楊振宇 趙國勇 李玉勝 李志永 趙慶志

摘要：針對傳統(tǒng)工藝夾具拆裝認(rèn)知實驗的多樣性、局限性和安全性問題，通過IdeaVR虛擬現(xiàn)實軟件設(shè)計了工藝夾具VR拆裝系統(tǒng)。教學(xué)實踐表明，工藝夾具VR認(rèn)知實驗系統(tǒng)不僅可以克服傳統(tǒng)工藝夾具拆裝實驗的現(xiàn)存問題，而且可以擴(kuò)大學(xué)生工藝夾具的知識面，促進(jìn)學(xué)生對新技術(shù)的認(rèn)同感，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生的創(chuàng)新能力，教學(xué)達(dá)成度良好。

關(guān)鍵詞：工藝夾具;VR;認(rèn)知實驗

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）36-0273-02

隨著世界科學(xué)技術(shù)的不斷更新發(fā)展，新媒體技術(shù)在教育教學(xué)過程中的應(yīng)用越來越廣泛。工藝夾具是工科課程機(jī)械制造工藝學(xué)、金屬切削機(jī)床概論和機(jī)制制造技術(shù)基礎(chǔ)等課程的重要知識點(diǎn)，工藝夾具的認(rèn)知效果對課程其他知識點(diǎn)的掌握存在較大影響。由于工藝夾具種類繁多，想讓學(xué)生認(rèn)知盡可能多的工藝夾具結(jié)構(gòu)，往往需要很多的實驗室空間，利用新技術(shù)改革傳統(tǒng)教學(xué)方式已成為必然趨勢。因此，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）可以讓學(xué)生通過使用VR眼鏡、頭盔、數(shù)據(jù)手套和鼠標(biāo)等傳感設(shè)備，進(jìn)行實時交互，感知和操作虛擬環(huán)境中的各種對象，身臨其境地進(jìn)行相關(guān)操作，充分調(diào)動學(xué)習(xí)積極性。

一、課程中工藝夾具認(rèn)知的現(xiàn)狀

工藝夾具的課程內(nèi)容是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、車輛工程、農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程專業(yè)相關(guān)課程必不可少的知識點(diǎn)，也是學(xué)生走上工作崗位必然會接觸的一種裝置，其重要性不言而喻。當(dāng)前，大多數(shù)課程對工藝夾具內(nèi)容的認(rèn)知，主要通過以下方式進(jìn)行：三維模型爆炸圖展示、實物拆裝視頻展示、實物現(xiàn)場展示。以上教學(xué)方法存在以下問題：占用場地大;只能統(tǒng)一展示，學(xué)生無法動手實驗;存在一定的安全隱患。以至于課程開設(shè)這類實驗時很慎重，從而影響學(xué)生對這部分知識的認(rèn)知，教學(xué)效果受到較大影響，需要改進(jìn)。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，VR技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域得到不斷應(yīng)用。工藝夾具種類多，形式繁雜，特別適合采用VR技術(shù)讓學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知實驗，這樣既可以在節(jié)省實驗空間的情況下讓學(xué)生掌握更多的知識，也可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

二、工藝夾具VR認(rèn)知實驗設(shè)計

針對現(xiàn)有工藝夾具認(rèn)知實驗過程中存在的問題與困難，結(jié)合上海曼恒IdeaVR系統(tǒng)對工藝夾具虛擬現(xiàn)實認(rèn)知實驗進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容包括：實驗大樓場景設(shè)計、工藝夾具拆裝認(rèn)知實驗室設(shè)計和快捷操作系統(tǒng)設(shè)計。

（一）實驗大樓場景設(shè)計

為了讓實驗更貼近人的直覺感官效果，學(xué)生進(jìn)入實驗的首幅界面如圖1（a）所示，圖中有實驗大樓、LO-GO標(biāo)志、樹木、草地和水池。俯瞰實驗大樓，其建筑結(jié)構(gòu)采用“工”字形結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)工學(xué)特點(diǎn)。實驗大樓正面鑲嵌學(xué)院名稱和樓號，內(nèi)部有四層，每層設(shè)有20間實驗室。每間實驗室用來完成某一工藝夾具的拆裝認(rèn)知實驗。

