短學(xué)時(shí)本科機(jī)械類(lèi)課程的VR補(bǔ)充教學(xué)實(shí)踐研究

李政民卿　朱如鵬

摘要：本文針對(duì)短學(xué)時(shí)本科機(jī)械類(lèi)課程，開(kāi)展了基于VR技術(shù)的課內(nèi)試驗(yàn)補(bǔ)充教學(xué)嘗試，開(kāi)發(fā)了齒輪箱裝拆桌面式虛擬系統(tǒng)。教學(xué)實(shí)踐表明VR不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)現(xiàn)良好教學(xué)達(dá)成度，而且還可以減少試驗(yàn)成本等。本次VR補(bǔ)充教學(xué)實(shí)踐將為VR技術(shù)在本科機(jī)械類(lèi)課程教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)用提供一定借鑒和幫助。

關(guān)鍵詞：本科教學(xué)；教學(xué)能力提升；VR技術(shù)；教學(xué)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）04-0083-03

一、引言

隨著時(shí)代不斷發(fā)展，人類(lèi)知識(shí)體系成指數(shù)性膨脹，為了讓工科本科生在建立必要理論基礎(chǔ)的同時(shí)，能夠更多更全面地了解科學(xué)社會(huì)的發(fā)展，很多高校都在不斷開(kāi)設(shè)與時(shí)俱進(jìn)的新課程，但由于本科階段總學(xué)時(shí)的限制，導(dǎo)致工科本科生必須要求掌握的傳統(tǒng)理論基礎(chǔ)課程學(xué)時(shí)受到一定擠壓。因此，在保證本科生能夠很好掌握理論基礎(chǔ)課程的前提下，很多專(zhuān)業(yè)將原有基礎(chǔ)理論課程中拓展和鞏固基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)時(shí)刪減了。類(lèi)似于這種課程的課時(shí)刪減是無(wú)可厚非的，但是這也給教授這類(lèi)課程的教師帶來(lái)了全新的挑戰(zhàn)，即：如何在刪減課時(shí)的同時(shí)，利用先進(jìn)教學(xué)方法和手段達(dá)到原有課程教學(xué)效果。為此，很多高校老師開(kāi)展了基于虛擬仿真，即Virtual Reality （VR）技術(shù)的教學(xué)嘗試和研究。杜紅軍等將VR技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械維修教學(xué)中，降低了教學(xué)操作的危險(xiǎn)性和成本[1]；吳飛等開(kāi)展了加工中心裝拆試驗(yàn)的VR教學(xué)研究，提高了教學(xué)效率[2]；劉振俠等開(kāi)展了VR技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)建模和試驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[3]；郭勇陳等對(duì)經(jīng)管類(lèi)實(shí)驗(yàn)課程中應(yīng)用VR技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和分析[4]；趙萌等開(kāi)展了VR在實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中的實(shí)踐研究[5]；等。根據(jù)有限的VR在教學(xué)中的實(shí)踐研究文獻(xiàn)可知，VR技術(shù)可以促進(jìn)教學(xué)活動(dòng)效率的提高和教學(xué)成本的降低。

本文以短學(xué)時(shí)本科機(jī)械類(lèi)課程，即：由于課時(shí)刪減，將原先鞏固知識(shí)要點(diǎn)和拓展學(xué)生對(duì)機(jī)械感知的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)取消的課程，例如近機(jī)類(lèi)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程，開(kāi)展基于VR技術(shù)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐研究。本次教學(xué)實(shí)踐表明VR課內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行嵘龑W(xué)生對(duì)機(jī)械的感知能力，能夠彌補(bǔ)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課時(shí)刪減導(dǎo)致教學(xué)達(dá)成度不佳的缺憾。本次VR補(bǔ)充教學(xué)實(shí)踐對(duì)促進(jìn)傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程課時(shí)的分配，以及教學(xué)質(zhì)量的提升有著重要的幫助和促進(jìn)作用。

二、VR的定義及分類(lèi)

