VR/AR技術在高職機械制圖教學中的應用研究

摘要：隨著高等職業院校生源變化和教學改革發展，傳統方式的機械制圖類課程教學已經不能滿足要求。采用VR/AR的混合增強教學模式可以有效提升學生的學習效果。本文闡述了VR/AR在機械制圖教學領域的應用現狀，設計并進行了VR/AR在高職機械制圖應用的相關實驗。實驗結果表明，通過VR/AR技術有效增強了學生的學習效果，顯著提升了成績。

關鍵詞：高職；機械制圖教學；VR；AR

1. 研究背景

高職院校中的機械制圖課程是機電類專業最為重要的專業基礎課程之一。我們在教學實踐工作中發現，目前部分學生在機械制圖系列課程的學習過程中存在一定困難，具體情況如下：課程涉及大量的國家標準等記憶性內容，且傳統的授課形式較為枯燥；機械制圖課程是大多數機電類專業的第一門專業基礎課，且學習該課程的思維方式與其他課程區別較大，學生由于缺乏相關學習和實操經歷，感覺課程上手難；參加課程的學生生源十分多樣，包括中職競賽獲獎生、中職畢業生、普通高考文/理科生、高職擴招的下崗職工和退伍軍人、現代學徒制生等，學習基礎和能力等背景差異較大。MR（merged reality，即集成虛擬現實VR和增強現實AR的混合現實技術）作為一種高存在感、高交互性和高自主性的教學技術，可以提升學習者學習興趣、學習效率和空間能力。因此如何將VR/AR技術應用在機械制圖的教學領域，并結合新時代課程改革和職業教育發展的趨勢，全面提高機械制圖課程的教學水平，是本文研究的主要內容。

2. MR技術在機械制圖教學領域的應用與研究

近年來，國外的工程制圖教育研究多圍繞制圖軟件展開，如AutoCAD在建筑制圖、電子制圖，和機械制圖（教學中的應用，探討軟件與紙筆教學的差異與融合、軟件教學策略）等內容，其研究對象主要是高等教育階段學生，尤其專門關注高職學生。采用計算機網絡教學通過基于網頁的三維模型來進行第三角畫法的教學，學生的學習效果和成績有較大幅度的提高[1]。同國外相比，國內針對高職機械制圖教學的研究更為豐富，在中國知網上可檢索到的論文有數百篇，顯示了該領域研究的重要性和特殊性。利用MR技術提升學生的學習興趣、空間能力以及學習效果，是目前國內外教育技術研究中頗具潛力的前沿方向之一。

2016年8月，英特爾公司首次提出了MR技術，呈現了兼具真實性和互動性的可視化環境。該技術利用空間掃描定位功能，將真實環境與虛擬環境構成一個三維空間，感知和跟蹤真實環境、用戶動作與方位，實時呈現符合用戶感官系統的畫面，彌補了VR與真實世界的隔絕感和AR應用范圍局限的缺點。

在教育領域，MR與VR、AR的最大區別在于學生不僅能看到具有高度真實感的可視化環境，還能采用語音、手勢、觸摸等方式與MR環境中的事物進行交互[2]。這種深度感官體驗極大提升了學生的沉浸感和代入感，有助于增強其空間能力，輔助其掌握抽象的空間概念，因而逐漸應用于醫學、建筑等教學中。

目前關于MR技術在職業教育領域的應用主要圍繞兩個方向發展：一是MR教學環境，這主要由行業公司（如國外的微軟和國內的影創科技等）制作的軟硬件和各學校建設的MR智慧教室共同實現。建立了機械制圖課程自主學習中心，就是融合機械制圖、畫法幾何基礎、國家標準、零件圖、裝配圖、建筑制圖、3D打印等于一體的網絡教學平臺，其中少量融入了VR/AR技術，但仍然以CAD及PPT等傳統教學為主[3]。二是MR課件資源及教學應用方案。這主要由教師根據具體教學內容在現有VR/AR教學研究和實踐基礎上開展，這部分內容正是本課題的研究核心。例如，針對高職機械制圖教學，開發了國內領先的機械制圖VR虛擬裝配平臺，通過AutoCAD拆畫、Solidworks三維建模、3DMax轉化VPR文件等形式，讓學生在全息臺桌面式3D教學環境中實現基于裝配圖的操作和互動。

利用手機為基礎的AR交互教學系統的設計，主要是通過手機拍攝預置的工程圖就可以得到三維立體圖形和掃描相應的一個視圖，即可自動獲得三視圖，實現了雙向的AR互動模式，并可利用手機、平板等移動端開展AR模式的機械制圖教學活動，學生的學習成績提高了三分左右，并且有效減輕了教師的教學壓力[4]。

