VR技術(shù)在中職《機(jī)械制圖》課程中的應(yīng)用

【摘 要】本文基于中職機(jī)械類專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課程《機(jī)械制圖》存在的問題，提出利用虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)引入大量的3D模型，創(chuàng)造虛擬的三維空間，以有效解決學(xué)生空間想象能力弱、識圖與繪圖能力差的問題。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實技術(shù) 《機(jī)械制圖》 中職學(xué)校 學(xué)習(xí)環(huán)境? 實踐能力

【中圖分類號】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2020）46-0103-03

VR技術(shù)是通過顯示器上的圖形方式表達(dá)用戶計算機(jī)的數(shù)據(jù)，在合理操作下產(chǎn)生的交互感受所幻想出來的一個空間。VR技術(shù)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(jī)交互，讓用戶仿若身臨其境。近年來，VR技術(shù)在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時也促進(jìn)了中等職業(yè)教育的改革與發(fā)展。將VR技術(shù)與中職機(jī)械制圖課程相結(jié)合，可以有效解決學(xué)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(xué)效率具有一定的參考價值。

一、中職《機(jī)械制圖》課程教學(xué)面臨的難題

《機(jī)械制圖》是一門研究機(jī)械圖樣識讀與繪制方法的課程，是中職機(jī)械類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也是從事機(jī)械行業(yè)專業(yè)技術(shù)工作必須掌握的一項職業(yè)技能。該課程通過投影理論的學(xué)習(xí)，注重發(fā)展學(xué)生的空間想象構(gòu)形能力、空間幾何想象能力和空間分析問題能力，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能。然而，在中職學(xué)?！稒C(jī)械制圖》教學(xué)中面臨很多難題，比如實訓(xùn)示范成本昂貴、實訓(xùn)設(shè)備不足、實訓(xùn)造成大量耗材等。加之空間思維過程很難用語言精準(zhǔn)地進(jìn)行表達(dá)，對空間想象能力比較弱的學(xué)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(dǎo)致《機(jī)械制圖》教學(xué)整體效果不佳。國家中長期教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）中鼓勵職業(yè)教育要充分借助現(xiàn)代化教學(xué)手段和信息化技術(shù)，對原有教育模式進(jìn)行全面改革。因此，在《機(jī)械制圖》教學(xué)中充分利用VR和AR技術(shù)，通過構(gòu)建虛擬的教學(xué)模型和環(huán)境，將虛擬的影像疊加到現(xiàn)實世界，形成一個虛實結(jié)合的環(huán)境，不僅能打破空間的限制，超越學(xué)生現(xiàn)實的感官體驗，為學(xué)生帶來良好的交互性、構(gòu)想性和沉浸感，而且可為學(xué)生提供更為生動、豐富的學(xué)習(xí)資料與模型，有利于促進(jìn)機(jī)械制圖教學(xué)模式的改革和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，能有效提高《機(jī)械制圖》教學(xué)效果。

二、VR技術(shù)在中職《機(jī)械制圖》課程中的應(yīng)用策略

課堂教學(xué)的目的是以最為有效、富有趣味的教學(xué)方式向?qū)W生傳授和遷移知識?！稒C(jī)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(shù)，開發(fā)各種直觀易用、立體交互的教學(xué)資源和實訓(xùn)平臺，能夠讓學(xué)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(xué)重難點，強(qiáng)化學(xué)生的空間想象能力，而且通過線上+線下相結(jié)合的混合教學(xué)模式引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和效果的提升。

