基于虛擬現(xiàn)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(jié)合是非常重要的特別是學生的動手及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是理論性和實踐性都較強的課程，因此實驗教學環(huán)節(jié)對學好這門課程至關(guān)重要。通過加強實踐教學環(huán)節(jié)，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(gòu)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(nèi)容很難理解；機械類課程 中的實驗設(shè)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(shè)備很少時，分組的人數(shù)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(yè)技術(shù)技能。

　　1  虛擬仿真實驗應用于教學中的現(xiàn)實意義

　　目前國內(nèi)大多數(shù)高校的實驗還是采用傳統(tǒng)方式，即老師講解、演示，再由學生自己動手。而國外已經(jīng)從傳統(tǒng)實驗轉(zhuǎn)為實物實驗與虛擬實驗相結(jié)合，充分利用先進的計算機設(shè)備進行虛擬仿真實驗教學，取得了較好的效果。

　　傳統(tǒng)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(tài)，其主動性和積極性難以發(fā)揮，不利于培養(yǎng)學生的發(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)。虛擬仿真實驗突破了傳統(tǒng)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(chǎn)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(shù)創(chuàng)設(shè)了一個人性化的學習環(huán)境 ，使學生能夠在自然、互動的氣氛中進行學習?；谝陨纤伎?，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(shè)計目標

　　虛擬實驗的開發(fā)工具主要是網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)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(gòu)三維世界的場景建模語言。VRML的基本目標是建立因特網(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)實系統(tǒng)的設(shè)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(chǎn)生在虛擬世界中的幻覺。理想的虛擬環(huán)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(xiàn)實系統(tǒng)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(tǒng)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?qū)μ摂M環(huán)境進行實時的操縱，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(yè)一門主要技術(shù)基礎(chǔ)課，是一門理論性和實踐性都較強的課程，因此實驗教學環(huán)節(jié)對學好這門課程至關(guān)重要。通過加強實踐教學環(huán)節(jié)，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(nèi)容主要是采用 inventor 2008，3D max，AutoCAD及 vrml軟件系統(tǒng)設(shè)計虛擬實驗系統(tǒng)，使之能夠?qū)X輪油泵(圖1)、減速器(圖2)、虎鉗 (圖 3)的裝配進行動態(tài)模擬 ，通過影像、動畫等生動的形式對裝配過程進行動態(tài)模擬 ，可以充分發(fā)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(fā)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(shù)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jù)實物模型通過虛擬輔助教學課件集中指導；學生依據(jù)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(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為主的圖畫集，以對尺寸、技術(shù)要求、圖樣、作業(yè)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(shù)的特點

　　a)基于實體的虛擬。計算機虛擬現(xiàn)實、虛擬三維圖與構(gòu)形思維和視覺及視覺心理密切相關(guān)。實踐表明：沒有實體模型做基準沒有構(gòu)形思維和視覺及視覺心理的支持，計算機虛擬現(xiàn)實、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計算機虛擬現(xiàn)實、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(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。按圖學素質(zhì)培養(yǎng)的要求考慮，所選零、部件的測繪內(nèi)容應當盡量多的涵蓋圖學主要的核心內(nèi)容。例如，表達方法典型、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(zhì)，減輕教學負擔。這一教學技術(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。