而如何在此類教研成果的基礎上，設計開發適應新近建設的MR全息教室的課件資源和教學應用方案，是目前推進MR教學研究進程中亟待解決的問題。3D打印輔助加上三維VR技術，引入受力分析的內容。通過問卷調查，學生的學習興趣、空間想象力和學習成績都有顯著的提高[5]。通過多媒體動畫技術，提升了機械制圖課程的教學效果和應用能力，學生的學習感受較好，并進行了一定程度的推廣[6]。建立全鏈條式的機械制圖VR/AR技術教學模式，并結合人工智能領域的應用，是未來的發展方向。

通過和職業院校學生對比，研究發現高職院校的學生運用VR/AR技術還存在一些獨特的優勢：一是如前所述，高職院校的學生來源和基礎水平有所不同，而VR/AR技術恰恰為分層次教學提供了一個良好的手段。比如有一些基礎很好的競賽獲獎的學生，VR/AR技術可以作為高難度機械制圖圖紙和相應結構的很好的輔助。而作為普通中職學生，VR/AR技術幫助他們在中職學習的基礎上進一步提高，尤其是相對復雜形體的學習和裝配臺的拆裝過程，通過VR可以得到非常直觀的展示。普通高中的畢業生，基本上都沒有機械制圖學習的相關基礎，而VR/AR技術可以幫助他們從零學起。對于簡單的三視圖，尤其是剖視圖和斷面圖部分，VR/AR技術可有效幫助學生克服最初學習機械制圖的困難，迅速掌握基本形體的制圖方法。

二是對于高職學生來說，大多數學生的理論水平雖然和普通本科生有一定的差距，但是動手實踐能力較強。VR/AR技術不僅幫助學生提升學習效果，而且提升了學生的學習興趣。大多數學生對動手做的活動十分感興趣，部分優秀學生甚至可以幫助教師設計制作VR/AR的模型。

三是技術應用具有延續性。對于機械制圖零件圖、裝配圖部分的VR/AR模型，可以繼續運用在機械設計、機械零件、機械工藝等相關后續課程中。學生在學習相應的后續課程時會有一種熟悉的感覺。相應的模型甚至可以作為學生畢業設計的課題，對學生進行綜合的訓練。

3. MR技術在機械制圖相關課程的應用

為了適應高等職業教育的發展，深圳職業技術學院機械制圖教學團隊將AR、VR、三維制圖軟件、二維制圖軟件、動畫、網絡平臺及實體模型結合在一起，全方位運用在機械制圖、建筑制圖、AUTOCAD機械、AUTOCAD建筑、中望CAD、Inventor機械、Solidworks等課程的教學活動中，并且通過對比實驗，充分研究VR/AR等相關技術在機械制圖類課程的教學效果及學生的反饋，以便持續進行課程改革，提升教學效能。

3.1 實體教學模型的應用

雖然數字化教學方式已經得到了廣泛的應用，但實體教學模型仍然是機械制圖教學領域不可或缺的重要手段，學生通過觀察實體模型，很容易對三視圖有深入的理解，而且我們采用了組合模型，可以將復雜的組合體進行拆卸，便于學生加深對復雜形體的理解和組合疊加法的應用。此外，對于裝配體，例如減速器和發動機等，通過拆卸實體模型可以增加學生對零部件和裝配體整體的認識，對機械制圖的學習產生進一步的興趣。

3.2 課程PPT的應用

PPT是最為常用的數字化教學手段。雖然是常規的教學手段，但是可以通過改進內容和形式進一步提升教學效能。比如加入仿真動畫、視頻、網頁鏈接等，加入VR/AR的相應內容，提升教學信度效度。

3.3 課程動畫的應用

動畫也是一種常用的教學手段。加入游戲化的元素，與專業知識相結合，可以提升教學的質量。

3.4 Solidworks等三維軟件的應用

利用三維軟件可以實現360°無死角的觀察，使得各類復雜形體更容易學習掌握。通過軟件可以快速生成三視圖、斜視圖、剖視圖等二維平面工程圖，很方便學生學習。另外，可以分步驟完成形體的疊加和切割過程，同步觀察三視圖的變化，還可以將拆裝過程制作成動畫，從而實現虛擬現實的基礎。

3.5 AUTOCAD等二維軟件的應用

利用AUTOCAD、中望CAD等二維軟件可以實現展示三視圖的快速繪制過程，進行快速現場演示，并可以教會學生利用CAD繪制標準的工程圖，從而提升繪圖能力。

3.6 VR模型的應用

在制圖課程中常用的VR模型有兩種。一種是利用VR眼鏡等特殊設備進行觀察，主要適用于裝配體的學習，但受制于設備的局限性；另一種是利用手機軟件實現VR三維立體觀察，設備簡單，操作容易，可以變換視角，方便學生進行全方位的學習。VR模型還可以運用在平板電腦上，編輯方式可在電腦和手機上實現自由轉換。

3.7 AR模型的應用

采用掃描或者拍照的方式，將機械制圖教材的部分形體和裝配體設計成AR模型，并且可以利用手動實現裝配功能，而且能生成對應的三維視圖，方便學生在對教材進行自學時更加深入地掌握立體構型的相關知識。

