VR虚拟现实技术与《机械制图》课程教学改革探讨

VR虚拟现实技术与《机械制图》课程教学改革探讨

杨柳 梁锋

成都市工程职业技术学校 610300

摘要：传统的中职《机械制图》课程采用课堂说教式教学,并配以多媒体技术进行讲解,这种教学方法使得知识变得相对枯燥,难以激发学生的学习兴趣。通过引入虚拟现实VR(Virtual Reality)技术,打破以往的教学环境,创造出虚拟的三维空间,使得学生自主地在虚拟空间内交互式操作，学习《机械制图》的相关知识，快速理解掌握机械制图中的常用分析方法，提升制图和识图能力。

关键词：中职教育机械制图虚拟现实技术

前言：

虚拟现实技术最早起源于20世纪50年代的美国，主要运用于航空航天发展领域。经过近几十年的不断发展，技术也不断更新，广泛运用到国防军工、信息产业、建筑、医疗、智能制造等行业。虚拟现实技术也称灵境技术或人工环境，是一种以沉浸性、交互性和想象性为基本特征的，可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它综合利用实时三维计算机图形技术、广角立体显示技术、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术等一系列先进技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，可以及时地、没有限制地观察三维空间内的事物，获得对虚拟事物的感性和理性认识，让使用者如同身临其境一般，从而深化概念和构建新的构思和创意，创建了一种以人为中心的多维信息空间。

《机械制图》课程教学改革探讨

一、传统机械制图课程内容和教学方法、手段已不再适应时代的发展

进入21世纪后，随着国外工业4.0发展推广和2015年国务院印发的“中国制造2025”战略行动纲领的提出和推进，大量先进技术不断呈现：人工智能机器人、3D打印、无人机、虚拟现实VR、智能网络、云计算、大数据等技术蓬勃发展。知识和新技术爆炸时代的来临，很多新的科学技术不断涌现，学科之间的渗透、交叉发展越来越明显，社会对人才知识结构的要求更加全面，不仅要懂专业技术，还要会融会贯通，对专业技术的要求也不是单一的、狭窄的，而是多学科的、宽广的，因此增加新的课程内容已是必然的趋势。

《机械制图》课程学习为中职教育机电类专业课中各门技术基础课之最，学生的学习时间是有限的，在教学方法和教学手段上进行改革，提升教学效果，为培养符合现代社会发展要求的新型人才创造更好的条件。 

2. 中职教育对三维虚拟学习环境的潜在需求

我国职业教育起步于上世纪80年代初，经过30年来的规划发展，职业教育规模不断扩大，学科结构也越来越合理。中等职业学校适应市场人才需求，主要以培训技术型人才为主。在中职教育机械类专业教学中，《机械制图》课程会涉及到空间认知、结构、绘图的概念和运用，会接触到各种机械零部件。中职学生这方面的要求明显较高，但因大多数中职学生的学习基础较差，对这类专业课较抽想的学习能力更显不足。中职教育课程中《机械制图》专业课的实践性较强，其课程实质运用是从二维平图的“图”来表达三维空间的“物”。如何帮助学生在“图”与“物”很之间建立起桥梁，使他们在二维平面和三维空间来回转换，是课程的教学重点和难点。就日前中职学校中传统的课堂文本式教学时，教师很难模拟出真实的三维环境或真实的现场情况，不适合大量学生理解学习。所以三维虚拟的学习环境创设能够提供更加直观的学习感观体验，帮助他们更好地理解课堂内容，快速建立空间想象力和分析能力。

2. 虚拟现实技术运用在《机械制图》教学的优势

1. 突破时空限制。利用模拟的虚拟三维世界空间，学生可以不受任何约束，进行自主观察，全方面移动转换角度。改变以前《机械制图》教学中，直观性较差的点线面及相互位置关系的定位、定量投影作图训练为主的教学模式，由于主体的直观性较好，所以既大大降低了难度，又能紧密地与绘制和阅读机械图样相联系。

2. 提升学习主动性。虚拟的三维学习环境中，如结果相关配套平台的视觉头盔，肢体感知类工具的运用，可以在视听体验上给学生身临其境的感觉，对学生探究性学习兴趣的培养有很好的促进作用。结合现在的计算机技术，不仅能提供自主学习环境，而且能激发学生主动学习。运用这种技术平台，学生可以选择适合自己的学习方式，在老师的引导下，做到快速理解，自我调控。