1989年，美國(guó)VPL公司創(chuàng)始人杰倫·拉尼爾提出了“虛擬現(xiàn)實(shí)”的概念，即：利用計(jì)算機(jī)模擬一個(gè)三維虛擬世界，為使用者提供包括聽(tīng)、視、觸等模擬感知?！疤摂M現(xiàn)實(shí)”是通過(guò)綜合人工智能、并行計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多種技術(shù)在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建一個(gè)盡可能接近現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境，并為使用者在觸、嗅、視、聽(tīng)、味等方面提供身臨其境的感覺(jué)。美國(guó)學(xué)者Philippe Coiffet 和Burdea G在論文“Virtual Reality System and Applications”[6]中提及VR的三個(gè)特征，即：沉浸性、想象性和交互性。根據(jù)對(duì)“沉浸性”程度的認(rèn)知，可將VR系統(tǒng)分成4類(lèi)，即：桌面式、沉浸式、增強(qiáng)式和分布式。

1.桌面式系統(tǒng)。該類(lèi)系統(tǒng)主要使用計(jì)算機(jī)、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等外設(shè)，以顯示器、投影儀等視覺(jué)輸出設(shè)備為虛擬環(huán)境視窗，通過(guò)外設(shè)與系統(tǒng)的交互實(shí)現(xiàn)視窗中必要數(shù)據(jù)的輸入和輸出；該類(lèi)系統(tǒng)也被稱為“窗口虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”或“純軟件虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”。此類(lèi)系統(tǒng)的沉浸性低，組織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于推廣普及。

2.沉浸式系統(tǒng)。該類(lèi)系統(tǒng)主要利用3D眼鏡或頭盔顯示器作為視覺(jué)輸出設(shè)備，配合數(shù)據(jù)手套等外設(shè)進(jìn)行觀察和交互；該類(lèi)系統(tǒng)通過(guò)封閉使用者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及其他感覺(jué)，實(shí)現(xiàn)暫時(shí)性的真實(shí)環(huán)境隔離，從而幫助使用者進(jìn)入虛擬空間；在虛擬空間中，使用者利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套等輸入設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行交互，產(chǎn)生一種身臨其境的感覺(jué)。此類(lèi)系統(tǒng)一般需要專(zhuān)用設(shè)備，其推廣較之桌面式系統(tǒng)成本更高。

3.增強(qiáng)式系統(tǒng)。該系統(tǒng)為沉浸式系統(tǒng)的感-觸強(qiáng)化版，即：在傳統(tǒng)“虛擬事物”的基礎(chǔ)上增加“真實(shí)環(huán)境”效應(yīng)，使得使用者不僅能夠感觸到真實(shí)環(huán)境中的物體，而且還可以把虛擬事物疊于真實(shí)物體之上。該系統(tǒng)可通過(guò)3D眼鏡、頭盔式顯示器等，將計(jì)算機(jī)生成的圖形與真實(shí)環(huán)境疊加，利用位置跟蹤實(shí)現(xiàn)定位和物物重疊。此類(lèi)系統(tǒng)不僅可減少?gòu)?fù)雜真實(shí)環(huán)境的分析數(shù)據(jù)，而且可以進(jìn)一步提升使用者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受。此類(lèi)系統(tǒng)需要搭建真實(shí)環(huán)境，雖然其系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和體驗(yàn)性均優(yōu)于沉浸式系統(tǒng)，但是成本較之沉浸式系統(tǒng)有過(guò)之而無(wú)不及。

4.網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)。該系統(tǒng)的本質(zhì)為獨(dú)立分散的桌面、沉浸、增強(qiáng)式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系版；該系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)與其他使用者進(jìn)行交互并共享信息；在這類(lèi)系統(tǒng)中，位于不同地點(diǎn)的多個(gè)使用者能夠同時(shí)參加一個(gè)或多個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)，且可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)的觀察和操作，以達(dá)到協(xié)同工作等目的。該類(lèi)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)分散、多環(huán)境協(xié)同的虛擬體驗(yàn)，是遠(yuǎn)程虛擬實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)。

