VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)與《機械制圖》課程教學(xué)改革探討

摘要：傳統(tǒng)的中職《機械制圖》課程采用課堂說教式教學(xué),并配以多媒體技術(shù)進行講解,這種教學(xué)方法使得知識變得相對枯燥,難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過引入虛擬現(xiàn)實VR(VirtualReality)技術(shù),打破以往的教學(xué)環(huán)境,創(chuàng)造出虛擬的三維空間,使得學(xué)生自主地在虛擬空間內(nèi)交互式操作，學(xué)習(xí)《機械制圖》的相關(guān)知識，快速理解掌握機械制圖中的常用分析方法，提升制圖和識圖能力。關(guān)鍵詞：中職教育機械制圖虛擬現(xiàn)實技術(shù)前言：虛擬現(xiàn)實技術(shù)最早起源于20世紀(jì)50年代的美國，主要運用于航空航天發(fā)展領(lǐng)域。經(jīng)過近幾十年的不斷發(fā)展，技術(shù)也不斷更新，廣泛運用到國防軍工、信息產(chǎn)業(yè)、建筑、醫(yī)療、智能制造等行業(yè)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境，是一種以沉浸性、交互性和想象性為基本特征的，可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)。它綜合利用實時三維計算機圖形技術(shù)、廣角立體顯示技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和多傳感器技術(shù)等一系列先進技術(shù)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官功能，使用者戴上特殊的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備或利用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進行實時交互，可以及時地、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物，獲得對虛擬事物的感性和理性認(rèn)識，讓使用者如同身臨其境一般，從而深化概念和構(gòu)建新的構(gòu)思和創(chuàng)意，創(chuàng)建了一種以人為中心的多維信息空間?！稒C械制圖》課程教學(xué)改革探討一、傳統(tǒng)機械制圖課程內(nèi)容和教學(xué)方法、手段已不再適應(yīng)時代的發(fā)展進入21世紀(jì)后，隨著國外工業(yè)4.0發(fā)展推廣和2015年國務(wù)院印發(fā)的“中國制造2025”戰(zhàn)略行動綱領(lǐng)的提出和推進，大量先進技術(shù)不斷呈現(xiàn)：人工智能機器人、3D打印、無人機、虛擬現(xiàn)實VR、智能網(wǎng)絡(luò)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)蓬勃發(fā)展。知識和新技術(shù)爆炸時代的來臨，很多新的科學(xué)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，學(xué)科之間的滲透、交叉發(fā)展越來越明顯，社會對人才知識結(jié)構(gòu)的要求更加全面，不僅要懂專業(yè)技術(shù)，還要會融會貫通，對專業(yè)技術(shù)的要求也不是單一的、狹窄的，而是多學(xué)科的、寬廣的，因此增加新的課程內(nèi)容已是必然的趨勢。《機械制圖》課程學(xué)習(xí)為中職教育機電類專業(yè)課中各門技術(shù)基礎(chǔ)課之最，學(xué)生的學(xué)習(xí)時間是有限的，在教學(xué)方法和教學(xué)手段上進行改革，提升教學(xué)效果，為培養(yǎng)符合現(xiàn)代社會發(fā)展要求的新型人才創(chuàng)造更好的條件。中職教育對三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的潛在需求我國職業(yè)教育起步于上世紀(jì)80年代初，經(jīng)過30年來的規(guī)劃發(fā)展，職業(yè)教育規(guī)模不斷擴大，學(xué)科結(jié)構(gòu)也越來越合理。中等職業(yè)學(xué)校適應(yīng)市場人才需求，主要以培訓(xùn)技術(shù)型人才為主。在中職教育機械類專業(yè)教學(xué)中，《機械制圖》課程會涉及到空間認(rèn)知、結(jié)構(gòu)、繪圖的概念和運用，會接觸到各種機械零部件。中職學(xué)生這方面的要求明顯較高，但因大多數(shù)中職學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較差，對這類專業(yè)課較抽想的學(xué)習(xí)能力更顯不足。中職教育課程中《機械制圖》專業(yè)課的實踐性較強，其課程實質(zhì)運用是從二維平圖的“圖”來表達(dá)三維空間的“物”。如何幫助學(xué)生在“圖”與“物”很之間建立起橋梁，使他們在二維平面和三維空間來回轉(zhuǎn)換，是課程的教學(xué)重點和難點。就日前中職學(xué)校中傳統(tǒng)的課堂文本式教學(xué)時，教師很難模擬出真實的三維環(huán)境或真實的現(xiàn)場情況，不適合大量學(xué)生理解學(xué)習(xí)。所以三維虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)設(shè)能夠提供更加直觀的學(xué)習(xí)感觀體驗，幫助他們更好地理解課堂內(nèi)容，快速建立空間想象力和分析能力。虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用在《機械制圖》教學(xué)的優(yōu)勢突破時空限制。利用模擬的虛擬三維世界空間，學(xué)生可以不受任何約束，進行自主觀察，全方面移動轉(zhuǎn)換角度。改變以前《機械制圖》教學(xué)中，直觀性較差的點線面及相互位置關(guān)系的定位、定量投影作圖訓(xùn)練為主的教學(xué)模式，由于主體的直觀性較好，所以既大大降低了難度，又能緊密地與繪制和閱讀機械圖樣相聯(lián)系。提升學(xué)習(xí)主動性。虛擬的三維學(xué)習(xí)環(huán)境中，如結(jié)果相關(guān)配套平臺的視覺頭盔，肢體感知類工具的運用，可以在視聽體驗上給學(xué)生身臨其境的感覺，對學(xué)生探究性學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)有很好的促進作用。結(jié)合現(xiàn)在的計算機技術(shù)，不僅能提供自主學(xué)習(xí)環(huán)境，而且能激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。