（一）VR技術(shù)在《機(jī)械制圖》教材資源開發(fā)中的應(yīng)用

教材是課堂教學(xué)的重要載體，近年來隨著VR和AR技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新出版的相關(guān)教材中都增添了VR和AR資源。在當(dāng)前學(xué)校難以全面更換教材的背景下，教師可以結(jié)合中職生特點及《機(jī)械制圖》課程教學(xué)目標(biāo)，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(xué)平臺或進(jìn)行打印，在課前預(yù)習(xí)階段，將相應(yīng)的圖紙發(fā)送給學(xué)生，這樣學(xué)生只需要便捷地用手機(jī)掃一掃，在手機(jī)屏幕上就能顯現(xiàn)出二維圖形相應(yīng)的三維模型。學(xué)生還可以通過觸摸手機(jī)屏幕，實現(xiàn)對三維圖形的縮放、移動、旋轉(zhuǎn)等操作，從而很好地解決平面二維紙只能表達(dá)一兩個面的弊端，更加全面認(rèn)識該模型。比如，在學(xué)習(xí)“外嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)”時，教師通過不同渠道將帶有外嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)X虛擬仿真資源的電子圖紙發(fā)送給學(xué)生，并指導(dǎo)學(xué)生下載相應(yīng)的資源，學(xué)生經(jīng)過課前預(yù)習(xí)對外嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)已有全面認(rèn)識，到課堂教學(xué)時，理解起來自然容易得多。

利用《機(jī)械制圖》虛擬仿真教學(xué)資源充分體現(xiàn)了三維可視化及互動學(xué)習(xí)的特點，將難以學(xué)習(xí)的知識點以虛擬仿真資源的形式進(jìn)行介紹，從而達(dá)到“易學(xué)易懂”的目的。

（二）VR技術(shù)在《機(jī)械制圖》中的應(yīng)用

《機(jī)械制圖》VR教學(xué)，將課本上的知識點設(shè)計在真實的情境中，通過問題情境促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建知識體系，從而有效引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。VR技術(shù)在《機(jī)械制圖》中的應(yīng)用主要包括讀組合體視圖、剖視圖表達(dá)、裝配體識讀等方面。

1.VR技術(shù)在讀組合體視圖中的應(yīng)用。讀組合體是機(jī)械制圖課程學(xué)習(xí)中的重難點。在教學(xué)過程中，需要有效結(jié)合投影物的特點，通過對點、線、面及組合體各種關(guān)系深入分析，才能更好地幫助學(xué)生進(jìn)行組合體的構(gòu)型。通常來說，組合體的構(gòu)成主要包括切割基本組合及基本幾何體，傳統(tǒng)的《機(jī)械制圖》教學(xué)無法全面地向?qū)W生展示組合體的切割情況;而運(yùn)用VR技術(shù)，可以開展對組合體的虛擬切割的體驗教學(xué)，促使學(xué)生更深入地了解組合體的構(gòu)型方式，為學(xué)生后續(xù)進(jìn)行組合體形體分析奠定基礎(chǔ)。

為有效培養(yǎng)學(xué)生讀組合體視圖能力，基于VR技術(shù)構(gòu)建組合體虛擬教學(xué)輔助系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)可以快速生成具體的組合體虛擬拆裝應(yīng)用，為學(xué)生提供虛擬環(huán)境下的交互拆裝操作，學(xué)生可以使用鼠標(biāo)、鍵盤、手柄、數(shù)據(jù)手套等交互工具，進(jìn)行交互式的抓取、移動、拆裝、組合等，實現(xiàn)組合體的拆裝與組合，進(jìn)而驗證學(xué)生的拆裝過程，并生成相應(yīng)的作業(yè)指導(dǎo)書。學(xué)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(jié)構(gòu)了解更深。

2.VR技術(shù)在剖視圖表達(dá)中的應(yīng)用。剖視圖可以清晰、全面地展現(xiàn)各個零部件的形狀、結(jié)構(gòu)及連接狀況。若要繪制出零部件的槽孔，剖視圖表達(dá)是最常用的繪圖方式。在《機(jī)械制圖》教學(xué)中，學(xué)生普遍反映繪圖中最難的部分就是剖視圖的表達(dá)。要想正確畫出零部件的內(nèi)部狀況，需要學(xué)生對組合體完全理解。但在傳統(tǒng)《機(jī)械制圖》教學(xué)中，部分學(xué)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(shù)運(yùn)用在零件模型的建立中，有助于學(xué)生對剖視圖畫法有更加深入的了解，而且可以通過運(yùn)用剖視圖對零部件的各個角度及方位的三維視圖情況進(jìn)行詳細(xì)觀察，這樣就能簡單地將實物與零部件的內(nèi)部狀況結(jié)合起來進(jìn)行繪圖，大大降低了剖視圖表達(dá)難度，有利于樹立學(xué)生的繪圖信心。