（二）工藝夾具拆裝認(rèn)知實驗室設(shè)計

為了能夠?qū)R實驗室場景與現(xiàn)實場景貼近，讓學(xué)生在完成一次實驗的過程既可以進(jìn)行夾具結(jié)構(gòu)認(rèn)知，又可以對學(xué)生的這次實驗提供評價。如圖1（b）所示，將實驗室內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計為以下部分組成：工藝夾具拆裝工位部分，主要采用長條桌作為拆裝工作平臺，平臺上放置各種拆裝工具和被拆裝工藝夾具，在該拆裝工位的可見區(qū)域內(nèi)，有一個“拆裝動畫”按鈕，在工藝夾具拆裝之前點(diǎn)擊該按鈕查看夾具的拆裝動畫;工藝夾具結(jié)構(gòu)PPT展示部分，在實驗室的前方墻面上，學(xué)生通過操作手柄按鍵實現(xiàn)PPT的翻頁，瀏覽該工藝夾具的相關(guān)理論知識;工藝夾具知識點(diǎn)考核部分，也在實驗室的前方墻面上，學(xué)生完成工藝夾具拆裝后，需要在此處完成答題，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生答題情況自動判分;工具箱在實驗室墻角一側(cè)，用來存放各類工具;工藝夾具拆裝認(rèn)知操作流程和注意事項部分放置在實驗室的后墻上，由三塊公告牌組成，展示工藝夾具拆裝實驗的注意事項、實驗室規(guī)程和操作流程說明，既有利于讓實驗室環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境一致，也有利于學(xué)生掌握虛擬拆裝實驗的操作流程。

（三）快捷操作功能設(shè)計

由于工藝夾具虛擬拆裝整體環(huán)境設(shè)計占用空間很大，VR系統(tǒng)設(shè)計軟件在環(huán)境平移、旋轉(zhuǎn)和縮放過程中，不是很靈活。為了實驗時便于學(xué)生操作，通過視角編輯、動畫編輯器和交互編輯器，對每一個實驗室設(shè)計可以快速切換進(jìn)入實驗環(huán)境的快捷按鍵。

三、工藝夾具VR認(rèn)知實驗的應(yīng)用與成效

為了讓學(xué)生更好地認(rèn)知工藝夾具的結(jié)構(gòu)和功能，開發(fā)虛擬現(xiàn)實實驗設(shè)計。如圖2所示，在搭建的VR硬件系統(tǒng)中，將設(shè)計好的工藝夾具VR認(rèn)知實驗形成3D畫面。學(xué)生戴上3D眼鏡，手持遙控手柄，在3D場景中對工藝夾具進(jìn)行拆裝、翻轉(zhuǎn)、移動和復(fù)位操作。操作過程中，掌握工藝夾具各部件的名稱和功能、各零部件間的配合關(guān)系、傳動部件間的傳動關(guān)系和驅(qū)動方法。

通過工藝夾具VR認(rèn)知實驗實踐，獲得以下成效：（1）克服傳統(tǒng)工藝夾具拆裝實驗的局限性，擴(kuò)展工藝夾具拆裝實驗的內(nèi)容和種類，擴(kuò)大學(xué)生工藝夾具的知識面;（2）促進(jìn)學(xué)生對新技術(shù)的認(rèn)同感，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)的感性認(rèn)識，拓展機(jī)械設(shè)計創(chuàng)新能力;（3）學(xué)生實驗過程中的視覺和感覺效應(yīng)的交互操作，有利于提高其自主認(rèn)知的想象力，增強(qiáng)教學(xué)達(dá)成度和創(chuàng)新意識。

四、結(jié)語

針對當(dāng)前工藝夾具認(rèn)知實驗開展存在的問題，借助教學(xué)信息化研究與改革項目實踐，融入虛擬現(xiàn)實教學(xué)方法，本文提出

基

于ldeaVR的工藝夾具VR拆裝實驗室。在虛擬實驗融入課程后，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有了很大提高，增強(qiáng)了動手能力，將理論知識結(jié)合實踐，鍛煉綜合分析和設(shè)計能力。