基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的“機械制圖”交互式教學(xué)資源開發(fā)

黃 崗，胡冬生，潘常春

（1.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311402；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 311402 ）

0 引言

信息技術(shù)的快速發(fā)展為人們生活、工作帶來了極大的便利。其中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality）以其交互性、沉浸性和構(gòu)想性特征成為信息技術(shù)應(yīng)用開發(fā)的新手段。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入到課程教學(xué)中，無疑為教學(xué)活動的開展提供了新環(huán)境，新資源和新工具，將極大促進教學(xué)模式和教學(xué)組織形式的突破。

“機械制圖”課程是工科類專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，學(xué)習(xí)過程中需要學(xué)生具備良好的空間想象能力，能夠?qū)臻g幾何體和空間位置關(guān)系進行分析。由于一些學(xué)生缺乏空間想象能力，又因為沒有專業(yè)工作經(jīng)驗，接觸實際機械零件的機會少，面對教學(xué)中的機械零件的二維視圖時，很難想象出物體正確的模型輪廓，因而會感到課程學(xué)習(xí)枯燥、乏味，對課程學(xué)習(xí)缺乏興趣。為此，提高“機械制圖”課程教學(xué)效果，首先要幫助提高學(xué)生的空間想象力，再從感性認知轉(zhuǎn)化為理性認知。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)“機械制圖”課程的交互式教學(xué)資源，實現(xiàn)機械制圖知識的可視化，將抽象的制圖知識具象化，方便學(xué)生觀察和認知，進而提高課程教學(xué)效果[2]。

1 教學(xué)資源需求分析

“機械制圖”課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生能夠理解機械零部件的投影原理及二維視圖的表達方法，能夠讀懂并繪制機械零件圖和裝配圖。課程的教學(xué)難點在于，機械制圖的知識點繁多且很多知識點是不能直接觀察到的理想要素和空間關(guān)系，可能會影響學(xué)生對知識點的理解[3]。因此，開發(fā)的“機械制圖”的交互式教學(xué)資源需要將機械制圖中抽象的知識具象化、可視化，幫助學(xué)生理解概念、理清思路，從而提高課程教學(xué)的有效性。

再則，“機械制圖”課程目前的教學(xué)資源存在資源內(nèi)容形式單一；內(nèi)容上缺乏真實感和交互性；與實際教學(xué)需求存在較大差距等問題[4]，亟需改造升級等問題。利用教學(xué)信息化平臺優(yōu)化教學(xué)資源管理，方便現(xiàn)場教學(xué)、自主學(xué)習(xí)等多種混合式教學(xué)形式的使用，提升教學(xué)效果?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的交互式教學(xué)資源，幫助探索新的課程教學(xué)形式，拓展線上教學(xué)資源，在教學(xué)過程中實現(xiàn)“虛實結(jié)合”的新模式。

2 教學(xué)資源系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

根據(jù)“機械制圖”課程的教學(xué)內(nèi)容和要求，同時結(jié)合專業(yè)課程體系建設(shè)需要，對該課程教學(xué)資源進行統(tǒng)一規(guī)劃，教學(xué)載體選用典型機械零部件，通過典型機械設(shè)備案例貫穿，實現(xiàn)專業(yè)課程間的知識點銜接，著力提升基礎(chǔ)課程的通用性，方便學(xué)生建立知識點的聯(lián)結(jié)。課程交互式教學(xué)資源整體打造成立體化資源，包括：圖片、文字、動畫、視頻、模型資源、語音等。資源采用多角度、多形式內(nèi)容相互配合，方便知識點的學(xué)習(xí)，從而提升課程教學(xué)資源的互動性和趣味性。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互式教學(xué)資源的核心是機械零部件模型創(chuàng)建與交互操作。機械零件模型數(shù)據(jù)采用擬實化處理，參照實物原尺寸建模，真實的觀感體驗可讓資源使用變得舒適。在資源使用過程中，好的用戶體驗?zāi)軌蛟鰪妼W(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時也讓用戶的關(guān)注集中于資源內(nèi)容。為提供友好的用戶體驗，教學(xué)資源采用簡單、直接的方式完成交互操作。教學(xué)資源簡約化的交互操作能夠更好空間展示課程教學(xué)內(nèi)容，方便教師、學(xué)生使用。

