基于Unity的工程制圖虛擬仿真實驗室的建設

潘亞威，徐國棟

（西南林業大學 機械與交通學院，云南 昆明 650224）

0 引 言

工程制圖是工程專用語言，“工程制圖”課程在高等工科課程中，尤其是對機械設計類專業的學生來說，是一門重要的基礎必修課，主要培養學生抽象思維能力和對構思空間圖形概念的能力，而傳統的工程制圖教學與學習模式有諸多不便。隨著計算機技術的飛速發展，虛擬現實技術的出現，以其沉浸式的虛擬環境給人一種身臨其境的感官體驗。

1 虛擬實驗室的特點

1.1 容量大、成本低

與傳統的課堂實物教學相比，虛擬實驗室不僅節約了教室空間成本，也節約了實驗儀器設備的建設成本。對于傳統教學可能存在的實驗器材短缺、實物教具因學生上課人數而出現不匹配。無法實現多人同時在線實操演練等現象都可以完美解決。對于教學的實際需要，只需在電腦上實時設定，就可以讓實驗課程變得更加簡單有效。只需一臺電腦或移動設備，便可完成線上實驗教學，大大減少了時間和空間成本。

1.2 功能更加完善

在實驗教學中，虛擬實驗室同時利用多媒體數字影音動畫播放、文字講述，當用戶在操作虛擬實驗時，實時融入視頻、語音和文字操作的講解，以及用圖表的形式顯示出結果，方便快捷，這種圖文并茂的講解方式的便捷程度是只靠教學視頻播放和教師口述說明無法比擬的。

1.3 沉浸式交互體驗

虛擬實驗室能模擬真實環境，讓用戶仿佛置于真實場景中。在搭載的虛擬環境中通過虛擬按鍵或模擬設備在其中自由行走，360°實時觀察，逼真的實驗設備對人的交互實時做出反饋。這種沉浸式的數字化學習人機交互體驗可以讓用戶在身臨其境的環境中主動探索，激發自身的學習積極性和探索欲。

2 “工程制圖”虛擬實驗室建立的必要性

工程制圖是高校重要的專業基礎課程，隨著近些年來高校的擴招，學生人數的增加，工程制圖課堂教學對模型的需求與日俱增。然而實物模型因不易攜帶，易損耗需要維護，數量有限不能靈活管理，因此在實際教學活動中有著諸多不便。

高校開設的工程制圖課程課時相比主課程來說并不多，缺少監督考察。且部分學生課后作業不認真，并且由于手動作圖有諸多條件限制，使得學生因缺乏練習使得熟練度不高。

工程制圖具有很強的空間和抽象性，需要學生有很強的空間想象能力。雖然隨著教育信息化的發展，在工程制圖課中多媒體技術應用比較廣泛，但現有的教學軟件多采用圖片和視頻來實現的，其交互過程中自主性較差，缺乏靈活的交互行為。從2020年至今，根據疫情防控要求，高校課程改革面臨著從“線下”向“線上”轉變的需要，充分發揮線上教學的優勢。因此，以當前工程制圖課程為基準，基于Unity3D 軟件，與傳統教學模式相機結合，利用虛擬現實技術和網絡技術構建一個可以實時交互、具有沉浸感的虛擬實驗室勢在必行。

開發基于Unity 的工程制圖沉浸式虛擬現實教學軟件，建立工程制圖在線教學網站。軟件借鑒網絡游戲設置關卡，將VR 敘事的方法應用到虛擬仿真實驗開發中，每關將學習、練習、思政、娛樂融為一體。用戶可以不受操作系統的限制，從手機或電腦端從不同角度觀察、縮放、旋轉模型，以任意平面剖切模型，實時投影生成工程圖，實現交互操作。逼真切具有沉浸感的操作環境能提升學習者的學習興趣和學習自主性。

3 “工程制圖”虛擬實驗室的搭建設計

3.1 模型庫的搭建

在工程制圖虛擬實驗室的建設中，所用到的所有實體模型均采用UG、CATIA、Solid Works 和3Ds Max 等三維軟件進行構建。依托現有的教材，通過對教材所用到的模型進行測繪，按比例構建教材中所用到的模型，避免因虛擬實驗室的模型與教材不匹配給用戶帶來不便。

