虛擬教學(xué)是指以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為工具,對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行基于計(jì)算機(jī)的仿真,生成能夠使學(xué)習(xí)者獲得知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)場(chǎng)景。虛擬教學(xué)是一種現(xiàn)代化的教學(xué)方法,是現(xiàn)實(shí)教學(xué)的一種延伸。虛擬教學(xué)極大解決了現(xiàn)實(shí)教學(xué)過(guò)程中來(lái)自時(shí)間和空間的限制,使學(xué)習(xí)過(guò)程更加靈活。雖然虛擬教學(xué)與實(shí)際的“面對(duì)面”的教學(xué)過(guò)程相比還有很大差距,但是它所具有的資源共享、方便的特點(diǎn)很大程度上拓展了教學(xué)的時(shí)空,解決了教學(xué)資源及教師緊張的問(wèn)題。
虛擬教學(xué)所提供的教學(xué)場(chǎng)景是具有沉浸感、可交互性、并能啟發(fā)操作者的仿真環(huán)境。在機(jī)械制圖課程中引入虛擬教學(xué),可以為學(xué)生提供更多的零件模型進(jìn)行學(xué)習(xí),可以使學(xué)生對(duì)機(jī)械產(chǎn)品裝配過(guò)程有更深入的了解,從而可以提高學(xué)生的圖形理解力,增強(qiáng)其空間想象能力,并激發(fā)工程創(chuàng)造力。因此,從1997 年至今機(jī)械制圖的教學(xué)人員對(duì)該內(nèi)容進(jìn)行了廣泛的研究,發(fā)表了很多這方面的論文。本文是在閱讀這些文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,第1 節(jié)指出機(jī)械制圖虛擬教學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容及虛擬教學(xué)系統(tǒng)的研究進(jìn)展;第2 節(jié)總結(jié)虛擬教學(xué)環(huán)境的研究進(jìn)展;第3 節(jié)討論機(jī)械制圖課程中虛擬教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù);第4 節(jié)對(duì)進(jìn)一步加強(qiáng)虛擬教學(xué)提出建議。
圖1 虛擬教學(xué)內(nèi)容
一、虛擬教學(xué)體系及主要研究?jī)?nèi)容
機(jī)械制圖課程中的虛擬教學(xué)主要包括虛擬模型室、虛擬拆裝和測(cè)繪的研究,如圖1 所示。
虛擬模型室的建立主要作用是進(jìn)行模型展示。通過(guò)大量的模型展示,開(kāi)闊學(xué)生眼界,提高機(jī)械產(chǎn)品認(rèn)知能力。其次,對(duì)照投影反復(fù)觀看模型,可以幫助他們更好地理解“空間———平面、平面———空間”的對(duì)應(yīng)統(tǒng)一關(guān)系,完善其對(duì)三面投影的認(rèn)識(shí),幫助建立空間想象能力。再者,可以加強(qiáng)構(gòu)型方法的學(xué)習(xí)。在體驗(yàn)式教學(xué)中,使用參數(shù)化建模的方法,通過(guò)修改基本幾何體尺寸讓學(xué)生更好地理解了相貫的概念,以及相貫線的變化趨勢(shì)。]通過(guò)建立大量的三維虛擬模型,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行仔細(xì)觀察、分析,使得難以想象的空間形體抽象概念易于接受。虛擬模型室的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行零件的造型設(shè)計(jì)、系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計(jì)、以及模型的管理。
虛擬拆裝和檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用在零件圖和裝配圖學(xué)習(xí)過(guò)程中。對(duì)減速器的工作原理進(jìn)行了動(dòng)畫(huà)演示、說(shuō)明,并提供了可以對(duì)減速器進(jìn)行虛擬拆裝的虛擬教學(xué)環(huán)境。學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上反復(fù)進(jìn)行減速器的拆裝,從而對(duì)減速器的機(jī)械結(jié)構(gòu),零部件之間的相互連接、轉(zhuǎn)動(dòng)的傳遞,正確的拆裝方法都有了非常深入的了解。
研究開(kāi)發(fā)了可以進(jìn)行虛擬測(cè)繪的場(chǎng)景。包括扳手、鉗等拆裝工具的使用,游標(biāo)卡尺、螺紋尺等測(cè)繪工具的使用,和測(cè)繪過(guò)程的學(xué)習(xí)。實(shí)現(xiàn)這樣的虛擬教學(xué)系統(tǒng)除了要進(jìn)行模型的處理,還涉及到虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù),如碰撞、約束等內(nèi)容。
通過(guò)分析,并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,筆者給出一個(gè)虛擬教學(xué)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),如圖2 所示。交互層包括可以進(jìn)行人機(jī)交互的硬件設(shè)備,并為虛擬教學(xué)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。功能層包括所實(shí)現(xiàn)的功能,而層和數(shù)據(jù)層為這些功能的實(shí)現(xiàn)提供。
圖2 虛擬教學(xué)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖
下面本文將對(duì)系統(tǒng)的核心內(nèi)容虛擬教學(xué)環(huán)境研究、虛擬教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行重點(diǎn)說(shuō)明。
二、虛擬教學(xué)環(huán)境的研究
根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所使用的虛擬設(shè)備和產(chǎn)生的沉浸感的不同,虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以分為CAVE 式虛擬系統(tǒng)、頭盔式虛擬系統(tǒng)和桌面式虛擬系統(tǒng)。在機(jī)械制圖課程的虛擬教學(xué)中,所采用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)均為桌面式系統(tǒng),如圖3所示。這是因?yàn)闄C(jī)械制圖課程虛擬教學(xué)的主要目的是提高學(xué)生的圖形理解力,通過(guò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)零件測(cè)繪和機(jī)器部件裝配知識(shí)的了解。過(guò)多的虛擬硬件設(shè)備不僅增加了虛擬教學(xué)系統(tǒng)的成本,也會(huì)迫使學(xué)生花大量時(shí)間熟悉硬件使用,而忽略系統(tǒng)本身的作用。
