黃 崗，胡冬生，潘常春

（1.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311402；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 311402 ）

0 引言

信息技術(shù)的快速發(fā)展為人們生活、工作帶來(lái)了極大的便利。其中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）以其交互性、沉浸性和構(gòu)想性特征成為信息技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的新手段。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入到課程教學(xué)中，無(wú)疑為教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展提供了新環(huán)境，新資源和新工具，將極大促進(jìn)教學(xué)模式和教學(xué)組織形式的突破。

“機(jī)械制圖”課程是工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課[1]，學(xué)習(xí)過(guò)程中需要學(xué)生具備良好的空間想象能力，能夠?qū)臻g幾何體和空間位置關(guān)系進(jìn)行分析。由于一些學(xué)生缺乏空間想象能力，又因?yàn)闆](méi)有專(zhuān)業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)，接觸實(shí)際機(jī)械零件的機(jī)會(huì)少，面對(duì)教學(xué)中的機(jī)械零件的二維視圖時(shí)，很難想象出物體正確的模型輪廓，因而會(huì)感到課程學(xué)習(xí)枯燥、乏味，對(duì)課程學(xué)習(xí)缺乏興趣。為此，提高“機(jī)械制圖”課程教學(xué)效果，首先要幫助提高學(xué)生的空間想象力，再?gòu)母行哉J(rèn)知轉(zhuǎn)化為理性認(rèn)知。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)“機(jī)械制圖”課程的交互式教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制圖知識(shí)的可視化，將抽象的制圖知識(shí)具象化，方便學(xué)生觀察和認(rèn)知，進(jìn)而提高課程教學(xué)效果[2]。

1 教學(xué)資源需求分析

“機(jī)械制圖”課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生能夠理解機(jī)械零部件的投影原理及二維視圖的表達(dá)方法，能夠讀懂并繪制機(jī)械零件圖和裝配圖。課程的教學(xué)難點(diǎn)在于，機(jī)械制圖的知識(shí)點(diǎn)繁多且很多知識(shí)點(diǎn)是不能直接觀察到的理想要素和空間關(guān)系，可能會(huì)影響學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解[3]。因此，開(kāi)發(fā)的“機(jī)械制圖”的交互式教學(xué)資源需要將機(jī)械制圖中抽象的知識(shí)具象化、可視化，幫助學(xué)生理解概念、理清思路，從而提高課程教學(xué)的有效性。

再則，“機(jī)械制圖”課程目前的教學(xué)資源存在資源內(nèi)容形式單一；內(nèi)容上缺乏真實(shí)感和交互性；與實(shí)際教學(xué)需求存在較大差距等問(wèn)題[4]，亟需改造升級(jí)等問(wèn)題。利用教學(xué)信息化平臺(tái)優(yōu)化教學(xué)資源管理，方便現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)、自主學(xué)習(xí)等多種混合式教學(xué)形式的使用，提升教學(xué)效果?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互式教學(xué)資源，幫助探索新的課程教學(xué)形式，拓展線上教學(xué)資源，在教學(xué)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”的新模式。

2 教學(xué)資源系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)“機(jī)械制圖”課程的教學(xué)內(nèi)容和要求，同時(shí)結(jié)合專(zhuān)業(yè)課程體系建設(shè)需要，對(duì)該課程教學(xué)資源進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，教學(xué)載體選用典型機(jī)械零部件，通過(guò)典型機(jī)械設(shè)備案例貫穿，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)課程間的知識(shí)點(diǎn)銜接，著力提升基礎(chǔ)課程的通用性，方便學(xué)生建立知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)結(jié)。課程交互式教學(xué)資源整體打造成立體化資源，包括：圖片、文字、動(dòng)畫(huà)、視頻、模型資源、語(yǔ)音等。資源采用多角度、多形式內(nèi)容相互配合，方便知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，從而提升課程教學(xué)資源的互動(dòng)性和趣味性。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互式教學(xué)資源的核心是機(jī)械零部件模型創(chuàng)建與交互操作。機(jī)械零件模型數(shù)據(jù)采用擬實(shí)化處理，參照實(shí)物原尺寸建模，真實(shí)的觀感體驗(yàn)可讓資源使用變得舒適。在資源使用過(guò)程中，好的用戶(hù)體驗(yàn)?zāi)軌蛟鰪?qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)也讓用戶(hù)的關(guān)注集中于資源內(nèi)容。為提供友好的用戶(hù)體驗(yàn)，教學(xué)資源采用簡(jiǎn)單、直接的方式完成交互操作。教學(xué)資源簡(jiǎn)約化的交互操作能夠更好空間展示課程教學(xué)內(nèi)容，方便教師、學(xué)生使用。

