基于虚拟现实技术的“机械制图”交互式教学资源开发

黄 岗，胡冬生，潘常春

（1.杭州科技职业技术学院，浙江 杭州 311402；2.浙江大学，浙江 杭州 311402 ）

0 引言

信息技术的快速发展为人们生活、工作带来了极大的便利。其中，虚拟现实技术（Virtual Reality）以其交互性、沉浸性和构想性特征成为信息技术应用开发的新手段。将虚拟现实技术融入到课程教学中，无疑为教学活动的开展提供了新环境，新资源和新工具，将极大促进教学模式和教学组织形式的突破。

“机械制图”课程是工科类专业非常重要的专业基础课[1]，学习过程中需要学生具备良好的空间想象能力，能够对空间几何体和空间位置关系进行分析。由于一些学生缺乏空间想象能力，又因为没有专业工作经验，接触实际机械零件的机会少，面对教学中的机械零件的二维视图时，很难想象出物体正确的模型轮廓，因而会感到课程学习枯燥、乏味，对课程学习缺乏兴趣。为此，提高“机械制图”课程教学效果，首先要帮助提高学生的空间想象力，再从感性认知转化为理性认知。借助虚拟现实技术开发“机械制图”课程的交互式教学资源，实现机械制图知识的可视化，将抽象的制图知识具象化，方便学生观察和认知，进而提高课程教学效果[2]。

1 教学资源需求分析

“机械制图”课程的学习要求学生能够理解机械零部件的投影原理及二维视图的表达方法，能够读懂并绘制机械零件图和装配图。课程的教学难点在于，机械制图的知识点繁多且很多知识点是不能直接观察到的理想要素和空间关系，可能会影响学生对知识点的理解[3]。因此，开发的“机械制图”的交互式教学资源需要将机械制图中抽象的知识具象化、可视化，帮助学生理解概念、理清思路，从而提高课程教学的有效性。

再则，“机械制图”课程目前的教学资源存在资源内容形式单一；内容上缺乏真实感和交互性；与实际教学需求存在较大差距等问题[4]，亟需改造升级等问题。利用教学信息化平台优化教学资源管理，方便现场教学、自主学习等多种混合式教学形式的使用，提升教学效果。基于虚拟现实技术的交互式教学资源，帮助探索新的课程教学形式，拓展线上教学资源，在教学过程中实现“虚实结合”的新模式。

2 教学资源系统的总体设计

2.1 设计思路

根据“机械制图”课程的教学内容和要求，同时结合专业课程体系建设需要，对该课程教学资源进行统一规划，教学载体选用典型机械零部件，通过典型机械设备案例贯穿，实现专业课程间的知识点衔接，着力提升基础课程的通用性，方便学生建立知识点的联结。课程交互式教学资源整体打造成立体化资源，包括：图片、文字、动画、视频、模型资源、语音等。资源采用多角度、多形式内容相互配合，方便知识点的学习，从而提升课程教学资源的互动性和趣味性。

基于虚拟现实技术的交互式教学资源的核心是机械零部件模型创建与交互操作。机械零件模型数据采用拟实化处理，参照实物原尺寸建模，真实的观感体验可让资源使用变得舒适。在资源使用过程中，好的用户体验能够增强学生学习兴趣的同时也让用户的关注集中于资源内容。为提供友好的用户体验，教学资源采用简单、直接的方式完成交互操作。教学资源简约化的交互操作能够更好空间展示课程教学内容，方便教师、学生使用。

此外，考虑到教学资源的使用方便性，教学资源的发布采用线上资源模式，无需用户端额外安装应用程序，可直接通过浏览器访问使用。同时，线上教学资源模式能够方便资源后续的更新。

2.2 内容规划

根据“机械制图”课程教学的重难点分析，对课程知识内容进行分解、设计，重点开发基本形体视图、组合体视图、剖视图、轴测图、典型机械设备的零件图和装配图的交互式教学资源，开发的交互式教学资源中，典型机械设备可作为贯穿案例，链接相关专业课程的知识点，资源内容如图1 所示。

图1 “机械制图”交互式教学资源总体设计

通过虚拟现实技术在“机械制图”课程中的应用，让学生能够直观地感知几何形体的外部轮廓、内部结构，机械零件的工艺结构，机械设备的装配结构等机械制图知识。通过“虚实叠加”功能，将机械制图中抽象的投影关系、空间关系与二维视图相互叠加对照，进一步提高学生的识图、绘图能力。立体化的交互式教学资源，也能丰富课程的教学形式，拓展课程的教学方法。