4. MR技術在機械制圖相關課程的具體實施方法

綜合上述七種方式，我們采用了理論與實際相結合、技術與實操相結合，由易到難來設計機械制圖的教學方法。具體的模式是：

（1）對于總體的教學模式，將傳統的紙筆繪圖升級為紙筆+計算機繪圖相結合的方式，通過“VR+AR”的混合現實增強技術（MR）來提升教學效果，實現多維度多模式立體化教學。

（2）對于基礎知識方法，充分利用題庫和游戲化教育教學平臺，輔助以視頻和VR技術，使學生克服這部分知識較為困難的局限性，打好制圖的基礎知識。

（3）對于三視圖和二補三的學習，是整個教學的重點和難點，充分利用課堂PPT和模型，二維軟件與三維軟件相結合作為課上主要的模型解題手段，VR/AR模型作為主要的課前課后自學手段，動畫及視頻作為補充學習手段。

（4）對于機械表達方法的學習，主要是在剖視圖和斷面圖的學習中，利用課堂PPT和可切斷剖開模型的展示，重點利用三維軟件來剖開形體內部顯示剖視圖的真實表達方法，VR/AR進行輔助展示。

（5）對于零件圖的學習，主要是利用PPT的基本知識講解和實物展示，然后利用VR和AR展示零件的形狀、尺寸和結構等，VR/AR進行輔助展示。

（6）對于裝配圖的學習，要是利用PPT的基本知識講解和實物展示，然后重點利用三維軟件生成二維裝配圖和零件圖，以及利用三維軟件及動畫來展示各個零件的拆裝過程，VR/AR也能起到類似的效果，并方便學生課后自習。

5. 教學實驗設計方案

選擇XX職業技術學院機電學院機械專業高職專科三年制的學生進行實驗。這三個班的入學成績、學生來源、班級人數、性別比例和機械制圖相關專業的基礎基本相同。一班是對照組，所有學生只采用傳統的PPT和實體模型進行教學；二班是初步實驗組加入了二維CAD和三維Solidworks軟件的教學內容輔助學習；三班是高級實驗組，除了傳統的PPT和實體模型進行教學及二維三維軟件進行教學的環節以外，加入了VR/AR教學內容進行輔助學習，并加入適當的動畫內容。通過一段時間學習，二班學生完成二維三維軟件學習效果的相關問答，三班學生完成二維三維軟件學習效果及VR/AR輔助學習的相關問答。此外，對學習效果和成績進行評價。

6. 實驗結果

經過兩個月的教學，對于二班學生和三班學生做相應的問答。對于課程PPT和動畫等相對比較傳統的教學模式，只有11%的二班學生和9%的三班學生認為對自己的機械制圖學習有所提升，而超過80%的二班和三班學生都認為沒有任何的提升。對于Solidworks三維軟件教學模式，只有22%的二班學生和18%的三班學生認為對自己的機械制圖學習有所提升，而70%的二班和70%的三班學生都認為沒有任何的提升。對于CAD二維軟件教學模式，只有25%的二班學生和28%的三班學生認為對自己的機械制圖學習有所提升，而68%的二班和65%的三班學生都認為沒有任何的提升。

而對于采用VR/AR教學技術的三班學生來說，其學習感受就好得多。對于VR模型教學模式，有87%的三班學生認為對自己的機械制圖學習有所提升，而只有5%的三班學生認為沒有任何的提升。對于AR模型教學模式，有92%的三班學生認為對自己的機械制圖學習有所提升，而只有3%的三班學生認為沒有任何的提升。

總體來講，對于信息化的教學手段，有30%的二班學生和95%的三班學生認為對自己的機械制圖學習有所提升，而50%的二班和3%的三班學生認為沒有任何的提升。至于主觀感受，二班學生普遍感覺CAD和Solidworks的學習效果對空間的認知和工程圖的識圖有一定程度的幫助，但作用并不明顯。而對于三班學生，VR/AR教學技術對于模型空間認識、二維圖的繪制、裝配體的拆畫都有很大的幫助。成績對比，相比較一班的機械制圖課程成績，二班的期中測試平均分提高了0.85分，三班提高了1.27分；而期末成績二班平均分提高了1.53分，三班提高了2.35分，均有較大程度的提高。

結語

通過對比實驗結果，證明了VR/AR技術在高職機械制圖中，不僅是教學效果，而且對于學習成績的提高有很大的幫助作用。下一步要結合人工智能技術，進一步提升VR/AR技術的學習效果。對于今后VR/AR技術在高職機械制圖的應用前景，有以下三個方面的應用：一是VR/AR技術與人工智能技術相結合，從而擴大VR/AR技術的應用范圍和改進效果；二是VR/AR技術結合其他現實技術形成MR技術，使得學生的學習效果更為充分，學習興趣得到進一步提高；三是更加注重與傳統紙筆制圖的結合與分工，使學生充分掌握各種制圖技術。

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作者簡介：王萌，博士，講師，研究方向：機械制圖。

課題項目：深圳市教育科學2021年度規劃課題（編號：ybzz21016）。