本站原创摘 要：随着新技术的迅猛发展,机械制图的教学在不断的革新.本文简介了虚拟现实技术,并将虚拟现实技术运用于机械制图的课堂教学中.采用虚拟现实技术进行机械制图教学有利于学生感知组合体的内外部结构、零件的工艺结构和装配结构等,有助于提高学生阅读和绘制二维工程图的能力.
关 键 词：虚拟现实技术；机械制图教学；组合体内外部结构；零件的工艺结构；装配结构
中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2014）09-0057-02
一、引言
随着新技术的迅猛发展,为培养适应新形势的高级技能型人才,许多高等院校各学科的教学改革在如火如荼地进行着.《机械制图》课程是高等院校理工科学生必修的一门实践性较强的专业基础课,如何优化《机械制图》课程的教与学,是值得研究的重要课题[1].近年来,始于军事和航空航天领域的虚拟现实技术,已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面,并且在许多领域中表现出了强劲的势头,越来越被各界所重视,具有广阔的应用前景[2].本文将虚拟现实技术运用于机械制图教学中,这是教育领域应用信息技术的一种创新.
1.虚拟现实技术简介.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[3].
2.虚拟现实技术的特点.虚拟现实技术以其基本的“3I”特征,特别是以人为中心的人机交互特征在国内外的各领域得到了广泛应用.“3I”即沉浸（Immersion）、交互（Interaction）和想象（Imagination）,这三个“I”反映了虚拟现实系统的关键特性,就是系统与人的充分交互,它强调人在虚拟现实环境中的主导作用[4].
“沉浸性”使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中,一切看上去是真的,听上去是真的,动起来是真的,甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的,如同在现实世界中的感觉一样.“交互性”是指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）.例如,用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体,这时手有握着东西的感觉,并可以感觉物体的重量,视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动.“想象性”强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间,可拓宽人类的认知范围,不仅可再现真实存在的环境,也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境.
3.虚拟现实制作常用软件.虚拟现实制作常用的软件包有3DMax、Virtools、Quest3D、OpenGL等[4].“3DMax”是集造型、渲染和制作动画于一身的三维制作软件.通过3Dmax软件能够制作出真实的立体场景与动画,是在个人PC机上最优秀的三维动画制作软件,受到了全世界无数三维动画制好者的热情赞誉.“Virtools”是功能非常强大的游戏和虚拟现实开发工具,是一套整合软件,可以将现有常用的档案格式整合在一起,如3D的模型、2D图形或是音效等.“Quest3D”是一个容易且有效的实时3D建构工具,能在实时编辑环境中与对象互动,轻松实现虚拟现实的效果.“OpenGL”是个专业的图形程序接口,是一个功能强大、调用方便的底层图形库,主要是用来读入标准3D模型,然后处理漫游等动画效果的.
4.虚拟现实技术常用硬件配备.完备的虚拟现实系统需要配备许多硬件设备：如数据手套、数据衣、立体眼镜、传感器、头盔显示器、BOOM显示器和声学硬件等[4].
数据手套是最常见的输入装置.人机交互时,可以看到虚拟手随着真手在虚拟环境中活动,可进行物体的抓取、移动、装配、操纵和控制等.数据衣是一种穿在用户身上,把他的整个身体中各个部位运动的数据输入到计算机的装置.立体眼镜以其简单的结构、轻巧的外形和便宜的成为目前最为流行和经济适用的虚拟现实观察设备.
二、虚拟现实技术应用于机械制图教学
由于学生缺乏空间想象力,在校接触零部件的机会不多,无专业工作经验,当他们在书本或课件中见到一些机器和零件的二维视图时,无法勾勒出物体的正确轮廓,感到学习枯燥没吸引力,因此,在机械制图教学中,首先要解决的是学生的感性认知问题.对此,我们可以在机械制图教学中引入虚拟现实技术.利用虚拟现实技术对机械制图中一些典型机构进行模型的创建,并采用虚拟仿真和动态演示的方式,学生可清楚认识机械零件的结构,机构运动规律及其工作原理,更容易理解机械零件的二维设计图,这样就大大提高了学生的接受水平,激发了学生学习的热情和主动性,为后续课程的学习打下了基础.