三、VR補(bǔ)充教學(xué)實(shí)例

本次VR補(bǔ)充教學(xué)實(shí)踐主要針對(duì)本科近機(jī)類(lèi)短學(xué)時(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐。由于課程學(xué)時(shí)的縮減，使得原本該課程中的課內(nèi)試驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)被刪減；經(jīng)一段時(shí)間的教學(xué)活動(dòng)后，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)齒輪箱構(gòu)造的教學(xué)認(rèn)知效果不佳。為此，針對(duì)上述教學(xué)達(dá)成度，開(kāi)展了短學(xué)時(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中齒輪箱裝拆實(shí)驗(yàn)的VR補(bǔ)充教學(xué)實(shí)踐。

近機(jī)類(lèi)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中齒輪箱裝拆實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)思想為[7]：

1.了解齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)。減速器箱體是用以支承和固定軸系零件，保證傳動(dòng)零件嚙合精度、實(shí)現(xiàn)良好潤(rùn)滑及密封的重要零件。臥式減速器多以軸的中面為分箱面，將箱體分為箱座和箱蓋兩部分。

2.了解齒輪箱附件。①檢查孔。為了檢查傳動(dòng)零件的嚙合情況，應(yīng)在箱體的適當(dāng)位置設(shè)置檢查孔。檢查孔通常設(shè)置在箱蓋頂部能直接觀察到齒輪嚙合部位的地方。②通氣孔及其部件。減速器工作時(shí)，箱體內(nèi)溫度升高，氣體膨脹，壓力增大；為不使?jié)櫥脱胤窒涿婊蚱渌p隙滲漏，通常在箱體頂部開(kāi)始通氣孔，并設(shè)置部件。③定位銷(xiāo)。為保證齒輪箱每次裝拆后，軸承座孔始終保持位置精度，應(yīng)在軸承座孔加工前，在上、下箱蓋的聯(lián)接凸緣上配裝定位銷(xiāo)。定位銷(xiāo)一般采用非對(duì)稱布置用以加強(qiáng)定位效果。④油面指示器。為保證齒輪箱內(nèi)潤(rùn)滑油的油量，一般在箱體便于觀察、油面較為穩(wěn)定的位置安裝油面指示器。通常油面指示器分為油標(biāo)尺和觀察窗等。⑤放油孔及其部件。換油時(shí)，為了排放油污等，應(yīng)在箱體底部，即油池最低處開(kāi)設(shè)放油孔；不用時(shí)，需用帶細(xì)牙螺紋的螺塞堵??；放油螺塞和箱體結(jié)合面處應(yīng)加防漏墊圈。⑥啟蓋螺釘。由于齒輪箱剖分面上通常涂有密封膠，在拆卸時(shí)會(huì)造成箱蓋和箱體分離困難。為此，通常在箱蓋聯(lián)接凸緣的適當(dāng)位置加工1-2個(gè)螺紋孔，當(dāng)分離時(shí)，可在螺紋孔中旋入平端螺釘，頂起上箱蓋。⑦起吊部件。為了便于搬運(yùn)，需要在箱體上設(shè)置起吊部件，如吊環(huán)螺釘、吊耳、吊鉤等。⑧軸承端蓋。軸承端蓋分為凸緣式和嵌入式2種；凸緣式軸承端蓋利用螺釘固定在箱體上；軸伸出的軸承端蓋是通孔的透蓋，蓋中應(yīng)安裝密封裝置。endprint

3.了解齒輪箱的潤(rùn)滑和密封。當(dāng)齒輪傳動(dòng)的圓周速度小于等于12米/秒時(shí)，通常采用浸油潤(rùn)滑，利用齒輪回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將潤(rùn)滑油帶至嚙合區(qū)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，此時(shí)軸承可采用飛濺潤(rùn)滑。此外，為了保證箱蓋與箱體間無(wú)滲漏、輸入和輸出部件處無(wú)灰塵和雜質(zhì)等進(jìn)入，也需要進(jìn)行密封。