此外，考慮到教學(xué)資源的使用方便性，教學(xué)資源的發(fā)布采用線上資源模式，無需用戶端額外安裝應(yīng)用程序，可直接通過瀏覽器訪問使用。同時，線上教學(xué)資源模式能夠方便資源后續(xù)的更新。

2.2 內(nèi)容規(guī)劃

根據(jù)“機械制圖”課程教學(xué)的重難點分析，對課程知識內(nèi)容進行分解、設(shè)計，重點開發(fā)基本形體視圖、組合體視圖、剖視圖、軸測圖、典型機械設(shè)備的零件圖和裝配圖的交互式教學(xué)資源，開發(fā)的交互式教學(xué)資源中，典型機械設(shè)備可作為貫穿案例，鏈接相關(guān)專業(yè)課程的知識點，資源內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 “機械制圖”交互式教學(xué)資源總體設(shè)計

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“機械制圖”課程中的應(yīng)用，讓學(xué)生能夠直觀地感知幾何形體的外部輪廓、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，機械零件的工藝結(jié)構(gòu)，機械設(shè)備的裝配結(jié)構(gòu)等機械制圖知識。通過“虛實疊加”功能，將機械制圖中抽象的投影關(guān)系、空間關(guān)系與二維視圖相互疊加對照，進一步提高學(xué)生的識圖、繪圖能力。立體化的交互式教學(xué)資源，也能豐富課程的教學(xué)形式，拓展課程的教學(xué)方法。

3 教學(xué)資源的技術(shù)路徑

“機械制圖”交互式教學(xué)資源開發(fā)的技術(shù)路徑，選以組合體視圖中相貫線知識點的交互式教學(xué)資源開發(fā)為例，講解說明資源的實施過程及技術(shù)路徑。

3.1 模型創(chuàng)建及擬實化處理

在交互式教學(xué)資源中，選用NX 軟件對機械制圖的典型零件進行模型創(chuàng)建，按照實物1頤1 建模。為實現(xiàn)模型真實感，使用3ds Max 軟件給零件模型貼上金屬質(zhì)感的材質(zhì)。如圖2 所示為模型處理的效果對比情況。通過擬實化處理，讓模型更接近真實的機械零件外觀，增強學(xué)生的資源使用體驗感。

圖2 零件模型處理效果對比

完成擬實化處理后，模型導(dǎo)出為AR 編輯器可以支持的GLB 格式文件。GLB 是GLTF 模型的二進制文件格式，信息內(nèi)含節(jié)點層級、幾何體、材質(zhì)、動畫等信息。數(shù)據(jù)導(dǎo)出的技術(shù)實現(xiàn)上，為能順利導(dǎo)出GLB 格式文件，需要在3ds Max 軟件中安裝Babylon.js 插件。同時，模型導(dǎo)出需要注意的事：模型尺寸不超過0.5 m；模型在場景中居中顯示；模型坐標(biāo)位置歸零。

3.2 交互式資源實現(xiàn)

交互式教學(xué)資源開發(fā)平臺選用萬維引擎AR 編輯器，編輯器是基于B/S 瀏覽服務(wù)器架構(gòu)的增強現(xiàn)實（AR）開發(fā)平臺，無需下載安裝即可運行使用，支持Windows、IOS、Android 跨平臺；PC、平板、手機跨終端使用。

教學(xué)資源采用基于Opencv 圖像識別算法的圖片掃描觸發(fā)，通過對錨點圖像的特征分析和特征匹配，觸發(fā)對應(yīng)的教學(xué)資源內(nèi)容。為提高掃描觸發(fā)率，可添加錨點圖像的多角度圖片作為錨點圖片。立體化教學(xué)資源內(nèi)容形式包括了圖片、文字、視頻、模型、聲音、鏈接。通過AR 資源實現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實的疊加，增強機械制圖知識點認知，提升課程教學(xué)效果。

