VR/AR技术在高职机械制图教学中的应用研究

摘要：随着高等职业院校生源变化和教学改革发展，传统方式的机械制图类课程教学已经不能满足要求。采用VR/AR的混合增强教学模式可以有效提升学生的学习效果。本文阐述了VR/AR在机械制图教学领域的应用现状，设计并进行了VR/AR在高职机械制图应用的相关实验。实验结果表明，通过VR/AR技术有效增强了学生的学习效果，显著提升了成绩。

关键词：高职；机械制图教学；VR；AR

1. 研究背景

高职院校中的机械制图课程是机电类专业最为重要的专业基础课程之一。我们在教学实践工作中发现，目前部分学生在机械制图系列课程的学习过程中存在一定困难，具体情况如下：课程涉及大量的国家标准等记忆性内容，且传统的授课形式较为枯燥；机械制图课程是大多数机电类专业的第一门专业基础课，且学习该课程的思维方式与其他课程区别较大，学生由于缺乏相关学习和实操经历，感觉课程上手难；参加课程的学生生源十分多样，包括中职竞赛获奖生、中职毕业生、普通高考文/理科生、高职扩招的下岗职工和退伍军人、现代学徒制生等，学习基础和能力等背景差异较大。MR（merged reality，即集成虚拟现实VR和增强现实AR的混合现实技术）作为一种高存在感、高交互性和高自主性的教学技术，可以提升学习者学习兴趣、学习效率和空间能力。因此如何将VR/AR技术应用在机械制图的教学领域，并结合新时代课程改革和职业教育发展的趋势，全面提高机械制图课程的教学水平，是本文研究的主要内容。

2. MR技术在机械制图教学领域的应用与研究

近年来，国外的工程制图教育研究多围绕制图软件展开，如AutoCAD在建筑制图、电子制图，和机械制图（教学中的应用，探讨软件与纸笔教学的差异与融合、软件教学策略）等内容，其研究对象主要是高等教育阶段学生，尤其专门关注高职学生。采用计算机网络教学通过基于网页的三维模型来进行第三角画法的教学，学生的学习效果和成绩有较大幅度的提高[1]。同国外相比，国内针对高职机械制图教学的研究更为丰富，在中国知网上可检索到的论文有数百篇，显示了该领域研究的重要性和特殊性。利用MR技术提升学生的学习兴趣、空间能力以及学习效果，是目前国内外教育技术研究中颇具潜力的前沿方向之一。

2016年8月，英特尔公司首次提出了MR技术，呈现了兼具真实性和互动性的可视化环境。该技术利用空间扫描定位功能，将真实环境与虚拟环境构成一个三维空间，感知和跟踪真实环境、用户动作与方位，实时呈现符合用户感官系统的画面，弥補了VR与真实世界的隔绝感和AR应用范围局限的缺点。

在教育领域，MR与VR、AR的最大区别在于学生不仅能看到具有高度真实感的可视化环境，还能采用语音、手势、触摸等方式与MR环境中的事物进行交互[2]。这种深度感官体验极大提升了学生的沉浸感和代入感，有助于增强其空间能力，辅助其掌握抽象的空间概念，因而逐渐应用于医学、建筑等教学中。

目前关于MR技术在职业教育领域的应用主要围绕两个方向发展：一是MR教学环境，这主要由行业公司（如国外的微软和国内的影创科技等）制作的软硬件和各学校建设的MR智慧教室共同实现。建立了机械制图课程自主学习中心，就是融合机械制图、画法几何基础、国家标准、零件图、装配图、建筑制图、3D打印等于一体的网络教学平台，其中少量融入了VR/AR技术，但仍然以CAD及PPT等传统教学为主[3]。二是MR课件资源及教学应用方案。这主要由教师根据具体教学内容在现有VR/AR教学研究和实践基础上开展，这部分内容正是本课题的研究核心。例如，针对高职机械制图教学，开发了国内领先的机械制图VR虚拟装配平台，通过AutoCAD拆画、Solidworks三维建模、3DMax转化VPR文件等形式，让学生在全息台桌面式3D教学环境中实现基于装配图的操作和互动。

利用手机为基础的AR交互教学系统的设计，主要是通过手机拍摄预置的工程图就可以得到三维立体图形和扫描相应的一个视图，即可自动获得三视图，实现了双向的AR互动模式，并可利用手机、平板等移动端开展AR模式的机械制图教学活动，学生的学习成绩提高了三分左右，并且有效减轻了教师的教学压力[4]。

而如何在此类教研成果的基础上，设计开发适应新近建设的MR全息教室的课件资源和教学应用方案，是目前推进MR教学研究进程中亟待解决的问题。3D打印辅助加上三维VR技术，引入受力分析的内容。通过问卷调查，学生的学习兴趣、空间想象力和学习成绩都有显著的提高[5]。通过多媒体动画技术，提升了机械制图课程的教学效果和应用能力，学生的学习感受较好，并进行了一定程度的推广[6]。建立全链条式的机械制图VR/AR技术教学模式，并结合人工智能领域的应用，是未来的发展方向。

