虚拟仿真技术在铰孔教学中的应用

宁波大学 于爱兵 王家炜

针对铰孔教学中理论与实践无法有效结合的问题，采用虚拟仿真技术建立虚拟仿真辅助教学系统。以《机械制造技术基础》课本中的“孔加工方法”章节为例，通过UG、Unity3D、Visual Studio等软件制作了铰孔辅助教学系统。铰孔辅助教学系统由知识模块和实践模块两部分组成，通过教学系统可以学习铰刀种类、铰刀结构、刀具参数以及铰孔的操作过程。铰孔辅助教学手段丰富了教学形式，将理论与实践相结合，使学生获得更为生动的学习体验。

1 虚拟仿真技术

虚拟仿真是指借助现代高科技手段将现实中的相关产品、设备虚拟化，使其能够在计算机中进行模拟交互，从而达到虚拟操作的效果。该技术在教育行业有着巨大的应用前景，“十四五”规划中就曾明确指出，“要促进以互联网、大数据、人工智能、虚拟现实等为代表的信息技术与教育教学的融合”[1]。

目前，国内外针对虚拟仿真技术在教育教学方面的应用已经做了一定的研究。Gledson[2]等人基于BIM建立了虚拟仿真项目，提高了学生对建筑技术课程的自主学习能力；李建海[3]等人将基于Simulink仿真实验应用到电机实验教学中，弥补了传统实验方法的不足，使学生能够更深入的理解和掌握理论知识，提高了教学质量；郭静[4]等人将虚拟仿真技术引入基础医学教学中，构建了以虚拟与实训有机结合为特征的完整基础医学实验教学体系。

铰孔作为孔加工方法的重点授课内容之一，其具有实践性强的特点，实践环节在培养学生如何正确使用铰刀方面起着重要的作用。但由于受传统教学模式的限制，授课过程中存在一些问题：（1）目前的授课方式往往是照搬教材案例进行“填鸭式”面授，很少结合实践环节的案例引导学生；（2）讲解铰刀结构、角度等较抽象的内容时，学生的理解和掌握存在一定困难；（3）受教具或模型数量的限制，学生的参与度有限，体验性较差。虚拟仿真技术的应用将为传统教学模式的改革提供新方法和新思路，通过虚拟仿真技术开发新型交互式课件，借助虚拟操作提高铰孔教学的实践性和交互性，同时提升学生的参与度[5]，帮助学生将理论知识充分运用到实际操作中，更好的掌握理论知识和专业技能。

2 铰孔虚拟仿真教学平台开发

本文结合机械制造技术基础知识，应用UG、Unity3D以及Visual Studio等软件，开发了铰孔辅助教学系统，生动形象的展现了铰刀种类、铰刀结构参数和几何参数、铰刀应用等一系列铰孔相关知识。

2.1 课程分析以及软件设计要点

根据“孔加工方法”章节的教学目标，学生需要学习的知识点包括：（1）铰刀的分类；（2）铰刀的结构组成以及几何角度的测量；（3）铰孔的应用。

由于每种铰刀的结构组成不同，需要建立多个刀具模型，并结合辅助文本、视角缩放等功能进行知识点的讲解；为了直观的展现刀具模型，程序要能够实现铰刀的自由旋转、缩放等功能，方便教师讲解，学生观察；铰孔作为孔的精加工方法之一，其实践模块的设计需结合整个钻孔过程。铰孔辅助教学系统的理论支撑以及设计流程如图1所示。

图1 系统框架以及软件设计流程Fig.1 System framework and software design process

2.2 系统开发流程

铰孔辅助教学系统具体开发流程如下：（1）选取课本中具有代表性的铰刀，对其进行测绘，使用UG建模软件构造刀具模型以及刀具收纳盒、工具车、气缸盖等教学辅助模型；（2）将UG构造的几何模型导入到3Ds Max中进行模型装配并导出至Unity3D软件中；（3）在Visual Studio中编写跳跃场景、切换相机以及移动、旋转铰刀等脚本，然后根据机械制造技术基础教学要求，设置键盘按键和UI界面中的虚拟按钮来实现对Unity3D中的几何模型、场景相机以及助学文本的控制；（4）结合相应素材完善教学模块，检查无误后将软件打包导出。

3 铰孔虚拟仿真实验教学内容

3.1 软件界面

双击铰孔辅助教学系统图标即可打开软件主界面，如图2所示；点击“开始”按钮进入知识学习模块，该模块囊括了铰刀分类、铰刀结构参数和铰刀几何参数等基础知识点，如图3所示为知识模块的初始界面；界面右侧设置有一列功能栏，通过点击“应用1”或“应用2”按钮即可进入相应的实践模块，进行铰孔操作，巩固理论知识，如图4、图5所示。知识和实践模块初始界面左上角均设置有“返回”与“说明”两个按钮，可用于界面的转换以及操作方法的解读。此外，还可以通过键盘按键切换相机视角，以便于观察和学习铰刀结构、铰孔过程等内容。