当学生戴上数据手套和头盔显示器等设备时,可以对虚拟环境中的模型进行移动、翻转等动作,如同手中拿着真实的物体从不同的角度充分地观察,使学生完全沉浸在虚拟环境中,从而在脑海中准确地建立各模型的空间概念.这样就把学生感到头疼难以理解的内容形象、生动、直观地展现在他们眼中,从而解决了由于抽象思维能力不强引起的感性认知不足的问题,帮助学生迅速掌握所学内容.
1.虚拟现实技术在组合体读图中的应用.在机械制图组合体的教学中,已知两个视图求作第三个视图是教学中的重点和难点,它考查了学生的空间想象力和作图技巧.通常对于一些叠加、挖切多处的形体,且图形中线条的交叉重叠而且虚线较多,求作第三个视图时,学生作图速度会很慢,甚至无从下手或完全想象不出形体的形状.利用虚拟现实技术对组合体进行实体模型仿真,学生可以将虚拟实体和二维视图进行反复对照,培养学生将各个视图联系起来的读图能力和分析能力,使学生对图中的线框和图线的含义有直观的印象,提高学生对组合体的综合分析能力.表达零件内部结构常常采用剖视图,但在讲解剖视图时,如果形体结构复杂,学生则很难想象出零件的内部形状,甚至弄不清剖视图的形成过程、剖切平面的剖切位置,不知道哪些部分被剖切平面剖切,图中哪些地方要画剖面线.为此,我们用虚拟现实技术制作零件模型,利用“剖切”功能,通过设置好的剖切位置和剖切平面,对零件进行全剖、半剖或者局部剖.学生戴上立体眼镜和数据手套后,可以对剖开的两部分模型进行分合、旋转等动作,更直观地观察剖切体.这样,就可以清楚地看到零件的内部结构,进而可以清楚地分辨出在视图中各线条所代表的意思.这对教师讲课和学生学习剖视图有很大的帮助,不用费很多课时就能很好地完成教学任务,达到事半功倍的效果.
2.虚拟现实技术在零件结构方面的认知.机械制图的教学通常是针对大一学生来开设的.大一的学生对机械零件的接触很少,对于零件结构,尤其是零件的工艺结构知之甚少,很多工艺结构学生不认识、不理解.例如倒角、倒圆、铸造圆角、拔模斜度、键槽、砂轮越程槽等,学生光看二维工程图或者三维模型图很难理解并记住这些画法,如果采用虚拟现实技术将这些结构直观地展现在学生眼前,并让他们带上立体眼镜和数据手套触摸这些结构,必然会加深对这些结构的认识和理解.
除此之外,对于各种标准件、常用件以及轴套类、盖类、叉架类、箱体类零件,学生难以把实际中的物体与之对应上,会出现张冠李戴的现象.利用虚拟现实技术创建一些标准件、常用件和各类零件的模型库,在教学中,当讲到什么零件时就从库里调出该零件,让学生直接观察该零件的结构,分门别类地记忆,这样既节约经济,可以省去了购置大量实体模型的费用,又可以让他们印象深刻,掌握得更扎实,从而加强学生绘制并阅读零件图的能力.
3.虚拟现实技术在装配结构方面的认知.对于装配图部分的教学,不仅教师觉得比较难教,而且学生也普遍觉得难以掌握.学生对于装配体的结构、工作原理、零件间的装配连接关系等都缺少感性的认识,无论是阅读还是绘制装配图,学生都感到非常吃力.为此,可以利用虚拟现实技术构建虚拟装配系统,将机构中的各零件装配在一起形成装配体,并对装配体进行模拟装配和动画演示.在装配过程中不仅可以验证设计和装配的可行性和工艺性,还能定出最优的装配工艺与路径,还可以利用虚拟现实技术的硬件装备,让学生自行完成虚拟装配.这样,学生就可以轻松地掌握装配体各零件间的装配关系和装配体的工作原理以及运作过程等,提高了学生阅读并绘制装配图的能力,并且为后续机械原理和《机械设计》课程打下基础.
三、结语
虚拟现实技术在《机械制图》课程的教学中,其直观、形象、生动的模式易于教师的教授和学生的学习,有利于学生全方位感知组合体的内外部结构、零件的工艺结构和装配结构等,使抽象的投影关系与直观的视觉印象能相互转换,有助于提高学生阅读和绘制二维工程图的能力,同时培养了学生现代设计的意识和创新思维,适应当前卓越工程师教育的培养方针,随着虚拟技术的发展,将在机械制图教学中发挥更大的作用.