虚拟现实技术引入机械类课程的技术与难点分析

刘炜 夏兆旺 包国治 王军

摘  要： 针对一般网络教学课件偏重理论，缺少与学员互动的问题，引入模型实例和SolidWorks Composer作为技术手段，实现了三维虚拟装配在网络教学中的应用，解决了网络课件不能实现设备拆装教与学互动的瓶颈。应用此款课件在教学中开展了教学效果的调查研究，引入技术接受模型，从感知有用性和感知易用性两方面分析学生接受难易程度，搜集课件使用信息分析心流体验的九个要素，发现九项中有五项得到了提升。网络与虚拟现实技术相结合，应用于机械类课程的教学，提升了教学效果和扩展教学范围，使远程教学得到强有力的支撑。

关键词： 虚拟装配; 网络课件; 技术接受模型; 心流体验

中圖分类号：G642.3          文献标志码：A     文章编号：1006-8228（2019）05-80-04

Abstract： Aiming at the problem that the general network courseware emphasizes theory and lacks interaction with students， this paper introduces model instances and SolidWorks Composer as technical means， realizes the application of three-dimensional virtual assembly in network teaching， and solves the bottleneck that usually a courseware on web cannot realize the interaction between teaching and learning of equipment disassembly and assembly. This courseware is used to investigate the teaching effect in teaching. The technology acceptance model （TAM） is introduced to analyze the degree of students' acceptance difficulty from two aspects of perceived usefulness and perceived ease of use. Nine factors of flow experience are analyzed by collecting the information used in the courseware. Five of the nine factors are found to have been improved. The combination of network and virtual reality technology has been applied to the teaching of mechanical courses， which improves the teaching effect and expands the scope of teaching， and gives strong support to remote education.

Key words： virtual assembly; courseware on web; interactive education; TAM; flow experience

0 引言

随着教育科学技术的发展，虚拟现实技术和网络技术引入教学并成为一种重要的教学手段势在必行。在高等教育领域，国外的一些名校如哈佛，MIT已经率先在MOOC等教学方法和手段的探索应用上，走到了前列，取得了良好的社会经济效益。叶兴浩在《大学物理3D课堂教改初探》[1]提出制作、展示和研讨的学习过程，强调实践并提出完善网络学习平台;此外，武汉理工大学的王利，向阳在《三维课件在船舶辅机教学中的应用实践》提出使用三维软件Pro-E在课堂进行演示所得到的良好教学效果[2]。但针对柴油机的拆装维修来说，这些教学方法并没有提供三维互动功能，不适用于远程互动教育。本文提出运用Solidworks Composer工具将三维互动仿真课件与网络技术相结合，可以解决远程互动教育的问题。

虚拟现实技术具有自行体验、主动探索和学习的过程，既最大程度符合了721法则中的“70%”特性，也意味着它更容易激发受训者的兴趣，通过互动、鼓励，引导受训者积极体验而不是消极地听讲，从而更加精确有效地向受训者阐释客户现场情况、设备结构特性、操作流程等，实现“因做而学”的建构主义教学效果[2]。

1 Solidworks Composer技术

Solidworks Composer是Solidworks的一个插件 [3]。Solidworks Composer 用视角照相机创建位置关键帧来记录柴油机拆装教学所需的拆装顺序和拆装路径。仿真动画位置关键帧的设定按照柴油机传统装配工艺的规定，每个装配工序对应相应的位置关键帧。拆装动画完成后，再经过后期加工处理，附加一定环境下拆装条件与拆装要求，实现工艺可视化[4]。本文中拆装的思想，可以根据不同类型柴油机的特点选择最合适的展示方法，也可将多种展示手法相结合，以便更好地突出各类柴油机的特有属性，实现其结构的最优化安排，具体如下[6]。