虛擬教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建主要是基于各種虛擬平臺(tái)進(jìn)行如VIrtools、VRML、Cult3D 等。這些虛擬平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)上建立交互的三維對(duì)象,通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤對(duì)三維對(duì)象進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放,同時(shí)也提供了事件、動(dòng)作等屬性,以及基于JAVA 的開(kāi)發(fā)接口,使得用戶可以完成更復(fù)雜的控制?;赩RML 的虛擬教學(xué)的實(shí)現(xiàn)流程,如圖4 所示。
圖4 基于VRML 的開(kāi)發(fā)流程
除了上述幾種軟件,也有習(xí)慣于C 語(yǔ)言的用戶基于底層OpenGL 進(jìn)行虛擬教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。
三、關(guān)鍵技術(shù)的研究
作為新興的研究?jī)?nèi)容,虛擬教學(xué)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)等多個(gè)學(xué)科緊密相關(guān),涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括仿真與可視化研究、CAD 模型的格式轉(zhuǎn)換、虛擬系統(tǒng)中零件的定位與約束、虛擬檢測(cè)、協(xié)同設(shè)計(jì)、人機(jī)交互等多個(gè)方面。
根據(jù)對(duì)虛擬教學(xué)的影響程度,下面對(duì)幾個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)分別來(lái)進(jìn)行論述。
(一)虛擬模型及格式轉(zhuǎn)換
虛擬模型是虛擬教學(xué)的基礎(chǔ),而機(jī)械制圖課程更是不能缺少立體模型的輔助。模型的好壞對(duì)終的教學(xué)系統(tǒng)影響巨大。目前大部分虛擬現(xiàn)實(shí)軟件都沒(méi)有強(qiáng)大的建模功能,因此仍然需要從CAD 軟件進(jìn)行造型,然后再通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,生成虛擬系統(tǒng)可以接受的文件格式,再進(jìn)行虛擬操作。
機(jī)械制圖虛擬教學(xué)中常用的CAD 軟件有Pro/E、Solidworks、Inventor、UG 等。在進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換時(shí),有些軟件可以與相對(duì)應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行對(duì)接,如Pro/E 與Division Mockup虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),由于屬于同一公司開(kāi)發(fā),因此可以直接進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換;但是大多數(shù)軟件則需要開(kāi)發(fā)專門的轉(zhuǎn)換接口或者以標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式為中間文件進(jìn)行格式上的轉(zhuǎn)換,如圖5 所示。
目前的虛擬教學(xué)研究,主要采用的是以標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接圖3 桌面式虛擬系統(tǒng) 口為中間文件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。相對(duì)于接口,該方法易于實(shí)現(xiàn)。
(二)虛擬環(huán)境中的約束與定位
在虛擬環(huán)境中進(jìn)行零件的測(cè)繪或者裝配操作,必須要進(jìn)行零件的定位,而虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境本身缺乏現(xiàn)實(shí)環(huán)境中存在的各種物理約束和感知能力,因此需要依靠自定義方式進(jìn)行定位。目前比較通用的定位模式是基于約束的定位,包括基于幾何位置約束的定位、基于碰撞的約束定位,以及基于裝配語(yǔ)義約束的定位。
基于幾何位置約束是指通過(guò)定義零部件的幾何坐標(biāo)位置進(jìn)行裝配,這種情況下會(huì)出現(xiàn)零部件的刺穿情況。而如果使用基于碰撞的約束,為零件設(shè)置合適的包圍盒,通過(guò)碰撞檢測(cè)算法對(duì)于可能碰撞的地方進(jìn)行計(jì)算,則可以提高系統(tǒng)的擬實(shí)性,這也是目前多數(shù)虛擬系統(tǒng)所用的定位方法。
(三)虛擬測(cè)繪
零件測(cè)繪是機(jī)械制圖課程的重要內(nèi)容。因此虛擬測(cè)繪也是虛擬教學(xué)的研究?jī)?nèi)容之一。由于缺乏力反饋等虛擬硬件設(shè)備的支持,現(xiàn)在的虛擬測(cè)繪多數(shù)是對(duì)于選定點(diǎn)之間的坐標(biāo)計(jì)算,即首先確定需要測(cè)量的兩個(gè)點(diǎn),之后計(jì)算兩點(diǎn)之間的坐標(biāo)差。該方法的本質(zhì)是點(diǎn)到點(diǎn)之間的距離測(cè)量,因此選取精度會(huì)直接影響測(cè)繪結(jié)果。
圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
四、結(jié)束語(yǔ)
虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種先進(jìn)的輔助教學(xué)手段,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和圖形理解力。近年來(lái)關(guān)于機(jī)械制圖的虛擬教學(xué)活動(dòng)的研究,也取得了很大進(jìn)展。但如何提高系統(tǒng)的交互性,體現(xiàn)以學(xué)生為中心,增強(qiáng)學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中的主觀性,促進(jìn)創(chuàng)新能力和精神的培養(yǎng),鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行協(xié)同操作,以及建立合理的虛擬教學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究。
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