基于虛擬現實仿真測繪裝配實驗的研究

　0? 引言

　　工程圖學課程教學理論與實踐相結合是非常重要的特別是學生的動手及創新能力的培養，是理論性和實踐性都較強的課程，因此實驗教學環節對學好這門課程至關重要。通過加強實踐教學環節，才能使學生真正理解和掌握該學科的理論知識。

　　工程圖學課程的教學是很具體形象的，它注重機構的運動及動作 ，在理論教學中由于缺乏真實感受，學生聽課時常會感到枯燥乏味、內容很難理解；機械類課程 中的實驗設備大多很昂貴，有些情況下，不能完全滿足相應的實驗要求，尤其是對每個學生而言，學生實驗通常是分組 ，對有些實驗，實驗設備很少時，分組的人數會很多，這樣學生在做實驗時會沒有很多機會熟練掌握 ；因此，如果能在教學中進行虛擬仿真實驗教學，不但在一定程度上可以彌補實驗資源的匱乏 ，而且可以提高學生觀察問題、分析問題和解決問題的能力，以求達到掌握一門專業技術技能。

　　1? 虛擬仿真實驗應用于教學中的現實意義

　　目前國內大多數高校的實驗還是采用傳統方式，即老師講解、演示，再由學生自己動手。而國外已經從傳統實驗轉為實物實驗與虛擬實驗相結合，充分利用先進的計算機設備進行虛擬仿真實驗教學，取得了較好的效果。

　　傳統的教學模式以教師為中心，知識的傳遞主要靠教師對學生的灌輸，作為認知主體的學生在教學過程中自始至終處于被動狀態，其主動性和積極性難以發揮，不利于培養學生的發散性思維、批判性思維和創造性思維，也不利于創造性人才的培養。虛擬仿真實驗突破了傳統教學手段上的局限。學生自己動手操作，親身參與整個實驗過程的操作，通過將實際生產的工藝過程以影像、動畫等生動的形式表示，從而增強學生的感性認識和學習興趣，提高教學效果，使其實踐能力、觀察能力及歸納能力等都得到很好的鍛煉。虛擬實驗技術創設了一個人性化的學習環境 ，使學生能夠在自然、互動的氣氛中進行學習。基于以上思考 ，嘗試在《工程圖學》教學中應用“虛擬仿真實驗教學”進行教學改革的探索。

　　2 虛擬仿真實驗設計目標

　　虛擬實驗的開發工具主要是網絡虛擬現實建模語言(VRML)和三維建模軟件。VRML是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構三維世界的場景建模語言。VRML的基本目標是建立因特網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”的三維互動網站制作的主流語言。

　　虛擬現實系統的設計要達到以下目標 ：

　　a)要使參與者有“真實”的體驗。這種體驗就是“沉浸”或“投入”，即全心地進入，簡單地說就是產生在虛擬世界中的幻覺。理想的虛擬環境應達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。為了達到這個 目標，就必須具有多感知的能力，理想的虛擬現實系統應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)系統要能提供方便的、豐富的、主要是基于自然技能的人機交互手段。這些手段使得參與者能夠對虛擬環境進行實時的操縱，能從虛擬環境中得到反饋信息 ，也能便系統了解參與者的關鍵部位的位置、狀態、變形等各種系統需要知道的數據。實時性是非常重要的，如果在交互時存在較大的延遲，與人的心理經驗不一致 ，就談不上以自然技能的交互，也很難獲得沉浸感。

　3? 零、部件測繪實踐虛擬輔助教學

　　《工程圖學》課程為機械類專業一門主要技術基礎課，是一門理論性和實踐性都較強的課程，因此實驗教學環節對學好這門課程至關重要。通過加強實踐教學環節，才能使學生真正理解和掌握該學科的理論知識。本項目的實施內容主要是采用 inventor 2008，3D max，AutoCAD及 vrml軟件系統設計虛擬實驗系統，使之能夠對齒輪油泵(圖1)、減速器(圖2)、虎鉗 (圖 3)的裝配進行動態模擬 ，通過影像、動畫等生動的形式對裝配過程進行動態模擬 ，可以充分發揮學生的主觀能動性，有利于學生獲得豐富的感性認識，激發學生進一步提出問題與尋求解決問題的興趣 ，有助于拓寬學生的知識面，有效地支持理論學習。

　　零部件測繪實踐虛擬輔助教學技術的做法是，以實物模型為基本要素、以實物模型測繪為主線，用計算機虛擬現實的方法，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構和測繪過程。[

　將虛擬輔助教學融于測繪實踐教學的過程是：布置測繪任務；觀測分析實物模型；教師依據實物模型通過虛擬輔助教學課件集中指導；學生依據實物模型，參照虛擬輔助教學課件自主測繪；教師集中講評。

　　虛擬輔助教學主要構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：以動畫為主去表達零部件形狀結構的圖畫集，以對零部件形狀結構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為主的圖畫集，以對尺寸、技術要求、圖樣、作業要求指導為主的圖畫集。

　　4? 零、部件測繪實踐虛擬輔助教學技術的特點

　　a)基于實體的虛擬。計算機虛擬現實、虛擬三維圖與構形思維和視覺及視覺心理密切相關。實踐表明：沒有實體模型做基準沒有構形思維和視覺及視覺心理的支持，計算機虛擬現實、虛擬三維圖就會成為沒有意義的作品；另一方面，沒有構形思維和視覺及視覺心理知識去指導計算機虛擬現實、虛擬三維圖的創作，也不能獲得效果良好的作品。

　　b)基于圖學素質對測繪對象 (零、部件)的選擇。選擇好測繪對象是保障零、部件測繪實踐教學效果的首要條件。簡單化和過度復雜化都不可取，都可能給大學總體教學帶來損害。選擇測繪對象 (零、部件)的第一因素是考慮對學生圖學素質培養的要求，其次是考慮后續課的需求。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。按圖學素質培養的要求考慮，所選零、部件的測繪內容應當盡量多的涵蓋圖學主要的核心內容。例如，表達方法典型、全面，結構具有代表性。按后續課的需求考慮，所選零、部件的測繪內容要含有后續課的主要要素。

　　5? 結語

　　開發零、部件虛擬測繪裝配實驗是為了拓寬實驗教學平臺，改進測繪方法，提高測繪效率和品質，減輕教學負擔。這一教學技術的核心涉及到傳統測繪的方方面面，也涉及到現代教育技術的深層理論和技術問題。當然虛擬仿真實驗不能完全替代實物實驗，但可以探索將其作為實物實驗及課堂理論教學的補充。