⑴ 分析各型柴油机结构特征，整合拆解顺序。简单部分按结构的组成顺序装配，对装配体进行分类识别，确定装配基准，对子装配体进行装配后得到组件。复杂部分则要进行虚拟装配规划，拟订优化后的装配方案。

⑵ 拆装方案以工艺流程为指导，选择学生容易认知的拆装路线。

⑶ 以模块化思想为指导，将复杂的模块分离出来，单独演示其结构和工作原理。

2 基于Solidworks Composer的柴油机拆装工艺远程教学方案的具体思路

2.1 制作动画教程并在网络发布

使用Solidworks构建需要演示的柴油机各个机构数字化模型，在网页上发布生成好的柴油机拆装工艺流程动画，使用者可以在不同的物理位置登陆网页，观看该动画。这种基于网络的三维视角可变式流程演示动画在辅助以相应的教学内容，一同发布在网页上，教学内容可以分为四类，即图片介绍，文字说明，图表显示，视频讲解[3]。

2.2 层次化知识信息结构

从学生的接受难易度，由浅入深地进行层次排布。①图片介绍作用是提起学生学习兴趣，对柴油机相关知识信息点进行扩展，拓展到船舶建造，海洋工程领域。从而激发学生求知欲，促使学生能够自主的学习，这也是远程教育的关键。②使用文字来说明柴油机的工作原理，柴油机工作原理分模块进行说明。③图表显示具体化柴油机原理并且给出柴油机具体参数，学员可以从前面的抽象知识过渡到具体知识，针对CZ380柴油机的各个具体结构与工作参数给出说明。④分别对拆装过程中难度较大的地方作视频讲解和三维虚拟互动演示。

本文以CZ380柴油机为例，如图1所示。

2.3 实例化知识信息结构

通过对CZ380柴油机的模块的分解，搭建了学员认知层次，从而使学员在网页的学习过程中，更好的了解和掌握相关知识点。CZ380柴油机的装配工艺规划包括划分装配单元、选择装配路径和确定装配顺序。装配单元通过Solidworks Composer中选择集的划分来确定。由于在此平台中，无法模拟装配现场的真实环境，故装配路径需要保证柴油机各机构的零部件装配过程中不发生碰撞与干涉。装配顺序的确定采用拆卸法，假设零件装配和拆卸是可逆的过程，通过求解零件的拆卸顺序来获取零件的装配顺序。由装配方案遵循“可拆即可装”的原则[5]。

3 基于Solidworks Composer的柴油机拆装工艺远程教学方案的实现

3.1 模型的建立

虚拟互动课件需要详细的柴油机各零部件数字化模型，CZ380柴油机模型根据图纸和实物测量，应用Solidworks软件来构建其数字化模型。

需建模的零部件包括柴油机的一些重要零部件如气缸、气缸盖、气缸垫、油底壳，以及两大机构——曲柄连杆机构和配气机构。在柴油机装配过程中，从属于模块的零件如油管、水管可适度的简化如图2所示。

在Solidworks Composer系统完成了所有的演示效果后，采用其生成的.smg格式文件构成网络互动课件的核心部分。如图3所示。

3.2 技术特点

制作柴油机整体结构的装配动画，为了更好观察各个零件的装配效果，将柴油机分为飞轮、气缸体和气缸盖，曲轴连杆活塞、齿轮及齿轮盖、油底壳五个部分。应对所有的零件进行不同颜色的渲染，以从顶到下，从里到外的原则进行装配，每个动画步骤都有一个名词解释会帮助学员更好理解装配的过程。

4 应用效果及分析

为了分析此虚拟现实技术实例对于教学的影响，引入技术接受模型进行评价。技术接受模型（Technology Acceptance Model，TAM，1989年），简称TAM模型，技术接受模型提出了两个主要的决定因素：①感知有用性（perceivedusefulness），反映一个人认为使用一个具体的系统对他工作业绩提高的程度;②感知易用性（perceivedeaseofuse），反映一个人認为容易使用一个具体的系统的程度。