針對(duì)齒輪箱裝拆指導(dǎo)思想，在教學(xué)成本允許的條件下，利用SolidWorks Composer軟件設(shè)計(jì)了齒輪箱裝拆的桌面式VR交互系統(tǒng)，其部分界面如圖1所示；VR補(bǔ)充教學(xué)按如下步驟，即：①將齒輪箱上下箱體間聯(lián)接螺栓擰下；將軸承端蓋和上箱體間的螺栓擰下；將軸承端蓋和下箱體間聯(lián)接螺栓松開(kāi)；取下齒輪箱的上箱蓋。②觀察齒輪箱結(jié)構(gòu)、潤(rùn)滑方式、零件在軸上的固定方式等。③將軸承端蓋取下；分解傳動(dòng)軸，觀察齒輪和軸的聯(lián)接方式。④將上箱蓋的檢查孔拆下；觀察通氣孔結(jié)構(gòu)；觀察導(dǎo)油槽、定位銷(xiāo)、油面指示器、放油螺塞、啟蓋螺釘、起吊部件等的結(jié)構(gòu)。⑤按反向順序安裝齒輪箱。開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)實(shí)踐。

四、教學(xué)實(shí)踐效果分析

本次教學(xué)實(shí)踐中開(kāi)發(fā)的齒輪箱裝拆桌面式VR系統(tǒng)，雖然沉浸性低，但是實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)的本質(zhì)區(qū)別，即：學(xué)習(xí)中虛擬齒輪箱裝拆交互性差的問(wèn)題。在所開(kāi)發(fā)的VR系統(tǒng)中，學(xué)生利用鼠標(biāo)和菜單給出齒輪箱裝拆指令，系統(tǒng)按設(shè)計(jì)流程完成部件裝拆，同時(shí)實(shí)現(xiàn)裝拆后零部件自調(diào)整觀察；通過(guò)感、視覺(jué)效應(yīng)，將學(xué)生投入到齒輪箱虛擬裝拆環(huán)境中。這種學(xué)習(xí)中的交互產(chǎn)生的想象性，即自主認(rèn)知，使得教學(xué)達(dá)成度獲得質(zhì)的提高。

因此，本次教學(xué)實(shí)踐不僅促進(jìn)學(xué)生對(duì)新技術(shù)的認(rèn)同感，更為重要的是提高了學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)的感性和理性認(rèn)識(shí)以及創(chuàng)新的能力。

五、結(jié)論

針對(duì)短學(xué)時(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程開(kāi)展VR教學(xué)實(shí)踐研究，提出了課內(nèi)試驗(yàn)的VR補(bǔ)充教學(xué)方案，開(kāi)發(fā)了基于SolidWorks Composer軟件的齒輪箱裝拆桌面式VR交互系統(tǒng)。本次教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明：

1.VR教學(xué)可以使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生與真實(shí)環(huán)境一致的感受，從而使過(guò)程變得生動(dòng)，且易于理解和操作。

2.VR教學(xué)要求師生共同參與，增加了互動(dòng)性和課程內(nèi)容的新穎性，可以有效地將學(xué)生的被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，促進(jìn)了學(xué)生的發(fā)散性思維，并有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3.VR補(bǔ)充教學(xué)能夠提高實(shí)驗(yàn)效率、減少實(shí)驗(yàn)資源短缺等難題；提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率，降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本。

本次VR教學(xué)實(shí)踐將為VR技術(shù)在機(jī)械類(lèi)本科教學(xué)活動(dòng)中的應(yīng)用提供良好的借鑒和幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜紅軍，孫輝，朱延旭.VR技術(shù)在機(jī)械維修教學(xué)中的應(yīng)用[J].素質(zhì)教育論壇，2010，（03）：112-113.

[2]吳飛，楊一粟，高尚.加工中心虛擬拆裝系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代機(jī)械，2016，（06）：104-106.

[3]劉振俠，高文君，張麗芬.航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2013，（11）：181-182.

[4]郭勇陳，賈佳麗，王皎琳，周德群.VR技術(shù)在高校經(jīng)管類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2016，（02）：70-75.

[5]趙萌，應(yīng)智國(guó)，陳亮.VR實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2008，（11）：121-122，124.

[6]胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京郵電大學(xué)出版社，2003：120-240.

[7]金奕彤.機(jī)械原理機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)[M].南京航空航天大學(xué)印刷廠，2000：45-47.endprint