此外，考慮到教學(xué)資源的使用方便性，教學(xué)資源的發(fā)布采用線上資源模式，無(wú)需用戶(hù)端額外安裝應(yīng)用程序，可直接通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)使用。同時(shí)，線上教學(xué)資源模式能夠方便資源后續(xù)的更新。

2.2 內(nèi)容規(guī)劃

根據(jù)“機(jī)械制圖”課程教學(xué)的重難點(diǎn)分析，對(duì)課程知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行分解、設(shè)計(jì)，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)基本形體視圖、組合體視圖、剖視圖、軸測(cè)圖、典型機(jī)械設(shè)備的零件圖和裝配圖的交互式教學(xué)資源，開(kāi)發(fā)的交互式教學(xué)資源中，典型機(jī)械設(shè)備可作為貫穿案例，鏈接相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的知識(shí)點(diǎn)，資源內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 “機(jī)械制圖”交互式教學(xué)資源總體設(shè)計(jì)

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“機(jī)械制圖”課程中的應(yīng)用，讓學(xué)生能夠直觀地感知幾何形體的外部輪廓、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，機(jī)械零件的工藝結(jié)構(gòu)，機(jī)械設(shè)備的裝配結(jié)構(gòu)等機(jī)械制圖知識(shí)。通過(guò)“虛實(shí)疊加”功能，將機(jī)械制圖中抽象的投影關(guān)系、空間關(guān)系與二維視圖相互疊加對(duì)照，進(jìn)一步提高學(xué)生的識(shí)圖、繪圖能力。立體化的交互式教學(xué)資源，也能豐富課程的教學(xué)形式，拓展課程的教學(xué)方法。

3 教學(xué)資源的技術(shù)路徑

“機(jī)械制圖”交互式教學(xué)資源開(kāi)發(fā)的技術(shù)路徑，選以組合體視圖中相貫線知識(shí)點(diǎn)的交互式教學(xué)資源開(kāi)發(fā)為例，講解說(shuō)明資源的實(shí)施過(guò)程及技術(shù)路徑。

3.1 模型創(chuàng)建及擬實(shí)化處理

在交互式教學(xué)資源中，選用NX 軟件對(duì)機(jī)械制圖的典型零件進(jìn)行模型創(chuàng)建，按照實(shí)物1頤1 建模。為實(shí)現(xiàn)模型真實(shí)感，使用3ds Max 軟件給零件模型貼上金屬質(zhì)感的材質(zhì)。如圖2 所示為模型處理的效果對(duì)比情況。通過(guò)擬實(shí)化處理，讓模型更接近真實(shí)的機(jī)械零件外觀，增強(qiáng)學(xué)生的資源使用體驗(yàn)感。

圖2 零件模型處理效果對(duì)比

完成擬實(shí)化處理后，模型導(dǎo)出為AR 編輯器可以支持的GLB 格式文件。GLB 是GLTF 模型的二進(jìn)制文件格式，信息內(nèi)含節(jié)點(diǎn)層級(jí)、幾何體、材質(zhì)、動(dòng)畫(huà)等信息。數(shù)據(jù)導(dǎo)出的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，為能順利導(dǎo)出GLB 格式文件，需要在3ds Max 軟件中安裝Babylon.js 插件。同時(shí)，模型導(dǎo)出需要注意的事：模型尺寸不超過(guò)0.5 m；模型在場(chǎng)景中居中顯示；模型坐標(biāo)位置歸零。

3.2 交互式資源實(shí)現(xiàn)

交互式教學(xué)資源開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用萬(wàn)維引擎AR 編輯器，編輯器是基于B/S 瀏覽服務(wù)器架構(gòu)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）開(kāi)發(fā)平臺(tái)，無(wú)需下載安裝即可運(yùn)行使用，支持Windows、IOS、Android 跨平臺(tái)；PC、平板、手機(jī)跨終端使用。

教學(xué)資源采用基于Opencv 圖像識(shí)別算法的圖片掃描觸發(fā)，通過(guò)對(duì)錨點(diǎn)圖像的特征分析和特征匹配，觸發(fā)對(duì)應(yīng)的教學(xué)資源內(nèi)容。為提高掃描觸發(fā)率，可添加錨點(diǎn)圖像的多角度圖片作為錨點(diǎn)圖片。立體化教學(xué)資源內(nèi)容形式包括了圖片、文字、視頻、模型、聲音、鏈接。通過(guò)AR 資源實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)的疊加，增強(qiáng)機(jī)械制圖知識(shí)點(diǎn)認(rèn)知，提升課程教學(xué)效果。