通过和职业院校学生对比，研究发现高职院校的学生运用VR/AR技术还存在一些独特的优势：一是如前所述，高职院校的学生来源和基础水平有所不同，而VR/AR技术恰恰为分层次教学提供了一个良好的手段。比如有一些基础很好的竞赛获奖的学生，VR/AR技术可以作为高难度机械制图图纸和相应结构的很好的辅助。而作为普通中职学生，VR/AR技术帮助他们在中职学习的基础上进一步提高，尤其是相对复杂形体的学习和装配台的拆装过程，通过VR可以得到非常直观的展示。普通高中的毕业生，基本上都没有机械制图学习的相关基础，而VR/AR技术可以帮助他们从零学起。对于简单的三视图，尤其是剖视图和断面图部分，VR/AR技术可有效帮助学生克服最初学习机械制图的困难，迅速掌握基本形体的制图方法。

二是对于高职学生来说，大多数学生的理论水平虽然和普通本科生有一定的差距，但是动手实践能力较强。VR/AR技术不仅帮助学生提升学习效果，而且提升了学生的学习兴趣。大多数学生对动手做的活动十分感兴趣，部分优秀学生甚至可以帮助教师设计制作VR/AR的模型。

三是技术应用具有延续性。对于机械制图零件图、装配图部分的VR/AR模型，可以继续运用在机械设计、机械零件、机械工艺等相关后续课程中。学生在学习相应的后续课程时会有一种熟悉的感觉。相应的模型甚至可以作为学生毕业设计的课题，对学生进行综合的训练。

3. MR技术在机械制图相关课程的应用

为了适应高等职业教育的发展，深圳职业技术学院机械制图教学团队将AR、VR、三维制图软件、二维制图软件、动画、网络平台及实体模型结合在一起，全方位运用在机械制图、建筑制图、AUTOCAD机械、AUTOCAD建筑、中望CAD、Inventor机械、Solidworks等课程的教学活动中，并且通过对比实验，充分研究VR/AR等相关技术在机械制图类课程的教学效果及学生的反馈，以便持续进行课程改革，提升教学效能。

3.1 实体教学模型的应用

虽然数字化教学方式已经得到了广泛的应用，但实体教学模型仍然是机械制图教学领域不可或缺的重要手段，学生通过观察实体模型，很容易对三视图有深入的理解，而且我们采用了组合模型，可以将复杂的组合体进行拆卸，便于学生加深对复杂形体的理解和组合叠加法的应用。此外，对于装配体，例如减速器和发动机等，通过拆卸实体模型可以增加学生对零部件和装配体整体的认识，对机械制图的学习产生进一步的兴趣。

3.2 课程PPT的应用

PPT是最为常用的数字化教学手段。虽然是常规的教学手段，但是可以通过改进内容和形式进一步提升教学效能。比如加入仿真动画、视频、网页链接等，加入VR/AR的相应内容，提升教学信度效度。

3.3 课程动画的应用

动画也是一种常用的教学手段。加入游戏化的元素，与专业知识相结合，可以提升教学的质量。

3.4 Solidworks等三维软件的应用

利用三维软件可以实现360°无死角的观察，使得各类复杂形体更容易学习掌握。通过软件可以快速生成三视图、斜视图、剖视图等二维平面工程图，很方便学生学习。另外，可以分步骤完成形体的叠加和切割过程，同步观察三视图的变化，还可以将拆装过程制作成动画，从而实现虚拟现实的基础。

3.5 AUTOCAD等二维软件的应用

利用AUTOCAD、中望CAD等二维软件可以实现展示三视图的快速绘制过程，进行快速现场演示，并可以教会学生利用CAD绘制标准的工程图，从而提升绘图能力。

3.6 VR模型的应用

在制图课程中常用的VR模型有两种。一种是利用VR眼镜等特殊设备进行观察，主要适用于装配体的学习，但受制于设备的局限性；另一种是利用手机软件实现VR三维立體观察，设备简单，操作容易，可以变换视角，方便学生进行全方位的学习。VR模型还可以运用在平板电脑上，编辑方式可在电脑和手机上实现自由转换。

3.7 AR模型的应用

采用扫描或者拍照的方式，将机械制图教材的部分形体和装配体设计成AR模型，并且可以利用手动实现装配功能，而且能生成对应的三维视图，方便学生在对教材进行自学时更加深入地掌握立体构型的相关知识。

4. MR技术在机械制图相关课程的具体实施方法

综合上述七种方式，我们采用了理论与实际相结合、技术与实操相结合，由易到难来设计机械制图的教学方法。具体的模式是：

（1）对于总体的教学模式，将传统的纸笔绘图升级为纸笔+计算机绘图相结合的方式，通过“VR+AR”的混合现实增强技术（MR）来提升教学效果，实现多维度多模式立体化教学。

（2）对于基础知识方法，充分利用题库和游戏化教育教学平台，辅助以视频和VR技术，使学生克服这部分知识较为困难的局限性，打好制图的基础知识。

（3）对于三视图和二补三的学习，是整个教学的重点和难点，充分利用课堂PPT和模型，二维软件与三维软件相结合作为课上主要的模型解题手段，VR/AR模型作为主要的课前课后自学手段，动画及视频作为补充学习手段。

