浅谈虚拟现实技术在职业中学《机械制图》教学中的运用

浅谈虚拟现实技术在职业中学《机械制图》教学中的运用

饶卫红广东工业大学机电学院

摘要：虚拟现实技术应用计算机对现实世界进行全面仿真，能够解决学习媒体的情景化、实时化及自然交互性等要求，从而在以培养操作型、技能型复合人才为目标的职业教育领域内有着巨大的应用前景。本文阐述了虚拟现实技术的概念、分类、并针对职业技术教育的特点分析了相应的虚拟现实模式，提出运用虚拟现实技术改革《机械制图》教学，尤其是实践教学来促进创新教育、强化技能培训、发展远程教育的思路。

关键词：虚拟现实技术、教学模式

一、 虚拟现实技术的概念

虚拟现实技术 ( V i r t u a l R e a li t y )是指利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境。虚拟现实技术在教育领域具有其他媒体不可比拟的“ 真实性” 优势，主要在于具备以下几个特点：①主体沉浸性； ② 自然交互性； ③物体自主性； ④全面感知性。

二、 虚拟现实技术系统及分类

虚拟现实最本质的特征是用户对虚拟场景的沉浸 ,它要创建一个酷似客观环境又超越客观时空、能沉浸其中又能驾驭其中的和谐人机环境，也就是由多维信息所构成的可操纵的空间。能够达到或者部分达到这样的目标的系统，包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法 , 统一起来就称为虚拟现实系统。根据用户参与的不同形式以及沉浸的程度不同，虚拟现实系统可划分为四类： ①简易型虚拟现实系统； ②分布式虚拟现实系统； ③增强型虚拟现实系统； ④沉浸型虚拟现实系统。

三、虚拟现实系统在《机械制图》教学模式改革中的应用

《机械制图》是职业中学机电类专业一门实践性较强的专业基础课,它的主要目的是培养学生正确运用投影法表达机械工程问题，绘制和识读机械图样的能力。很多内容和技术需要情景化，实时化的教学手段来完成，通过亲身经能加速这一过程和巩固所传授的知识，但是传统的课堂教学很大程度上制约了教学的质量，抑制了学生的创造能力。为此利用虚拟现实技术是最有效的。

1、开发《机械制图》VR虚拟现实实验室立体模型库系统

职业中学《机械制图》课程教学的重点之一就是要培养学生由图想物和由物想图的空间想象能力，如果采用传统的教学方式，在学习过程中实体模型是不可缺少的重要工具^{[ 1 ]}。模型在机械制图》教学中起着重要的作用，近年来随着高中的普及，职业学校的规模不断扩大，制图模型室的数量和规模远远不能满足教学需要，增加传统的模型室要占用大量空间，且在教学资源严重短缺的情况下很难做到，随着计算机网络技术和虚拟现实技术的发展，以计算机网络为平台，利用虚拟现实技术建立虚拟制图模型室，学生通过鼠标操作可随心所欲地观看模型，这样不仅节省了力、物力、财力，也给学生的学习带来很多方便。

进行机械制图VR虚拟现实实验室立体模型库系统开发的开放实验。该项目在教师创作示范下，学生了解从实物或想象中的物体到VR虚拟模型的创作过程。同时，建立面向机械制图课教学用的基本立体模型库的构建。在指导教师指导下，学生了解从实物或想象中的物体到VR虚拟模型的创作流程。根据教学需要建立具有多个基本体虚拟立体的模型库。待网站建立后，便可以通过IE实验室B/S模式浏览这些模型。通过该项目参加学生又掌握了一种技能。扩展了知识面。而今虚拟模型代替实体模型已成为《机械制图》教学过程中不可改变的趋势。

三维虚拟模型的造型实例：分两步（1）基本模型的创建即建立静态的三维立体演示模型：

构建三维虚拟模型的方法是通过VRML编程和将其它格式的文件转化为VRML格式的方法。对于一些形体结构较为简单的虚拟模型可采用 VRML节点编程的方法来构建。这里主要利用的是VRML里的Geometry域。第二种方法是通过将其它格式的文件转化为 VRML格式。它的具体实现方式可以先用 AutoCAD建立起三维模型并将建好的模型以DWG的文件扩展名保存，再用3 D MAX将已建立好的模型以DWG的文件格式导入，并对其进行背景、材质、灯光等参数的设置调整，最后将设置好的文件以 .wrl文件扩展名格式进行输出。也可以直接用pro-e软件建立起三维模型，最后将文件以 .wrl文件扩展名格式进行输出。

