基于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真測(cè)繪裝配實(shí)驗(yàn)的研究

　0 引言

　　工程圖學(xué)課程教學(xué)理論與實(shí)踐相結(jié)合是非常重要的特別是學(xué)生的動(dòng)手及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的課程，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)好這門(mén)課程至關(guān)重要。通過(guò)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，才能使學(xué)生真正理解和掌握該學(xué)科的理論知識(shí)。

　　工程圖學(xué)課程的教學(xué)是很具體形象的，它注重機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)作 ，在理論教學(xué)中由于缺乏真實(shí)感受，學(xué)生聽(tīng)課時(shí)常會(huì)感到枯燥乏味、內(nèi)容很難理解；機(jī)械類(lèi)課程 中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多很昂貴，有些情況下，不能完全滿(mǎn)足相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)要求，尤其是對(duì)每個(gè)學(xué)生而言，學(xué)生實(shí)驗(yàn)通常是分組 ，對(duì)有些實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備很少時(shí)，分組的人數(shù)會(huì)很多，這樣學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)沒(méi)有很多機(jī)會(huì)熟練掌握 ；因此，如果能在教學(xué)中進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不但在一定程度上可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)資源的匱乏 ，而且可以提高學(xué)生觀察問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，以求達(dá)到掌握一門(mén)專(zhuān)業(yè)技術(shù)技能。

　　1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)中的現(xiàn)實(shí)意義

　　目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)還是采用傳統(tǒng)方式，即老師講解、演示，再由學(xué)生自己動(dòng)手。而國(guó)外已經(jīng)從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，充分利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了較好的效果。

　　傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師為中心，知識(shí)的傳遞主要靠教師對(duì)學(xué)生的灌輸，作為認(rèn)知主體的學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中自始至終處于被動(dòng)狀態(tài)，其主動(dòng)性和積極性難以發(fā)揮，不利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維、批判性思維和創(chuàng)造性思維，也不利于創(chuàng)造性人才的培養(yǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破了傳統(tǒng)教學(xué)手段上的局限。學(xué)生自己動(dòng)手操作，親身參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的操作，通過(guò)將實(shí)際生產(chǎn)的工藝過(guò)程以影像、動(dòng)畫(huà)等生動(dòng)的形式表示，從而增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果，使其實(shí)踐能力、觀察能力及歸納能力等都得到很好的鍛煉。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)設(shè)了一個(gè)人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境 ，使學(xué)生能夠在自然、互動(dòng)的氣氛中進(jìn)行學(xué)習(xí)。基于以上思考 ，嘗試在《工程圖學(xué)》教學(xué)中應(yīng)用“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)”進(jìn)行教學(xué)改革的探索。

　　2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)工具主要是網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言(VRML)和三維建模軟件。VRML是一種用于建立真實(shí)世界的場(chǎng)景模型或人們虛構(gòu)三維世界的場(chǎng)景建模語(yǔ)言。VRML的基本目標(biāo)是建立因特網(wǎng)上的交互式虛擬對(duì)象、場(chǎng)景、三維模型，基本特征包括分布式、三維、交互性 、多媒體集成、境界逼真性等，是 目前 Intenet上基于“www”的三維互動(dòng)網(wǎng)站制作的主流語(yǔ)言。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要達(dá)到以下目標(biāo) ：

　　a)要使參與者有“真實(shí)”的體驗(yàn)。這種體驗(yàn)就是“沉浸”或“投入”，即全心地進(jìn)入，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是產(chǎn)生在虛擬世界中的幻覺(jué)。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)達(dá)到用戶(hù)難以分辯真假的程度，甚至比真的還“真”。這種沉浸感的意義在于可以使用戶(hù)集中注意力。為了達(dá)到這個(gè) 目標(biāo)，就必須具有多感知的能力，理想的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)具備人類(lèi)所具有的一切感知能力，包括視覺(jué) 、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué) ，甚至味覺(jué)和嗅覺(jué)。

　　b)系統(tǒng)要能提供方便的、豐富的、主要是基于自然技能的人機(jī)交互手段。這些手段使得參與者能夠?qū)μ摂M環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的操縱，能從虛擬環(huán)境中得到反饋信息 ，也能便系統(tǒng)了解參與者的關(guān)鍵部位的位置、狀態(tài)、變形等各種系統(tǒng)需要知道的數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)性是非常重要的，如果在交互時(shí)存在較大的延遲，與人的心理經(jīng)驗(yàn)不一致 ，就談不上以自然技能的交互，也很難獲得沉浸感。

　3 零、部件測(cè)繪實(shí)踐虛擬輔助教學(xué)

