VR和AR技术在机械制图课程中的应用研究

阎汉生　王清辉　刘子桦　熊巍　陈亮

【摘 要】以VR/AR为代表的虚拟现实技术正迅速发展，对现代职业教育的教学方式方法产生重要影响。机械制图作为一门传统的专业基础课，在教学中存在一些难点，例如组合体的构型、剖视图的表达、装配体的识读等，主要是由于学生空间思维能力不强，对复杂产品的结构认知不足等因素造成。利用VR/AR技术，开发各种更直观易用，具有良好立体感和交互性的教学资源，通过线上线下等不同的方式供学生采用，有利于提高学生的学习兴趣和效果。

【关键词】虚拟现实技术;机械制图;课程教学

中图分类号： G712 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）21-0075-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.035

Application Research of VR and AR Technology in Mechanical Drawing Course

YAN Han-sheng1 WANG Qing-hui2 LIU Zi-hua3 XIONG Wei3 CHEN Liang3

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Guangdong Polytechnic of

Industry and Commerce，Guangzhou Guangdong 510510，China;

2.School of Mechanical & Automotive Engineering，South China University of Technology，

Guangzhou Guangdong 510640，China;

3.School of Design，South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China）

【Abstract】The virtual reality technology represented by VR/AR is developing rapidly， which has an important impact on the teaching methods of modern vocational education.As a traditional professional basic course，mechanical drawing has some difficulties in teaching，such as the configuration of the combination，the expression of the sectional view，the reading of the assembly model，etc.，mainly because the students' spatial thinking ability is not strong，and students lack understanding of the structure of complex products.Using VR/AR technology to develop a variety of teaching resources that are more intuitive and easy to use，have good stereoscopic and interactive，and are used by students in different ways，such as online and offline，to improve students' interest and effect.

【Key words】Virtual reality technology;Mechanical drawing;Course teaching

0 引言

虛拟现实技术（VR）的概念产生于20世纪80年代，最初的定义是通过显示器上的图形方式表达用户计算机的数据，在合理操作下产生的交互感受所幻想出来的一个空间，称之为赛博空间（Cyberspace），和真实物理空间对应[1]。后续经过许多学者的补充完善，从不同的角度提出了虚拟现实的特性。现在广受认可的一种描述是，虚拟现实是一种集成了计算机图形学、电子技术、仿真技术及人工智能等多门技术的综合领域。它利用计算机生成一种虚拟的三维环境，通过视觉、听觉、触觉等多种信息通道为人所感知，并通过各种传感设备，真正实现了人机交互，从而为用户带来良好的沉浸感、交互性和构想性。增强现实技术（AR）的出现则晚了很多，主要原因在于移动终端的图像处理能力近几年才得到极大提升。AR是指将基于现实世界之外创建的虚拟场景叠加到真实场景中，形成一个虚实结合的环境，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验，主要作用是在真实物体上叠加该物体的信息。

在高职的机械制图课程教学中，普遍存在以下几个难点：组合体的构型方式、剖视图的准确表达、装配体的识读理解等[2][3]。这主要是由于学生空间思维能力不强，对复杂产品的结构认知不足等因素造成。然而传统的制图教学方式，多采用教师板书、PPT课件、观看图纸或木制模型，从实际效果来看，学生还是觉得抽象、不直观，没有很好地解决以上几个难题。

国家中长期教育改革和发展规划纲要鼓励高职院校要利用丰富的信息化技术手段，对原有教学资源、教学方法、教育模式和理念进行全面改进，促进学生自主学习，提高学习效果[4]。本文将研究以VR/AR为代表的虚拟现实技术在机械制图课程中教学中的综合应用。

1 虚拟现实技术在组合体构型中的应用

1.1 通过AR技术让学生“全面”认识组合体

这两年以来，大量的出版社都在新出版的制图类教材中，增加了相应立体的AR资源，而且这些资源都是免费公开的[5]。在无法经常更换全体学生教材的情况下，比较可行的做法是，教师通过不同渠道，自己多准备一些不同的教材，将其中带有组合体AR资源的页面，扫描为电子图纸。在课前预习阶段，将相应的图纸发送给学生，并指导学生下载相应的AR资源。这样学生就可以在课前利用碎片化时间，用手机的摄像头扫掠电子图纸中的组合体二维图形，这时手机屏幕上就会浮现改二维图形对应的三维模型，还可以触摸手机屏幕，对三维模型进行旋转、缩放、移动，从而“全面”认识该组合体（如图1所示）。这就解决了平面二维图纸只能表达一两个“面”的局限性。学生经过课前预习对组合体的“全面”认识，在课中授课阶段，必然会更容易听懂和理解。

1.2 开发组合体拆装虚拟交互平台

对组合体进行虚拟拆装体验，可使学生对叠加型和切割型组合体的构型方式有更深刻形象的理解，有利于学生后续对组合体进行完整的形体分析[6]。

本研究团队在HTC VIVE SDK的基础上，基于Unity3D独立开发了一个专门用于组合体拆装体验教学的虚拟交互平台，既可以用鼠标操作、在显示器观看，也可以让学生带上头盔，用手柄操作。这两种交互方式各有优缺点，前者传统，简单，体验一般，学生可以下载组合体拆装的exe文件，到自己电脑上操作自主学习，时间地点自由;后者新奇，复杂，体验深刻，但学生要到实验室佩戴必要的设备后，才能在体验学习，时间地点受限。学生在实验室体验虚拟拆装组合体的情境如图2所示。

以下是手柄按键接口的主要代码：

public class ButtonTouchAction ： MonoBehaviour {

SteamVR_TrackedObject trackdeObjec;

void Awake（） {

trackdeObjec=GetComponent（）;