设置好的虚拟模型在浏览器中的效果见图 1 。

图1

（2）可交互三维演示模型的实现

利用VRML的节点的各类属性和事件发生器（通常是传感器）及事件接受器来实现模型的交互性和可控性。

如图：是球体的定义及其形成过程在cortvrml浏览器中的三维演示

2、利用虚拟现实技术和三维CAD设计方法相结合在《机械制图》课教学中实现组合体的组合与切割

例如在讲述：画组合体视图的方法与步骤这一节时，通常把组合体分解为若干形体，并确定它们的组合方式，以及相邻表面间的相互位置。以下图所示组合体为例，说明画组合体三视图的具体步骤。可以首先利用虚拟现实技术的三维动画演示，将组合体进行分解和组合演示，然后再进行形体分析确定它们的组合形式，判断形体间邻接表面的相对位置，其次逐个画出形体的三视图；最后对组合体中的各种面进行面、线的分析。

如上图所示，轴承座由上部的凸台1、轴承2、中间的支承板3、肋板4以及底板5所组成。凸台与轴承是两个垂直相交的空心圆柱体，在外表面和内表面上都有相贯线；支承板、肋板和底板分别是不同形状的平板，支承板的左、右侧面都与轴承的外圆柱面相切，肋板的左、右侧面与轴承的外圆柱面相交，底板的顶面与支承板、肋板的底面互相叠合。利用虚拟现实技术的交互性，学生可以随意移动组合模型的各部分，直观易懂。

四、虚拟现实技术在《机械制图》课教学中的作用

1、作为实体模型教学的重要补充，安全、经济、可靠。

这种教学方式具有的很多优越性，如节约经费、减少占地空间、弥补教学条件的不足、避免设备设施的损坏、保证师生安全、打破空间和时间的限制，以及有利于学生自信心和动手能力的提高等等。这种教学方式不仅可以验证书本知识，也可以作为今后就业的先期实践。

2、作为理论教学的教学手段，直观、灵活、高效。

我们知道，理论的源泉是实践。但理论又高于实践，最终指导实践。只有掌握了理论知识，才能更好的掌握实践中的知识和技能。但由于目前我国中职学生普遍知识基础较差，空间想象力及抽象思维能力较低，再加上制图专业课本身就比较枯燥，因此，学生往往感觉制图课很难掌握，对学习缺乏兴趣。

虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演一个角色，这对调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能等都将起到积极的作用。同时，虚拟现实技术能够直观地再现实际生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程，为学生提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学生解决学习中的知识难点；或者使抽象的概念、理论直观化、形象化，方便学生对抽象概念的理解。这些操作简单灵活，深受学生喜欢，因而能够能充分调动学生学习的积极性，大大提高学习效率。

在系统的界面设置中，还可以建立知识导航、三维动画演示、模型室、视频运行、知识搜索、图片与视频链接等内容。这些直观易懂的操作界面使教师在教学中能够随心所欲地展示组合体结构模型，并能够进行组合体模型的虚拟分割和组合训练（如拆卸、装配及模拟运行操作等），从而形象生动地表现教学内容，为学生提供生动、逼真的学习环境；且学生能够成为虚拟环境的一名参与者，在虚拟环境中扮演一个角色，这对调动学生的学习积极性，增进学生对知识的理解，缩短学生获取知识的时间，突破教学的重点、难点，培养学生的技能等方面都将起到积极的作用。

结论：采用将虚拟现实技术和三维CAD设计方法相结合的教学方式，可以大大增强学生学习兴趣，使学生在掌握现代设计方动法的同时，进一步加强空间立体思维能力；而创意制图的引入，又可以激发学生学习的创造性和主观能性，具有极大的推广价值。

[参考文献]

[1] 王俊英. 试析中等职业教育学生操作技能的培养. 人民教育出版社. http://www.pep.com.cn/200503/ca669587.htm.

[2] 宋淑彩，于明 AutoCAD和VRML的虚拟现实演示模型的设计与实现 (1 ．河北建筑工程学院计算机系，河北唐山075000 ：2 ．河北工业大学计算机科学与软件学院，天津 300130)

[3] 柯顺魁，叶琳，邱龙辉分布式工程制图虚拟模型室的建立 ( 青岛科大学机电工程学院，山东青岛 2 6 6 0 4 2 )