如圖3 所示，掃描錨點圖片就能觸發(fā)組合體視圖的交互式教學(xué)資源，資源內(nèi)容包括微課視頻、知識點文字介紹，零件模型、知識點的講解音頻、2D 零件圖。當(dāng)前界面顯示為零件模型觀察，可通過觸控屏幕實現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)和縮放。

圖3 組合體視圖的交互式教學(xué)資源

交互式教學(xué)資源的技術(shù)路徑，如圖4 所示。制作完成后通過網(wǎng)頁發(fā)布為線上資源，不需要安裝任何軟件即可瀏覽使用。

圖4 教學(xué)資源的技術(shù)路徑

4 應(yīng)用實例和效果

“機械制圖”課程的組合體視圖的教學(xué)中，形體分析求作視圖是教學(xué)中的重點，需要學(xué)生有較好的空間想象力。從構(gòu)成角度分析，組合體是由多個基本體疊加、切割形成，因此，視圖中用以表達組合體的圖形特點就是多線條的交叉和重疊而且還有表達不可見輪廓的虛線。其中，截交線和相貫線為幾何形體經(jīng)截切、相交產(chǎn)生的交線，視圖中的表達多為直線或曲線組成的封閉平面圖形。因此，視圖中截交線和相貫線的繪制是組合體視圖教學(xué)的難點之一，學(xué)生需要較長時間思考才能想象出形體交線的準確輪廓形狀。

立體經(jīng)平面截切產(chǎn)生的交線就是截交線，其中曲面立體的截交線多為曲線，是思考理解的難點。截交線作圖的關(guān)鍵就是找出若干共有點的投影，再將各點光滑連接起來。如圖5 所示，為機械制圖課程中截交線知識點的應(yīng)用案例，圖中的模型為圓錐與圓柱的組合體經(jīng)由平行于軸線的平面截切形成，截交線投影為非圓曲線和直線的組合平面圖形。截交線作圖步驟講解時，學(xué)生可以通過旋轉(zhuǎn)模型進行反復(fù)對照觀察，能夠直觀地看清模型的輪廓線，也能方便理解截交線作圖時找特殊點、一般點的作用，進而提高該知識點的教學(xué)效果。

圖5 截交線案例模型

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在組合體視圖中的應(yīng)用開發(fā)，可通過虛擬模型的觀察、對比增強學(xué)生對形體的感性認知，同時將理論與實踐相結(jié)合，增強了對課程基礎(chǔ)知識的理解。在使用過程中，學(xué)生表現(xiàn)積極、課堂氛圍活躍。學(xué)生通過將虛擬模型與二維視圖進行反復(fù)對照觀察、思考，能夠快速掌握視圖間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，效果明顯。同時，任課教師也不用準備繁多的教具模型，方便課程開展，豐富課程教學(xué)形式，有助于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。

5 結(jié)語

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到“機械制圖”交互式教學(xué)資源的開發(fā)，研究過程中主要解決了模型數(shù)據(jù)的傳輸問題；基于GLB 格式文件實現(xiàn)了3D 模型在網(wǎng)頁上的加載、展示功能。同時，利用教學(xué)信息化平臺整合教學(xué)資源，方便教師教學(xué)和學(xué)生自學(xué)使用，可實現(xiàn)“虛實結(jié)合、理實一體”的教學(xué)模式。機械零部件的虛擬模型可供反復(fù)觀察，擺脫時間和場地的束縛，進一步豐富了課程的教學(xué)資源。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)中應(yīng)用，可實現(xiàn)知識點的可視化，幫助學(xué)生獲取更直觀的學(xué)習(xí)內(nèi)容，幫助學(xué)生理解抽象的空間幾何形體和空間位置關(guān)系。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)資源建設(shè)中的應(yīng)用必將是職業(yè)院校教學(xué)改革的一個重要發(fā)展方向。