如圖3 所示，掃描錨點(diǎn)圖片就能觸發(fā)組合體視圖的交互式教學(xué)資源，資源內(nèi)容包括微課視頻、知識(shí)點(diǎn)文字介紹，零件模型、知識(shí)點(diǎn)的講解音頻、2D 零件圖。當(dāng)前界面顯示為零件模型觀察，可通過(guò)觸控屏幕實(shí)現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)和縮放。

圖3 組合體視圖的交互式教學(xué)資源

交互式教學(xué)資源的技術(shù)路徑，如圖4 所示。制作完成后通過(guò)網(wǎng)頁(yè)發(fā)布為線上資源，不需要安裝任何軟件即可瀏覽使用。

圖4 教學(xué)資源的技術(shù)路徑

4 應(yīng)用實(shí)例和效果

“機(jī)械制圖”課程的組合體視圖的教學(xué)中，形體分析求作視圖是教學(xué)中的重點(diǎn)，需要學(xué)生有較好的空間想象力。從構(gòu)成角度分析，組合體是由多個(gè)基本體疊加、切割形成，因此，視圖中用以表達(dá)組合體的圖形特點(diǎn)就是多線條的交叉和重疊而且還有表達(dá)不可見(jiàn)輪廓的虛線。其中，截交線和相貫線為幾何形體經(jīng)截切、相交產(chǎn)生的交線，視圖中的表達(dá)多為直線或曲線組成的封閉平面圖形。因此，視圖中截交線和相貫線的繪制是組合體視圖教學(xué)的難點(diǎn)之一，學(xué)生需要較長(zhǎng)時(shí)間思考才能想象出形體交線的準(zhǔn)確輪廓形狀。

立體經(jīng)平面截切產(chǎn)生的交線就是截交線，其中曲面立體的截交線多為曲線，是思考理解的難點(diǎn)。截交線作圖的關(guān)鍵就是找出若干共有點(diǎn)的投影，再將各點(diǎn)光滑連接起來(lái)。如圖5 所示，為機(jī)械制圖課程中截交線知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用案例，圖中的模型為圓錐與圓柱的組合體經(jīng)由平行于軸線的平面截切形成，截交線投影為非圓曲線和直線的組合平面圖形。截交線作圖步驟講解時(shí)，學(xué)生可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)模型進(jìn)行反復(fù)對(duì)照觀察，能夠直觀地看清模型的輪廓線，也能方便理解截交線作圖時(shí)找特殊點(diǎn)、一般點(diǎn)的作用，進(jìn)而提高該知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)效果。

圖5 截交線案例模型

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在組合體視圖中的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，可通過(guò)虛擬模型的觀察、對(duì)比增強(qiáng)學(xué)生對(duì)形體的感性認(rèn)知，同時(shí)將理論與實(shí)踐相結(jié)合，增強(qiáng)了對(duì)課程基礎(chǔ)知識(shí)的理解。在使用過(guò)程中，學(xué)生表現(xiàn)積極、課堂氛圍活躍。學(xué)生通過(guò)將虛擬模型與二維視圖進(jìn)行反復(fù)對(duì)照觀察、思考，能夠快速掌握視圖間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，效果明顯。同時(shí)，任課教師也不用準(zhǔn)備繁多的教具模型，方便課程開(kāi)展，豐富課程教學(xué)形式，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

5 結(jié)語(yǔ)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到“機(jī)械制圖”交互式教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)，研究過(guò)程中主要解決了模型數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題；基于GLB 格式文件實(shí)現(xiàn)了3D 模型在網(wǎng)頁(yè)上的加載、展示功能。同時(shí)，利用教學(xué)信息化平臺(tái)整合教學(xué)資源，方便教師教學(xué)和學(xué)生自學(xué)使用，可實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合、理實(shí)一體”的教學(xué)模式。機(jī)械零部件的虛擬模型可供反復(fù)觀察，擺脫時(shí)間和場(chǎng)地的束縛，進(jìn)一步豐富了課程的教學(xué)資源。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)中應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的可視化，幫助學(xué)生獲取更直觀的學(xué)習(xí)內(nèi)容，幫助學(xué)生理解抽象的空間幾何形體和空間位置關(guān)系。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)資源建設(shè)中的應(yīng)用必將是職業(yè)院校教學(xué)改革的一個(gè)重要發(fā)展方向。