運用這種技術(shù)平臺，學(xué)生可以選擇適合自己的學(xué)習(xí)方式，在老師的引導(dǎo)下，做到快速理解，自我調(diào)控。節(jié)約成本。《機械制圖》教學(xué)中會涉及到各類機械零部件的教學(xué)內(nèi)容，由于場地、設(shè)備、經(jīng)費等硬件條件限制，很多教學(xué)模型不能面面俱到地展現(xiàn)。這時如運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)平臺教學(xué)，就可以讓學(xué)生不到現(xiàn)實工作場景中找實物做對比理解，就能獲得真實場景體會的效果，節(jié)省了教學(xué)時間和成本。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在《機械制圖》教學(xué)中的要素虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)平臺的運用，其提供的三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境由于其真實的存在感和良好的交互性，也需要關(guān)鍵的教學(xué)要素導(dǎo)入，來構(gòu)成虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的主體。按現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合《機械制圖》的教學(xué)特點，其主要的教學(xué)構(gòu)成要求至少包括如下幾個要素：教學(xué)數(shù)據(jù)庫。包含《機械制圖》課程中各類模型、圖片、動畫、音頻、視頻、教學(xué)文字等相關(guān)的一切信息。如果涉及到組合體等零部件模型演示，可以包括仿真模型、實物加工類模型等。虛擬VR學(xué)習(xí)平臺。以整個三維虛擬學(xué)習(xí)場景為空間構(gòu)建核心，把教學(xué)數(shù)據(jù)庫中的所有教學(xué)內(nèi)容整合到此VR學(xué)習(xí)平臺中。平臺還需要包括使用中的交互程序、后臺服務(wù)程序、處理程序等設(shè)置。教學(xué)界面。開發(fā)教師和學(xué)生的不同使用權(quán)限界面，所有學(xué)習(xí)人員均可以通過交互性界面在虛擬平臺上互動教學(xué)和交流。用戶界面還可以及時把反饋信息采集到后臺數(shù)據(jù)庫中，方便后期系統(tǒng)不斷優(yōu)化。虛擬現(xiàn)實技術(shù)與《機械制圖》教學(xué)實踐結(jié)合引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)在《機械制圖》教學(xué)中，強調(diào)的是教師和學(xué)生交互性的教學(xué)體驗，用戶的親身參與。例如在《機械制圖—組合體》的虛擬教學(xué)環(huán)境中，教師和學(xué)生配戴平臺配置的VR眼鏡，配合電腦鼠標(biāo)就可以進行教學(xué)對象三維模擬體的交互性旋轉(zhuǎn)、縮放、剖切等各種功能的操作。比如在《機械制圖—組合體》對教學(xué)模型進行拆分的交互操作可分兩步進行：先用鼠標(biāo)雙擊要拆分的模型個體，然后右擊功能菜單的指令進行拆分。學(xué)生可以通過移動或偏轉(zhuǎn)頭部運動，在VR眼鏡中觀察到組合體拆分后的各方位實體形狀和位置關(guān)系。在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，如可以設(shè)置組合體三視圖轉(zhuǎn)換的交互功能，點擊該功能按鈕后，可以觀察到模型從三維立體變成二維平面圖的動畫轉(zhuǎn)換過程，而不是像傳統(tǒng)教材中生硬地單一呈現(xiàn)出結(jié)果，這樣有利于促進學(xué)生空間思維能力的培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在《機械制圖》教學(xué)改革發(fā)展方向展望虛擬現(xiàn)實技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，系統(tǒng)平臺的相關(guān)軟件已從最初的Cult3D、VRML，發(fā)展到Vir-tools，JAVA3D、WebMax3D，VR-platform等等。其中WebMax3D，VR-platform的虛擬現(xiàn)實技術(shù)平臺的軟件，是由我國自主研發(fā)的國產(chǎn)軟件，一舉打破了國外軟件在此領(lǐng)域的壟斷地位。這些國產(chǎn)虛擬現(xiàn)實軟件技術(shù)平臺的開發(fā)引擎集成了很多功能，能夠?qū)⒐こ虉D樣和三維建模動畫導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎中，生成虛擬模型和場景，以實現(xiàn)交互運用，為《機械制圖》未來的數(shù)字化、智能化教學(xué)改革提供了有力的技術(shù)支撐。加之現(xiàn)在智能手機被廣泛運用，新一批手機識圖軟件孕育而生，如4DAGE平臺、AltizureApplication等手機虛擬平臺軟件，能輕松通過智能手機平臺拍照、掃描等功能，能把二維圖紙或平面圖片自動三維虛擬形體。加上未來5G手機高速移動端的通訊技術(shù)，可以方便地把手機現(xiàn)場采集的信息，實時上傳到職業(yè)教育課學(xué)上的虛擬現(xiàn)實平臺中，供師生學(xué)習(xí)探討，使《機械制圖》未來教學(xué)更加實戰(zhàn)化、實用化?？偨Y(jié)：探討用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來改革《機械制圖》課程的教學(xué)方式，給了我一個重要的啟示：進行教學(xué)改革離不開現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，要以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)作為教學(xué)改革的推動力和技術(shù)支撐，把現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)既作為新型教學(xué)方向，是進行教學(xué)改革的好方法。參考文獻：何明雄VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊2007虛擬現(xiàn)實研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢Http:///bencandy.php?aid=1001王志堅基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的現(xiàn)代教育探索常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報2007孫子嫻基于VRP的虛擬