3 教学资源的技术路径

“机械制图”交互式教学资源开发的技术路径，选以组合体视图中相贯线知识点的交互式教学资源开发为例，讲解说明资源的实施过程及技术路径。

3.1 模型创建及拟实化处理

在交互式教学资源中，选用NX 软件对机械制图的典型零件进行模型创建，按照实物1颐1 建模。为实现模型真实感，使用3ds Max 软件给零件模型贴上金属质感的材质。如图2 所示为模型处理的效果对比情况。通过拟实化处理，让模型更接近真实的机械零件外观，增强学生的资源使用体验感。

图2 零件模型处理效果对比

完成拟实化处理后，模型导出为AR 编辑器可以支持的GLB 格式文件。GLB 是GLTF 模型的二进制文件格式，信息内含节点层级、几何体、材质、动画等信息。数据导出的技术实现上，为能顺利导出GLB 格式文件，需要在3ds Max 软件中安装Babylon.js 插件。同时，模型导出需要注意的事：模型尺寸不超过0.5 m；模型在场景中居中显示；模型坐标位置归零。

3.2 交互式资源实现

交互式教学资源开发平台选用万维引擎AR 编辑器，编辑器是基于B/S 浏览服务器架构的增强现实（AR）开发平台，无需下载安装即可运行使用，支持Windows、IOS、Android 跨平台；PC、平板、手机跨终端使用。

教学资源采用基于Opencv 图像识别算法的图片扫描触发，通过对锚点图像的特征分析和特征匹配，触发对应的教学资源内容。为提高扫描触发率，可添加锚点图像的多角度图片作为锚点图片。立体化教学资源内容形式包括了图片、文字、视频、模型、声音、链接。通过AR 资源实现虚拟和现实的叠加，增强机械制图知识点认知，提升课程教学效果。

如图3 所示，扫描锚点图片就能触发组合体视图的交互式教学资源，资源内容包括微课视频、知识点文字介绍，零件模型、知识点的讲解音频、2D 零件图。当前界面显示为零件模型观察，可通过触控屏幕实现模型的旋转和缩放。

图3 组合体视图的交互式教学资源

交互式教学资源的技术路径，如图4 所示。制作完成后通过网页发布为线上资源，不需要安装任何软件即可浏览使用。

图4 教学资源的技术路径

4 应用实例和效果

“机械制图”课程的组合体视图的教学中，形体分析求作视图是教学中的重点，需要学生有较好的空间想象力。从构成角度分析，组合体是由多个基本体叠加、切割形成，因此，视图中用以表达组合体的图形特点就是多线条的交叉和重叠而且还有表达不可见轮廓的虚线。其中，截交线和相贯线为几何形体经截切、相交产生的交线，视图中的表达多为直线或曲线组成的封闭平面图形。因此，视图中截交线和相贯线的绘制是组合体视图教学的难点之一，学生需要较长时间思考才能想象出形体交线的准确轮廓形状。

立体经平面截切产生的交线就是截交线，其中曲面立体的截交线多为曲线，是思考理解的难点。截交线作图的关键就是找出若干共有点的投影，再将各点光滑连接起来。如图5 所示，为机械制图课程中截交线知识点的应用案例，图中的模型为圆锥与圆柱的组合体经由平行于轴线的平面截切形成，截交线投影为非圆曲线和直线的组合平面图形。截交线作图步骤讲解时，学生可以通过旋转模型进行反复对照观察，能够直观地看清模型的轮廓线，也能方便理解截交线作图时找特殊点、一般点的作用，进而提高该知识点的教学效果。

图5 截交线案例模型

虚拟现实技术在组合体视图中的应用开发，可通过虚拟模型的观察、对比增强学生对形体的感性认知，同时将理论与实践相结合，增强了对课程基础知识的理解。在使用过程中，学生表现积极、课堂氛围活跃。学生通过将虚拟模型与二维视图进行反复对照观察、思考，能够快速掌握视图间的关联关系，效果明显。同时，任课教师也不用准备繁多的教具模型，方便课程开展，丰富课程教学形式，有助于调动学生的学习主动性。

5 结语

将虚拟现实技术引入到“机械制图”交互式教学资源的开发，研究过程中主要解决了模型数据的传输问题；基于GLB 格式文件实现了3D 模型在网页上的加载、展示功能。同时，利用教学信息化平台整合教学资源，方便教师教学和学生自学使用，可实现“虚实结合、理实一体”的教学模式。机械零部件的虚拟模型可供反复观察，摆脱时间和场地的束缚，进一步丰富了课程的教学资源。

虚拟现实技术的教学中应用，可实现知识点的可视化，帮助学生获取更直观的学习内容，帮助学生理解抽象的空间几何形体和空间位置关系。虚拟现实技术在教学资源建设中的应用必将是职业院校教学改革的一个重要发展方向。