（4）对于机械表达方法的学习，主要是在剖视图和断面图的学习中，利用课堂PPT和可切断剖开模型的展示，重点利用三维软件来剖开形体内部显示剖视图的真实表达方法，VR/AR进行辅助展示。

（5）对于零件图的学习，主要是利用PPT的基本知识讲解和实物展示，然后利用VR和AR展示零件的形状、尺寸和结构等，VR/AR进行辅助展示。

（6）对于装配图的学习，要是利用PPT的基本知识讲解和实物展示，然后重点利用三维软件生成二维装配图和零件图，以及利用三维软件及动画来展示各个零件的拆装过程，VR/AR也能起到类似的效果，并方便学生课后自习。

5. 教学实验设计方案

选择XX职业技术学院机电学院机械专业高职专科三年制的学生进行实验。这三个班的入学成绩、学生来源、班级人数、性别比例和机械制图相关专业的基础基本相同。一班是对照组，所有学生只采用传统的PPT和实体模型进行教学；二班是初步实验组加入了二维CAD和三维Solidworks软件的教学内容辅助学习；三班是高级实验组，除了传统的PPT和实体模型进行教学及二维三维软件进行教学的环节以外，加入了VR/AR教学内容进行辅助学习，并加入适当的动画内容。通过一段时间学习，二班学生完成二维三维软件学习效果的相关问答，三班学生完成二维三维软件学习效果及VR/AR辅助学习的相关问答。此外，对学习效果和成绩进行评价。

6. 实验结果

经过两个月的教学，对于二班学生和三班学生做相应的问答。对于课程PPT和动画等相对比较传统的教学模式，只有11%的二班学生和9%的三班学生认为对自己的机械制图学习有所提升，而超过80%的二班和三班学生都认为没有任何的提升。对于Solidworks三维软件教学模式，只有22%的二班学生和18%的三班学生认为对自己的机械制图学习有所提升，而70%的二班和70%的三班学生都认为没有任何的提升。对于CAD二维软件教学模式，只有25%的二班学生和28%的三班学生认为对自己的机械制图学习有所提升，而68%的二班和65%的三班学生都认为没有任何的提升。

而对于采用VR/AR教学技术的三班学生来说，其学习感受就好得多。对于VR模型教学模式，有87%的三班学生认为对自己的机械制图学习有所提升，而只有5%的三班学生认为没有任何的提升。对于AR模型教学模式，有92%的三班学生认为对自己的机械制图学习有所提升，而只有3%的三班学生认为没有任何的提升。

总体来讲，对于信息化的教学手段，有30%的二班学生和95%的三班学生认为对自己的机械制图学习有所提升，而50%的二班和3%的三班学生认为没有任何的提升。至于主观感受，二班学生普遍感觉CAD和Solidworks的学习效果对空间的认知和工程图的识图有一定程度的帮助，但作用并不明显。而对于三班学生，VR/AR教学技术对于模型空间认识、二维图的绘制、装配体的拆画都有很大的帮助。成绩对比，相比较一班的机械制图课程成绩，二班的期中测试平均分提高了0.85分，三班提高了1.27分；而期末成绩二班平均分提高了1.53分，三班提高了2.35分，均有较大程度的提高。

结语

通过对比实验结果，证明了VR/AR技术在高职机械制图中，不仅是教学效果，而且对于学习成绩的提高有很大的帮助作用。下一步要结合人工智能技术，进一步提升VR/AR技术的学习效果。对于今后VR/AR技术在高职机械制图的应用前景，有以下三个方面的应用：一是VR/AR技术与人工智能技术相结合，从而扩大VR/AR技术的应用范围和改进效果；二是VR/AR技术结合其他现实技术形成MR技术，使得学生的学习效果更为充分，学习兴趣得到进一步提高；三是更加注重与传统纸笔制图的结合与分工，使学生充分掌握各種制图技术。

参考文献：

[1]胡宜鸣，孟淑华，王丹虹.机械制图课程内容、体系改革的研究与实践[J].工程图学学报，2003，（1）：123-127.

[2]李云平. AR增强现实技术在工程制图与CAD课程中的应用研究[J].信息与电脑， 2020， 32（16）：3.

[3]白银.基于AR的高职机械制图课程信息化教学体系改革[J].宿州教育学院学报，2019，22（4）：100-102.

[4]刘鑫.AR增强现实技术在机械制图教学中的应用研究[J].科技创新导报，2018，15（17）：208，210.

[5]高云鹏，冀万文，张鹏等.VR技术在《机械制图》教学中创新思路的研究[J].冶金管理，2020，401（15）：165-166.

[6]叶志敏.基于VR技术在机械制图教学中的应用研究[J].天工，2019，（2）：129.

作者简介：王萌，博士，讲师，研究方向：机械制图。

课题项目：深圳市教育科学2021年度规划课题（编号：ybzz21016）。