動的學習體驗。

1 虛擬仿真技術

虛擬仿真是指借助現代高科技手段將現實中的相關產品、設備虛擬化，使其能夠在計算機中進行模擬交互，從而達到虛擬操作的效果。該技術在教育行業有著巨大的應用前景，“十四五”規劃中就曾明確指出，“要促進以互聯網、大數據、人工智能、虛擬現實等為代表的信息技術與教育教學的融合”[1]。

目前，國內外針對虛擬仿真技術在教育教學方面的應用已經做了一定的研究。Gledson[2]等人基于BIM建立了虛擬仿真項目，提高了學生對建筑技術課程的自主學習能力；李建海[3]等人將基于Simulink仿真實驗應用到電機實驗教學中，彌補了傳統實驗方法的不足，使學生能夠更深入的理解和掌握理論知識，提高了教學質量；郭靜[4]等人將虛擬仿真技術引入基礎醫學教學中，構建了以虛擬與實訓有機結合為特征的完整基礎醫學實驗教學體系。

鉸孔作為孔加工方法的重點授課內容之一，其具有實踐性強的特點，實踐環節在培養學生如何正確使用鉸刀方面起著重要的作用。但由于受傳統教學模式的限制，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行“填鴨式”面授，很少結合實踐環節的案例引導學生；（2）講解鉸刀結構、角度等較抽象的內容時，學生的理解和掌握存在一定困難；（3）受教具或模型數量的限制，學生的參與度有限，體驗性較差。虛擬仿真技術的應用將為傳統教學模式的改革提供新方法和新思路，通過虛擬仿真技術開發新型交互式課件，借助虛擬操作提高鉸孔教學的實踐性和交互性，同時提升學生的參與度[5]，幫助學生將理論知識充分運用到實際操作中，更好的掌握理論知識和專業技能。

2 鉸孔虛擬仿真教學平臺開發

本文結合機械制造技術基礎知識，應用UG、Unity3D以及Visual Studio等軟件，開發了鉸孔輔助教學系統，生動形象的展現了鉸刀種類、鉸刀結構參數和幾何參數、鉸刀應用等一系列鉸孔相關知識。

2.1 課程分析以及軟件設計要點

根據“孔加工方法”章節的教學目標，學生需要學習的知識點包括：（1）鉸刀的分類；（2）鉸刀的結構組成以及幾何角度的測量；（3）鉸孔的應用。

由于每種鉸刀的結構組成不同，需要建立多個刀具模型，并結合輔助文本、視角縮放等功能進行知識點的講解；為了直觀的展現刀具模型，程序要能夠實現鉸刀的自由旋轉、縮放等功能，方便教師講解，學生觀察；鉸孔作為孔的精加工方法之一，其實踐模塊的設計需結合整個鉆孔過程。鉸孔輔助教學系統的理論支撐以及設計流程如圖1所示。

圖1 系統框架以及軟件設計流程Fig.1 System framework and software design process

2.2 系統開發流程

鉸孔輔助教學系統具體開發流程如下：（1）選取課本中具有代表性的鉸刀，對其進行測繪，使用UG建模軟件構造刀具模型以及刀具收納盒、工具車、氣缸蓋等教學輔助模型；（2）將UG構造的幾何模型導入到3Ds Max中進行模型裝配并導出至Unity3D軟件中；（3）在Visual Studio中編寫跳躍場景、切換相機以及移動、旋轉鉸刀等腳本，然后根據機械制造技術基礎教學要求，設置鍵盤按鍵和UI界面中的虛擬按鈕來實現對Unity3D中的幾何模型、場景相機以及助學文本的控制；（4）結合相應素材完善教學模塊，檢查無誤后將軟件打包導出。

3 鉸孔虛擬仿真實驗教學內容

3.1 軟件界面

雙擊鉸孔輔助教學系統圖標即可打開軟件主界面，如圖2所示；點擊“開始”按鈕進入知識學習模塊，該模塊囊括了鉸刀分類、鉸刀結構參數和鉸刀幾何參數等基礎知識點，如圖3所示為知識模塊的初始界面；界面右側設置有一列功能欄，通過點擊“應用1”或“應用2”按鈕即可進入相應的實踐模塊，進行鉸孔操作，鞏固理論知識，如圖4、圖5所示。知識和實踐模塊初始界面左上角均設置有“返回”與“說明”兩個按鈕，可用于界面的轉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視角，以便于觀察和學習鉸刀結構、鉸孔過程等內容。