图2 软件主界面Fig.2 The main interface of the software

图3 知识模块初始界面Fig.3 Knowledge module initial interface

图4 实践模块1初始界面Fig.4 Initial interface of practice module 1

图5 实践模块2初始界面Fig.5 Initial interface of practice module 2

3.2 知识模块

基于《机械制造技术基础》教材中的铰孔知识体系，知识模块依次对铰刀的种类、结构参数和几何参数进行了详细的论述。在初始界面中，刀具名牌按铰刀的分类情况布置于工具车上，学生可以根据名牌的摆放位置了解铰刀的大类以及细分，相比于文字叙述，学生对铰刀分类能有更加直观的认识。点击右侧功能栏中与名牌名称一致的按钮，对应铰刀便会从刀具收纳盒中移动至相应名牌后方，可供学生观察，如图6所示，这个过程将抽象的名词实体化，有助于加深学生对不同铰刀的认识。此外，为了增强课件的交互性以及帮助学生进一步观察和理解每种铰刀，教学软件还设置了拖动鼠标旋转铰刀、控制键盘按键切换铰刀等功能。按下键盘“Q”键，相机会切换到整体式铰刀的正前方，学生可以近距离观察铰刀的结构特点，同时，UI界面还设置有助学文本帮助学生理解界面内容，如图7所示；同样，按“W”键，显示可调式铰刀；按“E”键，显示带柄式铰刀；按“R”键，显示成套式铰刀；按“T”键，显示锥度手用铰刀；按“Y”键，显示锥度机用铰刀；按“U”键，回到初始界面。

图6 铰刀种类Fig.6 Types of reamers

图7 整体式铰刀Fig.7 Integral reamers

为了帮助学生认识和理解不同铰刀的结构组成以及切削部分的刀具角度，在每类铰刀对应的UI界面中均设置有结构参数和几何参数两个子模块。由于涉及的铰刀种类较多，下面以整体式铰刀为例对结构参数和几何参数两个模块进行展开论述。点击整体式铰刀UI界面中的“结构参数”按钮，进入结构参数学习模块，分别点击界面左下方功能栏中的六个结构按钮，可以依次显示出整体式铰刀的六个组成部分，如图8所示。

图8 整体式铰刀的结构参数Fig.8 Structural parameters of the integral reamer

相比于铰刀的各个组成部分，刀具的几何角度更为抽象，需要借助参考平面来表现出各切削部分间的投影关系，因此，在软件界面中添加了定义刀具角度所需要的参考平面，并提供了相应的文本说明，有助于学生理解刀具角度。点击整体式铰刀UI界面中的“几何参数”按钮，进入几何参数学习模块，通过界面左下方功能栏中的四个角度按钮，可以分别显示出四个刀具角度，如图9所示。

图9 整体式铰刀的几何参数Fig. 9 Geometric parameters of integral reamer

3.3 实践模块

实践模块的建立有助于理论学习和实践学习的同步进行，充分发挥理论指导实践和实践巩固理论相结合的工程能力培养方式[6]。在知识模块初始界面中按下“应用1”按钮，进入铰盲孔和通孔界面，分别点击该界面右上角的“铰盲孔”和“铰通孔”按钮，铰刀便会移动至相应工件上方，进行铰孔操作，如图10所示，单击“复位”按钮，界面恢复初始状态。为了提高课件操作的交互性以及表现的生动性，学生可以按住“空格”键控制铰刀的旋转。此外，通过键盘按键切换相机位置，能够实现近距离观察铰孔过程，以帮助学生更加直观的感受和理解铰孔过程以及铰盲孔和铰通孔之间的区别。

图10 铰孔操作Fig.10 Reaming operation

点击知识模块初始界面中的“应用2”按钮，进入气缸盖孔加工界面，按顺序依次点击该界面上方的“定心”“钻孔”“扩孔”“铰孔”按钮，可分别控制定心钻、麻花钻、扩孔钻、铰刀对气缸盖进行孔加工，如图11所示，单击“复位”按钮，各刀具回到刀具收纳盒，界面恢复初始状态。与应用1模块类似，学生可以通过按住键盘“A”键、“S”键、“D”键、“F”键来分别控制各刀具在孔加工过程中的旋转。另外，学生还可以通过按键切换相机位置，实现不同视角观察气缸盖孔加工过程，有助于更加直观的认识常见的孔加工过程以及铰刀在孔加工过程中的应用。

图11 气缸盖孔加工操作Fig. 11 Cylinder head hole machining operations

4 结语

虚拟仿真技术在铰孔教学中的应用，是对传统教学模式的补充和扩展。本文开发的铰孔辅助教学系统，包括知识模块和实践模块两部分，可以学习铰刀种类、铰刀结构、刀具参数以及铰孔的操作过程。通过学生与虚拟模型的交互操作以及辅助文本对教学内容的解读，弥补了伦理与实践环节无法有效结合、教学内容抽象、学生参与度不足等问题，使学生由被动接受变为主动参与，提高了学习兴趣和效果。