3. 节约成本。《机械制图》教学中会涉及到各类机械零部件的教学内容，由于场地、设备、经费等硬件条件限制，很多教学模型不能面面俱到地展现。这时如运用

虚拟现实技术系统平台教学，就可以让学生不到现实工作场景中找实物做对比理解，就能获得真实场景体会的效果，节省了教学时间和成本。

2. 虚拟现实技术在《机械制图》教学中的要素

虚拟现实技术在教学平台的运用，其提供的三维虚拟学习环境由于其真实的存在感和良好的交互性，也需要关键的教学要素导入，来构成虚拟学习环境的主体。按现有虚拟现实技术的发展，结合《机械制图》的教学特点，其主要的教学构成要求至少包括如下几个要素：

1. 教学数据库。包含《机械制图》课程中各类模型、图片、动画、音频、视频、教学文字等相关的一切信息。如果涉及到组合体等零部件模型演示，可以包括仿真模型、实物加工类模型等。

2. 虚拟VR学习平台。以整个三维虚拟学习场景为空间构建核心，把教学数据库中的所有教学内容整合到此VR学习平台中。平台还需要包括使用中的交互程序、后台服务程序、处理程序等设置。

3. 教学界面。开发教师和学生的不同使用权限界面，所有学习人员均可以通过交互性界面在虚拟平台上互动教学和交流。用户界面还可以及时把反馈信息采集到后台数据库中，方便后期系统不断优化。

2. 虚拟现实技术与《机械制图》教学实践结合

引入虚拟现实技术在《机械制图》教学中，强调的是教师和学生交互性的教学体验，用户的亲身参与。例如在《机械制图—组合体》的虚拟教学环境中，教师和学生配戴平台配置的VR眼镜，配合电脑鼠标就可以进行教学对象三维模拟体的交互性旋转、缩放、剖切等各种功能的操作。比如在《机械制图—组合体》对教学模型进行拆分的交互操作可分两步进行：先用鼠标双击要拆分的模型个体，然后右击功能菜单的指令进行拆分。学生可以通过移动或偏转头部运动，在VR眼镜中观察到组合体拆分后的各方位实体形状和位置关系。在虚拟学习环境中，如可以设置组合体三视图转换的交互功能，点击该功能按钮后，可以观察到模型从三维立体变成二维平面图的动画转换过程，而不是像传统教材中生硬地单一呈现出结果，这样有利于促进学生空间思维能力的培养。

2. 虚拟现实技术在《机械制图》教学改革发展方向展望

虚拟现实技术经过几十年的发展，系统平台的相关软件已从最初的Cult 3D、VRML，发展到Vir-tools，JAVA 3D、Web Max 3D，VR-platform等等。其中Web Max 3D，VR-platform的虚拟现实技术平台的软件，是由我国自主研发的国产软件，一举打破了国外软件在此领域的垄断地位。这些国产虚拟现实软件技术平台的开发引擎集成了很多功能，能够将工程图样和三维建模动画导入虚拟现实开发引擎中，生成虚拟模型和场景，以实现交互运用，为《机械制图》未来的数字化、智能化教学改革提供了有力的技术支撑。

加之现在智能手机被广泛运用，新一批手机识图软件孕育而生，如4D AGE平台、Altizure Application等手机虚拟平台软件，能轻松通过智能手机平台拍照、扫描等功能，能把二维图纸或平面图片自动三维虚拟形体。加上未来5G手机高速移动端的通讯技术，可以方便地把手机现场采集的信息，实时上传到职业教育课学上的虚拟现实平台中，供师生学习探讨，使《机械制图》未来教学更加实战化、实用化。

总结：

探讨用虚拟现实技术来改革《机械制图》课程的教学方式，给了我一个重要的启示：进行教学改革离不开现代科学技术，要以现代科学技术作为教学改革的推动力和技术支撑，把现代科学技术既作为新型教学方向，是进行教学改革的好方法。 

参考文献：

何明雄VR技术在教学中的应用中国科教创新导刊 2007

虚拟现实研究现状及发展趋势Http://www.dpmtime.com/bencandy.php?aid=1001

王志坚基于虚拟现实技术的现代教育探索常州工程职业技术学院学报 2007

孙子娴基于VRP的虚拟学习环境设计上海师范大学学报 2009

百度百科虚拟现实系统http://baike.baidu.com/view/2268886.html

朱文博,陈龙,崔怡,戚丽杰《教育教学论坛》2014 年第 09 期  2014

作者简介：

杨柳，1982-04-03，女，汉，广安市人，大学本科，中学一级教师，研究方向：中职机械加工专业教学

梁锋，1978，男，汉族，四川射洪，本科，中学一级教师，机械加工