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 實踐模塊1初始界面Fig.4 Initial interface of practice module 1

圖5 實踐模塊2初始界面Fig.5 Initial interface of practice module 2

3.2 知識模塊

基于《機械制造技術基礎》教材中的鉸孔知識體系，知識模塊依次對鉸刀的種類、結構參數和幾何參數進行了詳細的論述。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，學生可以根據名牌的擺放位置了解鉸刀的大類以及細分，相比于文字敘述，學生對鉸刀分類能有更加直觀的認識。點擊右側功能欄中與名牌名稱一致的按鈕，對應鉸刀便會從刀具收納盒中移動至相應名牌后方，可供學生觀察，如圖6所示，這個過程將抽象的名詞實體化，有助于加深學生對不同鉸刀的認識。此外，為了增強課件的交互性以及幫助學生進一步觀察和理解每種鉸刀，教學軟件還設置了拖動鼠標旋轉鉸刀、控制鍵盤按鍵切換鉸刀等功能。按下鍵盤“Q”鍵，相機會切換到整體式鉸刀的正前方，學生可以近距離觀察鉸刀的結構特點，同時，UI界面還設置有助學文本幫助學生理解界面內容，如圖7所示；同樣，按“W”鍵，顯示可調式鉸刀；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

為了幫助學生認識和理解不同鉸刀的結構組成以及切削部分的刀具角度，在每類鉸刀對應的UI界面中均設置有結構參數和幾何參數兩個子模塊。由于涉及的鉸刀種類較多，下面以整體式鉸刀為例對結構參數和幾何參數兩個模塊進行展開論述。點擊整體式鉸刀UI界面中的“結構參數”按鈕，進入結構參數學習模塊，分別點擊界面左下方功能欄中的六個結構按鈕，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 整體式鉸刀的結構參數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出各切削部分間的投影關系，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，并提供了相應的文本說明，有助于學生理解刀具角度。點擊整體式鉸刀UI界面中的“幾何參數”按鈕，進入幾何參數學習模塊，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Fig. 9 Geometric parameters of integral reamer

3.3 實踐模塊

實踐模塊的建立有助于理論學習和實踐學習的同步進行，充分發揮理論指導實踐和實踐鞏固理論相結合的工程能力培養方式[6]。在知識模塊初始界面中按下“應用1”按鈕，進入鉸盲孔和通孔界面，分別點擊該界面右上角的“鉸盲孔”和“鉸通孔”按鈕，鉸刀便會移動至相應工件上方，進行鉸孔操作，如圖10所示，單擊“復位”按鈕，界面恢復初始狀態。為了提高課件操作的交互性以及表現的生動性，學生可以按住“空格”鍵控制鉸刀的旋轉。此外，通過鍵盤按鍵切換相機位置，能夠實現近距離觀察鉸孔過程，以幫助學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別。

圖10 鉸孔操作Fig.10 Reaming operation

點擊知識模塊初始界面中的“應用2”按鈕，進入氣缸蓋孔加工界面，按順序依次點擊該界面上方的“定心”“鉆孔”“擴孔”“鉸孔”按鈕，可分別控制定心鉆、麻花鉆、擴孔鉆、鉸刀對氣缸蓋進行孔加工，如圖11所示，單擊“復位”按鈕，各刀具回到刀具收納盒，界面恢復初始狀態。與應用1模塊類似，學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。另外，學生還可以通過按鍵切換相機位置，實現不同視角觀察氣缸蓋孔加工過程，有助于更加直觀的認識常見的孔加工過程以及鉸刀在孔加工過程中的應用。

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

4 結語

虛擬仿真技術在鉸孔教學中的應用，是對傳統教學模式的補充和擴展。本文開發的鉸孔輔助教學系統，包括知識模塊和實踐模塊兩部分，可以學習鉸刀種類、鉸刀結構、刀具參數以及鉸孔的操作過程。通過學生與虛擬模型的交互操作以及輔助文本對教學內容的解讀，彌補了倫理與實踐環節無法有效結合、教學內容抽象、學生參與度不足等問題，使學生由被動接受變為主動參與，提高了學習興趣和效果。