3D秀秀是一款基于WEB展示產(chǎn)品3D模型的軟件，可以用于3D模型的拖拽、剖切、旋轉(zhuǎn)、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(dá)中，筆者結(jié)合3D秀秀軟件的優(yōu)勢，利用CAD軟件事先做好三維數(shù)字模型并上傳，然后進(jìn)行模型的編輯使其轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行剖切現(xiàn)實和交互瀏覽的web3D模型，學(xué)生可以在移動手機(jī)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(gòu)型并正確地進(jìn)行剖視圖表達(dá)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(jìn)行模型自轉(zhuǎn)、爆炸、背景音樂、調(diào)節(jié)燈光、紋理、陰影等高級模型編輯工作。在完成編輯與模型預(yù)覽設(shè)置后生成Web3D文件，然后以網(wǎng)頁的鏈接形式發(fā)送給學(xué)生，學(xué)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(jìn)行切割，極大地促進(jìn)學(xué)生對支架組合體的認(rèn)知與理解。

3.VR技術(shù)在裝配體識讀中的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的《機(jī)械制圖》教學(xué)中，學(xué)生未能真正深入了解與掌握各種零件的結(jié)構(gòu)、形狀及相應(yīng)的裝配原因、關(guān)系等。由于很多中職院校都存在機(jī)械結(jié)構(gòu)認(rèn)知模型數(shù)量不足、真實產(chǎn)品模型損壞率非常高的狀況，學(xué)生很少有拆裝這類裝配體的機(jī)會，從而導(dǎo)致對裝配體的識讀比較困難。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及圖像技術(shù)的快速發(fā)展，運(yùn)用VR技術(shù)能構(gòu)建虛擬產(chǎn)品的三維模型，這為《機(jī)械制圖》教學(xué)中開展虛擬結(jié)構(gòu)認(rèn)知實驗提供了很好的條件。運(yùn)用零部件三維模型，能讓學(xué)生對各個零部件的真實形象具有正確的認(rèn)知，了解各個零件的連接狀態(tài)及傳輸動力，便于學(xué)生對裝配體中的各類零部件進(jìn)行分析。比如，在學(xué)習(xí)“齒輪減速器”時，在互聯(lián)網(wǎng)共享的三維互動虛擬實驗室中，學(xué)生只需要簡單操作鍵盤與鼠標(biāo)就能對齒輪減速器的模型進(jìn)行反復(fù)地拆裝，而且系統(tǒng)中為學(xué)生設(shè)置了模型拆裝演示動畫、（下轉(zhuǎn)第139頁）（上接第104頁）鼠標(biāo)點擊拆裝及鼠標(biāo)拖拽拆裝等學(xué)習(xí)內(nèi)容。VR技術(shù)在裝配體識讀中的應(yīng)用，讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)，掌握齒輪減速器的拆裝要領(lǐng)，不僅有利于強(qiáng)化學(xué)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(yǎng)學(xué)生的動手能力及工程操作意識。

VR技術(shù)在復(fù)雜裝配體識讀中的應(yīng)用具有無可比擬的優(yōu)勢，不僅能讓每一名學(xué)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(tǒng)教學(xué)不能用實際產(chǎn)品進(jìn)行親身體驗的弊端，有力地推動了教學(xué)模式的改革，豐富了教學(xué)資源，促進(jìn)了學(xué)習(xí)效率的提升。

基于VR技術(shù)的中職《機(jī)械制圖》課程教學(xué)，突破了傳統(tǒng)模式的瓶頸，讓學(xué)生在VR技術(shù)創(chuàng)造的模擬三維空間內(nèi)自由地進(jìn)行訓(xùn)練與操作，自主性、交互性和感知性更強(qiáng)，有效地提高學(xué)生的識圖能力、空間想象能力、繪圖能力及創(chuàng)新能力，推動了機(jī)械專業(yè)課程的改革與創(chuàng)新。因此，教師應(yīng)結(jié)合中職生特點，積極探索適合學(xué)生特點和能力發(fā)展的《機(jī)械制圖》VR課程教學(xué)模式，以真實的情境、豐富的資源、切身的體會，強(qiáng)化學(xué)生對機(jī)械零部件的理解與操作，提高學(xué)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(jī)電專業(yè)教學(xué)。

（責(zé)編 文 煜）