VR技术在中职《机械制图》课程中的应用

【摘 要】本文基于中职机械类专业的必修专业基础课程《机械制图》存在的问题，提出利用虚拟现实（Virtual Reality）技术引入大量的3D模型，创造虚拟的三维空间，以有效解决学生空间想象能力弱、识图与绘图能力差的问题。

【关键词】虚拟现实技术 《机械制图》 中职学校 学习环境  实践能力

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2020）46-0103-03

VR技术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。VR技术充分利用人们的视觉、听觉和触觉等多种感官体验，为人们虚拟出一种三维空间，通过人机交互，让用户仿若身临其境。近年来，VR技术在多个领域得到广泛应用，同时也促进了中等职业教育的改革与发展。将VR技术与中职机械制图课程相结合，可以有效解决学生的空间想象能力薄弱、识图与绘图能力差等问题，对提高课堂教学效率具有一定的参考价值。

一、中职《机械制图》课程教学面临的难题

《机械制图》是一门研究机械图样识读与绘制方法的课程，是中职机械类专业的基础课程，也是从事机械行业专业技术工作必须掌握的一项职业技能。该课程通过投影理论的学习，注重发展学生的空间想象构形能力、空间几何想象能力和空间分析问题能力，培养学生的职业技能。然而，在中职学校《机械制图》教学中面临很多难题，比如实训示范成本昂贵、实训设备不足、实训造成大量耗材等。加之空间思维过程很难用语言精准地进行表达，对空间想象能力比较弱的学生而言，仅仅依靠教师的讲解、观看视频等手段，难以将平面图像完全地想象为三维立体形状，导致《机械制图》教学整体效果不佳。国家中长期教育改革与发展规划纲要（2010—2020年）中鼓励职业教育要充分借助现代化教学手段和信息化技术，对原有教育模式进行全面改革。因此，在《机械制图》教学中充分利用VR和AR技术，通过构建虚拟的教学模型和环境，将虚拟的影像叠加到现实世界，形成一个虚实结合的环境，不仅能打破空间的限制，超越学生现实的感官体验，为学生带来良好的交互性、构想性和沉浸感，而且可为学生提供更为生动、丰富的学习资料与模型，有利于促进机械制图教学模式的改革和学生的自主学习，能有效提高《机械制图》教学效果。

二、VR技术在中职《机械制图》课程中的应用策略

课堂教学的目的是以最为有效、富有趣味的教学方式向学生传授和迁移知识。《机械制图》课程本身具有抽象乏味、晦涩难懂等特点，利用VR技术，开发各种直观易用、立体交互的教学资源和实训平台，能够让学生沉浸在VR场景中，更为真实、直观地观察所有工件的实体。这样有利于突破教学重难点，强化学生的空间想象能力，而且通过线上+线下相结合的混合教学模式引导学生自主学习，促进学生学习兴趣和效果的提升。

（一）VR技术在《机械制图》教材资源开发中的应用

教材是课堂教学的重要载体，近年来随着VR和AR技术的广泛应用，新出版的相关教材中都增添了VR和AR资源。在当前学校难以全面更换教材的背景下，教师可以结合中职生特点及《机械制图》课程教学目标，多寻找一些带有VR和AR资源的教材，然后扫描为电子图纸上传到教学平台或进行打印，在课前预习阶段，将相应的图纸发送给学生，这样学生只需要便捷地用手机扫一扫，在手机屏幕上就能显现出二维图形相应的三维模型。学生还可以通过触摸手机屏幕，实现对三维图形的缩放、移动、旋转等操作，从而很好地解决平面二维纸只能表达一两个面的弊端，更加全面认识该模型。比如，在学习“外啮合齿轮泵结构”时，教师通过不同渠道将带有外啮合齿轮泵结构X虚拟仿真资源的电子图纸发送给学生，并指导学生下载相应的资源，学生经过课前预习对外啮合齿轮泵结构已有全面认识，到课堂教学时，理解起来自然容易得多。

利用《机械制图》虚拟仿真教学资源充分体现了三维可视化及互动学习的特点，将难以学习的知识点以虚拟仿真资源的形式进行介绍，从而达到“易学易懂”的目的。

（二）VR技术在《机械制图》中的应用

《机械制图》VR教学，将课本上的知识点设计在真实的情境中，通过问题情境促进学生构建知识体系，从而有效引导学生进行自主学习。VR技术在《机械制图》中的应用主要包括读组合体视图、剖视图表达、装配体识读等方面。

1.VR技术在读组合体视图中的应用。读组合体是机械制图课程学习中的重难点。在教学过程中，需要有效结合投影物的特点，通过对点、线、面及组合体各种关系深入分析，才能更好地帮助学生进行组合体的构型。通常来说，组合体的构成主要包括切割基本组合及基本几何体，传统的《机械制图》教学无法全面地向学生展示组合体的切割情况;而运用VR技术，可以开展对组合体的虚拟切割的体验教学，促使学生更深入地了解组合体的构型方式，为学生后续进行组合体形体分析奠定基础。

