基于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真測繪裝配實(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)對學(xué)好這門課程至關(guān)重要。通過加強(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。

　　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)動及動作 ，在理論教學(xué)中由于缺乏真實(shí)感受，學(xué)生聽課時常會感到枯燥乏味、內(nèi)容很難理解；機(jī)械類課程 中的實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多很昂貴，有些情況下，不能完全滿足相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)要求，尤其是對每個學(xué)生而言，學(xué)生實(shí)驗(yàn)通常是分組 ，對有些實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備很少時，分組的人數(shù)會很多，這樣學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時會沒有很多機(jī)會熟練掌握 ；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)生觀察問題、分析問題和解決問題的能力，以求達(dá)到掌握一門專業(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)生自己動手。而國外已經(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，知識的傳遞主要靠教師對學(xué)生的灌輸，作為認(rèn)知主體的學(xué)生在教學(xué)過程中自始至終處于被動狀態(tài)，其主動性和積極性難以發(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)生自己動手操作，親身參與整個實(shí)驗(yàn)過程的操作，通過將實(shí)際生產(chǎn)的工藝過程以影像、動畫等生動的形式表示，從而增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識和學(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)了一個人性化的學(xué)習(xí)環(huán)境 ，使學(xué)生能夠在自然、互動的氣氛中進(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)計目標(biāo)

　　虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)工具主要是網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言(VRML)和三維建模軟件。VRML是一種用于建立真實(shí)世界的場景模型或人們虛構(gòu)三維世界的場景建模語言。VRML的基本目標(biāo)是建立因特網(wǎng)上的交互式虛擬對象、場景、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”的三維互動網(wǎng)站制作的主流語言。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計要達(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，簡單地說就是產(chǎn)生在虛擬世界中的幻覺。理想的虛擬環(huán)境應(yīng)達(dá)到用戶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集中注意力。為了達(dá)到這個 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)具備人類所具有的一切感知能力，包括視覺 、聽覺、觸覺 ，甚至味覺和嗅覺。

　　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)時性是非常重要的，如果在交互時存在較大的延遲，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、部件測繪實(shí)踐虛擬輔助教學(xué)

　　《工程圖學(xué)》課程為機(jī)械類專業(yè)一門主要技術(shù)基礎(chǔ)課，是一門理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的課程，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對學(xué)好這門課程至關(guān)重要。通過加強(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。本項目的實(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)行動態(tài)模擬 ，通過影像、動畫等生動的形式對裝配過程進(jìn)行動態(tài)模擬 ，可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，有利于學(xué)生獲得豐富的感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步提出問題與尋求解決問題的興趣 ，有助于拓寬學(xué)生的知識面，有效地支持理論學(xué)習(xí)。

　　零部件測繪實(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)物模型測繪為主線，用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的方法，制作圖畫和動畫形式為主的直觀形象，去解析零部件的形狀結(jié)構(gòu)和測繪過程。[

　將虛擬輔助教學(xué)融于測繪實(shí)踐教學(xué)的過程是：布置測繪任務(wù)；觀測分析實(shí)物模型；教師依據(jù)實(shí)物模型通過虛擬輔助教學(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)課件自主測繪；教師集中講評。

　　虛擬輔助教學(xué)主要構(gòu)件是以虛擬圖象為主，配有少量文字說明的電子文檔。分別是：以動畫為主去表達(dá)零部件形狀結(jié)構(gòu)的圖畫集，以對零部件形狀結(jié)構(gòu)分析和視圖分析為主的圖畫集，以對零部件測繪方法和過程指導(dǎo)為主的圖畫集，以對尺寸、技術(shù)要求、圖樣、作業(yè)要求指導(dǎo)為主的圖畫集。

　　4 零、部件測繪實(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。計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬三維圖與構(gòu)形思維和視覺及視覺心理密切相關(guān)。實(shí)踐表明：沒有實(shí)體模型做基準(zhǔn)沒有構(gòu)形思維和視覺及視覺心理的支持，計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬三維圖就會成為沒有意義的作品；另一方面，沒有構(gòu)形思維和視覺及視覺心理知識去指導(dǎo)計算機(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)對測繪對象 (零、部件)的選擇。選擇好測繪對象是保障零、部件測繪實(shí)踐教學(xué)效果的首要條件。簡單化和過度復(fù)雜化都不可取，都可能給大學(xué)總體教學(xué)帶來損害。選擇測繪對象 (零、部件)的第一因素是考慮對學(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、泵類、夾具類(虎鉗)、減速器類是常選測繪對象，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、部件的測繪內(nèi)容要含有后續(xù)課的主要要素。

　　5 結(jié)語

　　開發(fā)零、部件虛擬測繪裝配實(shí)驗(yàn)是為了拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，改進(jìn)測繪方法，提高測繪效率和品質(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。