工程制圖虛擬模型庫包括點線面投影模型所用的畫法幾何、基本體及其組合成的組合體庫、常用標準件零件模型庫如螺紋、齒輪、軸承、鍵、銷等模型。將模型文件導出成FBX 格式，在Unity 中加載到Assets 文件夾下，此時這個模型在Unity3D 中作為預設體Prefab 存在，便于使用。

3.2 工程制圖虛擬實驗室的設計

工程制圖虛擬實驗室特色之一是課程知識與游戲功能進行結合，在游戲功能層的基礎上，將課程內容與游戲功能相結合，做到寓教于樂，學生在輕松游戲同時，也掌握了課程知識，合理搭建游戲場景，讓枯燥的課程內容在學生的學習過程中變得有趣起來，使學生沉浸其中。

工程制圖虛擬實驗室結構的設計以課程知識為基礎，根據章節知識細分，將游戲關卡和練習考試融入其中，采用自上而下的結構框架。如圖1所示為工程制圖虛擬實驗室結構設計。

圖1 工程制圖虛擬實驗室結構設計

明確了功能模塊后，從用戶的需求出發，將每個功能模塊串聯起來便構成了虛擬實驗室。UI 設計效果如圖2所示。

圖2 虛擬實驗室界面

采用自上而下的構架設計，先確定好主題，再按章節內容細分到各個小節知識設計。工程制圖虛擬實驗室的部分界面如圖3所示。

圖3 剖切部分章節界面設計

在零件拆裝的模塊中，點擊拆裝UI 按鈕，進入拆裝界面，通過鼠標點擊移動零件即可激活該零件進行自由拖拽。將拆裝步驟設定好之后，系統會根據操作者拆裝的順序進行判斷，若步驟錯誤則無法激活裝配體，并給出提示。當裝配完成且全部正確后，TXT框則會做出“裝配完成”的文字提示。虛擬拆裝和運行原理模塊如圖4所示。

圖4 虛擬拆裝與運行原理模塊

當工程制圖課程知識被安排好后，需要將課程知識與游戲功能進行結合，因此，在游戲功能層的基礎上，把課程知識與游戲功能適當結合起來。讓學生在無感知的情況下，通過玩游戲，解決游戲中的游戲任務，輕松而愉快地掌握工程制圖的課程知識。

3.3 漫游相機功能的實現

環境交互設置為了增加虛擬實驗室的生動性，對交互界面進行了設置，通過設置相機Camera 屬性中的camera 組件，背景效果為自定義的Camera Clear Flags.Solid Color；同時在添加組件Add Component 中添加Audio 音頻組件，使虛擬交互界面更加形象生動。

為了增加空間感和操作感，將模型以全方位視角形式展示給用戶，需要360°全角度觀察模型，實現學生與虛擬實驗室中模型的全方位人機交互的自主性和靈活性。這需要使用Unity 相機模塊。操縱相機旋轉、縮放、平移相機視野來實現。創建C#腳本，將其掛載到創建的攝像機camera 下。實現其功能的部分代碼為：

其中Target 表示旋轉以及縮放中心的目標物體。通過鼠標滾輪（Mouse ScrollWheel）控制相機與目標距離Distance 來實現物體的縮放。點擊鼠標右鍵Input.GetMouseButton(1)，調用Quaternion.Euler（）方法實現相機繞物旋轉。

4 結 論

基于Unity3D 開發的工程制圖虛擬仿真實驗室能應用于各大院校的工程制圖課程教學中，特別是針對機械專業的學生，如車輛工程、機械制造及其自動化、機電工程、汽車服務過程、交通運輸等專業，通過沉浸式的人機交互來學習工程制圖知識，豐富和優化教學方法，建立“以學生為中心，以興趣帶動學習”的新型游戲化學習模式，讓學生通過虛擬仿真的方式來掌握知識，感受愉快的學習體驗，進而激發學習欲望，主動去學習知識，提高學習效率和質量。