为有效培养学生读组合体视图能力，基于VR技术构建组合体虚拟教学辅助系统，利用此系统可以快速生成具体的组合体虚拟拆装应用，为学生提供虚拟环境下的交互拆装操作，学生可以使用鼠标、键盘、手柄、数据手套等交互工具，进行交互式的抓取、移动、拆装、组合等，实现组合体的拆装与组合，进而验证学生的拆装过程，并生成相應的作业指导书。学生通过自主操作、虚拟仿真，仿佛身临其境，不仅感受新奇、有趣、体验深刻，而且对组合体的组成结构了解更深。

2.VR技术在剖视图表达中的应用。剖视图可以清晰、全面地展现各个零部件的形状、结构及连接状况。若要绘制出零部件的槽孔，剖视图表达是最常用的绘图方式。在《机械制图》教学中，学生普遍反映绘图中最难的部分就是剖视图的表达。要想正确画出零部件的内部状况，需要学生对组合体完全理解。但在传统《机械制图》教学中，部分学生由于缺乏空间想象能力，仅仅依靠二维图形难以想象其各个角度及方位的视图情况。将VR技术运用在零件模型的建立中，有助于学生对剖视图画法有更加深入的了解，而且可以通过运用剖视图对零部件的各个角度及方位的三维视图情况进行详细观察，这样就能简单地将实物与零部件的内部状况结合起来进行绘图，大大降低了剖视图表达难度，有利于树立学生的绘图信心。

3D秀秀是一款基于WEB展示产品3D模型的软件，可以用于3D模型的拖拽、剖切、旋转、缩放、平移等操作，最为重要的是其支持CAD软件。为此，在剖视图的表达中，笔者结合3D秀秀软件的优势，利用CAD软件事先做好三维数字模型并上传，然后进行模型的编辑使其转化为可以进行剖切现实和交互浏览的web3D模型，学生可以在移动手机终端或PC浏览器上方便地浏览3D模型，并能任意地切割该模型，这样就能观看到完整的截断面情况，这对于理解立体构型并正确地进行剖视图表达具有十分重要的作用。

比如，在绘制支架组合体视图时，首先在CAD软件中建立支架组合体的三维模型，然后将其上传到3D秀秀平台，接下来进行模型自转、爆炸、背景音乐、调节灯光、纹理、阴影等高级模型编辑工作。在完成编辑与模型预览设置后生成Web3D文件，然后以网页的链接形式发送给学生，学生在不同的终端上就能对组合体在不同的方向、不同的位置进行切割，极大地促进学生对支架组合体的认知与理解。

3.VR技术在装配体识读中的应用。在传统的《机械制图》教学中，学生未能真正深入了解与掌握各种零件的结构、形状及相应的装配原因、关系等。由于很多中职院校都存在机械结构认知模型数量不足、真实产品模型损坏率非常高的状况，学生很少有拆装这类装配体的机会，从而导致对装配体的识读比较困难。近年来，随着互联网技术、计算机技术及图像技术的快速发展，运用VR技术能构建虚拟产品的三维模型，这为《机械制图》教学中开展虚拟结构认知实验提供了很好的条件。运用零部件三维模型，能让学生对各个零部件的真实形象具有正确的认知，了解各个零件的连接状态及传输动力，便于学生对装配体中的各类零部件进行分析。比如，在学习“齿轮减速器”时，在互联网共享的三维互动虚拟实验室中，学生只需要简单操作键盘与鼠标就能对齿轮减速器的模型进行反复地拆装，而且系统中为学生设置了模型拆装演示动画、（下转第139页）（上接第104页）鼠标点击拆装及鼠标拖拽拆装等学习内容。VR技术在装配体识读中的应用，让学生通过自主学习，掌握齿轮减速器的拆装要领，不仅有利于强化学生对齿轮减速器中各个零部件的识读能力，而且更有利于培养学生的动手能力及工程操作意识。

VR技术在复杂装配体识读中的应用具有无可比拟的优势，不仅能让每一名学生都亲身体验操作装配的过程，使其更好地理解装配图的绘制过程，而且打破了时空限制，突破了传统教学不能用实际产品进行亲身体验的弊端，有力地推动了教学模式的改革，丰富了教学资源，促进了学习效率的提升。

基于VR技术的中职《机械制图》课程教学，突破了传统模式的瓶颈，让学生在VR技术创造的模拟三维空间内自由地進行训练与操作，自主性、交互性和感知性更强，有效地提高学生的识图能力、空间想象能力、绘图能力及创新能力，推动了机械专业课程的改革与创新。因此，教师应结合中职生特点，积极探索适合学生特点和能力发展的《机械制图》VR课程教学模式，以真实的情境、丰富的资源、切身的体会，强化学生对机械零部件的理解与操作，提高学生的动手实践能力。

【参考文献】

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[3]阎汉生，王清辉，刘子桦，等.VR和AR技术在机械制图课程中的应用研究[J].科技视界，2019（21）.

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【作者简介】韩立云（1979— ），江苏金湖人，教育硕士，讲师，研究方向为机电专业教学。

（责编 文 煜）