}

void FixedUpdate（）

{

var device=SteamVR_Controller.Input（（int）trackdeObjec.index）;

if（device.GetTouch（SteamVR_Controller.ButtonMask.Trigger）） {

var deviceIndex2=SteamVR_Controller.GetDevice Index（SteamVR_

Controller.DeviceRelation.Rightmost）;

}

以下是移动组合体中凸台对象的主要代码：

public class tutaimove ： MonoBehaviour {

public GameObject tutaiJ;

private bool Ismove = false;

private bool Needmove = false;

private int i， j = 1;

void Update （） { }

private void device.GetPress（SteamVR_Controller.ButtonMask.Trigger） （）

{

Needmove = true;

if （Ismove == false） {

tutaiJ.transform.position=Vector3.SmoothDamp（tutaiJ.transform.position， Newpos， ref a， 0f）;

Ismove = ！Ismove;

j=1;

}

2 虚拟现实技术在剖视图表达中的应用

在组合体的视图表达中，学生反映最难的是剖视图的画法，因为剖视图的画法实际上是建立在对组合体的完全理解基础之上，而且剖视图往往是用来考核学生是否正确理解了组合体构型的途径。所以剖视图的正确表达是和组合体的完整理解紧密相连的。经过探索研究，可以通过3D秀秀这类新兴的第三方平台，将事先制作好的三维数字模型上传，并转化为可交互浏览和剖切显示的web3D模型，通过在线共享给学生，学生可以很方便的浏览该立体，并任意切割该立体，并观看到完整截断面细节，相当接近标准剖视图，对学生理解立体构型并正确绘制剖视图有很好的指导作用。

笔者在Rhino软件中建立了支座组合体的三维模型，并将其上传至3D秀秀平台，然后对其纹理、灯光、阴影、操作等做设置，便可生成轻量化的web3D文件，可通过网页地址的方式发给学生用pc使用，也可以通过微信链接或朋友圈的方式发给学生，学生在微信中打开使用。在各个不同的客户端上，学生不但可以顺畅的旋转缩放观察该组合体，还可以点击剖切命令，对组合体在任意位置，沿任意方向剖切，系统会自动绘制截断面上的剖面线，如图3所示。

学生只要保存该链接，便可在任何时间，用各种客户端进行该组合体的剖视图学习，有利于提升学生绘制剖视图的能力，同时提升对复杂组合体的理解力。

3 虛拟现实技术在装配体识读中的应用

学生对装配体的识读困难，根本原因在于学生缺乏对这类装配体的结构认知，也就是没有拆装过这类产品。但是，随着高职教育的规模扩折，几乎所有院校都存在这机械结构认知模型数量不足，质量不佳的状况。例如笔者所在高校，虽然购买了一批全新的小家电供学生认知学习，但仍然无法满足全班的需要，而且随着拆装次数的增加，真实产品模型损坏率非常高。近年来计算机图形性能和互联网技术的飞速发展，通过构建虚拟产品的三维模型，供学生进行虚拟结构认知实验已成为改善教学条件的一种重要手段[7]。

本研究团队于2018年建成了一个能通过互联网共享的三维互动虚拟实验室。实验室以Unity3D技术为核心，在实验平台上呈现需要认知的产品结构互动三维模型。具体建设过程包括进行需求分析，形成项目方案，平台方案设计，真实产品的高精度建模，产品零部件的交互动作编程，制作平台网页，嵌入虚拟交互模型。目前免费公开提供注塑模具、减速器、加湿器等5个三维模型，其中齿轮减速器的线上拆装如图4所示。学生用电脑登录实验室网址，加载了Unity Web Player插件后，就可以通过鼠标、键盘等输入设备对模型进行反复拆装，而且系统还设置了三种不同的拆装方式，包括拆装动画演示、鼠标点击拆装、鼠标自由拖曳拆装，三种方式由浅入深，逐步让学生自主操作，符合认知规律。该互联网上的虚拟实验室大幅度提高了学生实验的时长、频次。

4 教学反馈

以上几种虚拟现实技术，经过1-2个学期在机械制图课程实际教学应用后，进行了问卷调查。统计数据表明，超过90%的学生对这几种虚拟现实技术感兴趣，80%以上的学生觉得这些技术对疑难知识点的学习有明显帮助。

5 总结

通过自主研发和采用第三方平台等多种方式，本文综合应用了4种虚拟现实具体技术，较好的解决了机械制图课程中的三个常见难点。VR/AR技术的引入，使这些知识点的学习变得更加直观、交互性更好，提高了学习效率，尤其是线上模式的开发，极大增加了学生实验的频次，降低了实验设备购置成本。本文介绍的各种技术手段，也适合其他相近课程采用。

【参考文献】

[1]William Gibson，Cyberspace，Burning Chrome，1983.

[2]曹立波.广播电视大学机械制图课程远程教育教学的几点思考[J].中国现代教育装备，2018（11）：78-79+82.

[3]陈志.运用Solidworks突破《机械制图》教学难点的研究[J].科技视界，2018（06）：179-180.

[4]林书兵，张倩苇.我国信息化教学模式的20年研究述评：借鉴、变革与创新[J].中国电化教育，2015（09）：103-110+117.

[5]潘冬玲.AR增强现实技术在《机械制图》课程教学中应用初探[J].轻纺工业与技术，2018，47（09）：45-46.

[6]熊巍，刘林，陈锦昌.现代工程制图课堂教学改革的探索与实践[J].图学学报，2014，35（02）：296-300.

[7]阎汉生，曾峰，龙宇辉.基于Unity3D的產品结构认知虚拟实验室构建[J].实验室研究与探索，2017，36（08）：117-121.

[8]阎汉生，刘林，熊巍.高职机械制图课程信息化教学设计——以组合体三视图的画法为例[J].科技视界，2018（27）：120-122.