本研究以TAM模型为基础进行扩展，如图4所示。

本文研究方法包括以下方面。

⑴ 硬件是载体，在整个系统的配置中，由于是基于网络的远程虚拟现实教学方案，所以可以选择基于远程PC或者移动手机客户端的浏览模式。

⑵ 软件的设计，关键点在于工艺正确，用户学习方便。

⑶ 交互体验感，良好的交互感带给用户较好的使用感受，影响用户的学习动力。

表1中列出变量的定义、测度项个数和来源，以上所有变量的测量均采用Likert5级量表进行测试，其中5表示非常赞同，1表示非常不赞同。

本教学方案已发布在学校网站，教育资源板块中，不但作为本学校或学院学生的学习资源，而且为远程教育提供教学材料，同时为社会学员提供参考的学习资源。在“江苏省大学生柴油机拆装大赛”中为参赛选手了解熟悉考试对象，事先掌握比赛基本技术提供条件。解决了参赛学员不能预先接触比赛对象的矛盾，保障了比赛的公平性。提高了参与度，改变以往面对面的教育模式。

经过以上的使用和分析，使用本课件后，被培训者在心流体验的九个要素（目标明确、清晰及时反馈、挑战与技能的平衡、行动与意识相融合、关注任务不受干扰、不担心失败、自我意识消失、遗忘时间、自觉体验）中，有五项（关注任务不受干扰、遗忘时间、不担心失败、清晰及时反馈、自觉体验）都有显著提升。

5 总结与展望

本文以Solidworks Composer 软件为研究对象，对柴油机产品进行虚拟展示交互仿真功能设计，同样，其他机械设备的装配结构都可使用Solidworks Composer进行拆装维修说明手册的建立，描述相关产品的具体操作实践，为学生直观地展示具体拆装工艺和操作流程。

本文所制作的柴油机远程拆装教学应用软件，在远程教育中采用虚拟现实技术手段，是知识可视化视觉传播的表现形式，通过互联网，将现有知识点传播到计算机客户端，手机终端，结合不同的语言环境，能满足多样化的用户群需求，用户根据自身知识水平的不同，灵活的选择学习阶段。

柴油机拆装可视化教学方案，为处理教学过程中难以解决的虚实对比和虚实互动的手段提供了较好的技术支持。教学方案为学生呈现更加直观化的知识，使得学习内容变得动态化。通过对学生学习柴油机拆装效果的分析，为学生提供个性化的指导。通过虚实结合和虚实对比，学生依据学习效果分析进行学习过程反馈，这些为学生自我评价提供了重要依据，有助于学生在自我总结和反思中不断进步，从而形成自己的学习柴油机相关知识点的路线图。

大型柴油机的远程拆装工艺及维修教学在现阶段国内远程教学领域仍有不足之处，将Solidworks Composer软件此类三维虚拟技术引入后，将会为大学教学手段及远程教学方案提供更为广阔的发展空间。

参考文献（References）：

[1] 叶兴浩.大学物理3D课堂教改初探[J].黑龙江教育，2016.5：12-14

[2] 王利，向阳.三维课件在船舶辅机教学中的应用实践[J].教育教学论坛，2016.5（21）：194-195

[3] 马秀麟等.视频资源类型对学习者在线学习体验的实证研究[J].中国远程教育，2016.5：32-39

[4] 袁凤娟等.基于3DVIAComposer的水电站厂房模型三维仿真系统开发[J].电脑知识与技术，2014.10-32：26-30

[5] 周亚丽.基于3DVIA Composer的金刚石线切割机装配工艺可视化研究[J].现代制造工程，2015.3：70-74

[6] 金照，黄琼涛，张荣强.基于3DVIA Composer的产品虚拟展示与设计[J].机械设计，2015.11：119-122

[7] 李君.基于Solidworks和3DVIA Composer的汽油柴油机建模与维修保养[J].农业工程，2014.7：15-19