　　《工程圖學(xué)》課程為機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)一門(mén)主要技術(shù)基礎(chǔ)課，是一門(mén)理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的課程，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)好這門(mén)課程至關(guān)重要。通過(guò)加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，才能使學(xué)生真正理解和掌握該學(xué)科的理論知識(shí)。本項(xiàng)目的實(shí)施內(nèi)容主要是采用 inventor 2008，3D max，AutoCAD及 vrml軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使之能夠?qū)X輪油泵(圖1)、減速器(圖2)、虎鉗 (圖 3)的裝配進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬 ，通過(guò)影像、動(dòng)畫(huà)等生動(dòng)的形式對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬 ，可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，有利于學(xué)生獲得豐富的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步提出問(wèn)題與尋求解決問(wèn)題的興趣 ，有助于拓寬學(xué)生的知識(shí)面，有效地支持理論學(xué)習(xí)。

　　零部件測(cè)繪實(shí)踐虛擬輔助教學(xué)技術(shù)的做法是，以實(shí)物模型為基本要素、以實(shí)物模型測(cè)繪為主線(xiàn)，用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的方法，制作圖畫(huà)和動(dòng)畫(huà)形式為主的直觀形象，去解析零部件的形狀結(jié)構(gòu)和測(cè)繪過(guò)程。[

　將虛擬輔助教學(xué)融于測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)的過(guò)程是：布置測(cè)繪任務(wù)；觀測(cè)分析實(shí)物模型；教師依據(jù)實(shí)物模型通過(guò)虛擬輔助教學(xué)課件集中指導(dǎo)；學(xué)生依據(jù)實(shí)物模型，參照虛擬輔助教學(xué)課件自主測(cè)繪；教師集中講評(píng)。

　　虛擬輔助教學(xué)主要構(gòu)件是以虛擬圖象為主，配有少量文字說(shuō)明的電子文檔。分別是：以動(dòng)畫(huà)為主去表達(dá)零部件形狀結(jié)構(gòu)的圖畫(huà)集，以對(duì)零部件形狀結(jié)構(gòu)分析和視圖分析為主的圖畫(huà)集，以對(duì)零部件測(cè)繪方法和過(guò)程指導(dǎo)為主的圖畫(huà)集，以對(duì)尺寸、技術(shù)要求、圖樣、作業(yè)要求指導(dǎo)為主的圖畫(huà)集。

　　4 零、部件測(cè)繪實(shí)踐虛擬輔助教學(xué)技術(shù)的特點(diǎn)

　　a)基于實(shí)體的虛擬。計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬三維圖與構(gòu)形思維和視覺(jué)及視覺(jué)心理密切相關(guān)。實(shí)踐表明：沒(méi)有實(shí)體模型做基準(zhǔn)沒(méi)有構(gòu)形思維和視覺(jué)及視覺(jué)心理的支持，計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬三維圖就會(huì)成為沒(méi)有意義的作品；另一方面，沒(méi)有構(gòu)形思維和視覺(jué)及視覺(jué)心理知識(shí)去指導(dǎo)計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬三維圖的創(chuàng)作，也不能獲得效果良好的作品。

　　b)基于圖學(xué)素質(zhì)對(duì)測(cè)繪對(duì)象 (零、部件)的選擇。選擇好測(cè)繪對(duì)象是保障零、部件測(cè)繪實(shí)踐教學(xué)效果的首要條件。簡(jiǎn)單化和過(guò)度復(fù)雜化都不可取，都可能給大學(xué)總體教學(xué)帶來(lái)?yè)p害。選擇測(cè)繪對(duì)象 (零、部件)的第一因素是考慮對(duì)學(xué)生圖學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)的要求，其次是考慮后續(xù)課的需求。閥類(lèi)、泵類(lèi)、夾具類(lèi)(虎鉗)、減速器類(lèi)是常選測(cè)繪對(duì)象，其主要原因是便于教學(xué)。按圖學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)的要求考慮，所選零、部件的測(cè)繪內(nèi)容應(yīng)當(dāng)盡量多的涵蓋圖學(xué)主要的核心內(nèi)容。例如，表達(dá)方法典型、全面，結(jié)構(gòu)具有代表性。按后續(xù)課的需求考慮，所選零、部件的測(cè)繪內(nèi)容要含有后續(xù)課的主要要素。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　開(kāi)發(fā)零、部件虛擬測(cè)繪裝配實(shí)驗(yàn)是為了拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，改進(jìn)測(cè)繪方法，提高測(cè)繪效率和品質(zhì)，減輕教學(xué)負(fù)擔(dān)。這一教學(xué)技術(shù)的核心涉及到傳統(tǒng)測(cè)繪的方方面面，也涉及到現(xiàn)代教育技術(shù)的深層理論和技術(shù)問(wèn)題。當(dāng)然虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不能完全替代實(shí)物實(shí)驗(yàn)，但可以探索將其作為實(shí)物實(shí)驗(yàn)及課堂理論教學(xué)的補(bǔ)充。