劉大維，張國泉，李澤山，勞信超，余得賢，蘇 蒲

（1.廣東技術(shù)師范大學(xué)機(jī)電學(xué)院，廣州 510635；2.東莞石龍京瓷有限公司，廣州東莞 523326；3.廣東技術(shù)師范大學(xué)資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理處，廣州 510665）

0 引言

教育部職成司于2020 年印發(fā)《關(guān)于開展職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的通知》，指出在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，迫切需要建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地，這既是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的革新，深化人才培養(yǎng)模式改革，也是強(qiáng)化“虛實(shí)”融合的教育教學(xué)活動(dòng)，有效彌補(bǔ)實(shí)訓(xùn)中學(xué)習(xí)興趣低、設(shè)備不足、危險(xiǎn)性大等問題[1]。越來越多的高等院校希望能通過“虛實(shí)融合”進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。

在《中國制造2025》綱要中，智能制造起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也對(duì)智能制造系列課程教學(xué)提出了更高的要求?！豆こ讨茍D》是智能制造系列課程中的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，也是一門機(jī)械、建筑、平面設(shè)計(jì)等專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)科，是體現(xiàn)工科學(xué)科特點(diǎn)的入門課程，也是學(xué)習(xí)工科的學(xué)生必須學(xué)習(xí)掌握的一項(xiàng)專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。在培養(yǎng)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性思維基礎(chǔ)的空間想象力以及構(gòu)思能力、促進(jìn)工業(yè)化的進(jìn)程等許多方面發(fā)揮了非常重要的作用。

在傳統(tǒng)的《工程制圖》課程里，多數(shù)學(xué)校習(xí)慣將學(xué)生安排在普通教室上課，教師使用講授法和演示法進(jìn)行教學(xué)，在實(shí)訓(xùn)過程中需要教師及時(shí)給學(xué)生解答疑問，而不應(yīng)該僅局限于理論知識(shí)的傳授[2]。學(xué)生主要是在觀察教師畫圖的方式，接著模仿教師的畫法，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、主動(dòng)性不強(qiáng)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)，與高端技術(shù)技能型人才培養(yǎng)目標(biāo)存在差距[3-4]。學(xué)習(xí)《工程制圖》的目的其實(shí)是能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課后能正確地對(duì)一些經(jīng)典的機(jī)械組合體進(jìn)行制圖，以及在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候能讓生產(chǎn)部門輕易理解圖紙表達(dá)的意義[5]。為此，在《工程制圖》課中同步采用虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行授課，可以讓學(xué)生能更直觀地感受由圖形到立體感和空間感的變化，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與體驗(yàn)感[6]，加深學(xué)生對(duì)工程制圖的學(xué)習(xí)理解。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的重要舉措[7]，同時(shí)也是培育我國創(chuàng)新型和復(fù)合型技術(shù)技能型人才的輔助手段[8-10]。Unity3D 是專門針對(duì)虛擬交互開發(fā)的，是一套能進(jìn)行視、景仿真，并滿足多平臺(tái)部署應(yīng)用需求的三維模擬仿真引擎，能夠很好地幫助開發(fā)者構(gòu)建一套滿足使用的虛擬仿真平臺(tái)[11]。在面向智能制造背景下，借助Unity3D 軟件，采用工程實(shí)例與可視化仿真教學(xué)有機(jī)結(jié)合[12-13]，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[14]。

1 《工程制圖》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案

從《工程制圖》實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)出發(fā)，選取有代表性的零部件、組合體和知識(shí)點(diǎn)作為虛擬仿真對(duì)象，開發(fā)一款具有可自由觀察、能拆裝運(yùn)動(dòng)、實(shí)現(xiàn)3D 模型圖到2D 工程圖的轉(zhuǎn)場(chǎng)漸變功能、頁面美觀簡潔、易于操作等特點(diǎn)的虛擬仿真平臺(tái)，能實(shí)際、有效地運(yùn)用在《工程制圖》課程的教學(xué)中。圖1 所示為總體設(shè)計(jì)方案。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

2 《工程制圖》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

通過建模、繪制工程圖，導(dǎo)出FBX 格式。使用C#編程語言編寫交互代碼，在Unity3D參數(shù)面板設(shè)置參數(shù)進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，最終導(dǎo)出軟件發(fā)布到PC端。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 平臺(tái)開發(fā)流程

2.1 模型建立與工程圖的繪制

通過查閱資料，確定減速器零件模型特征，使用UG 進(jìn)行模型的建立，模型圖為PRT 格式。在UG 中將模型圖生成工程圖，通過AutoCAD對(duì)減速器的裝配圖和零件圖進(jìn)行修正，工程圖為DWG格式。

2.2 格式轉(zhuǎn)換

在Unity軟件里，不支持PRT 格式和DWG 格式的文件，而FBX 格式文件和PNG 格式文件可作為開發(fā)虛擬仿真平臺(tái)的主要導(dǎo)入文件格式。

使用UG 完成3D 模型，導(dǎo)出為STL 格式文件，再通過使用3Dmax 將STL 格式文件轉(zhuǎn)換為FBX 格式的文件。通過截圖的方式可導(dǎo)出PNG格式的2D工程圖。

2.3 模型零件的渲染和裝配

使用UG 建模并裝配好的減速器經(jīng)過FBX 格式轉(zhuǎn)換后形成了一個(gè)整體，無法拆卸零件。所以，應(yīng)先導(dǎo)出減速器的各個(gè)零件，逐個(gè)進(jìn)行文件格式轉(zhuǎn)換，再逐個(gè)導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 進(jìn)行渲染和組裝。圖3 所示為在Unity3D 中減速器底座和齒輪軸透蓋的裝配示意圖。

圖3 減速器裝配示意圖

2.4 自由觀察功能

根據(jù)虛擬仿真平臺(tái)的基本功能要求，能自由地對(duì)裝配體和組合體進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，能控制攝像機(jī)對(duì)組合體的環(huán)繞運(yùn)動(dòng)、拉遠(yuǎn)、推近運(yùn)動(dòng)，稱為自由觀察功能。

實(shí)現(xiàn)自由觀察功能的腳本程序，主要運(yùn)用到的API的內(nèi)容與控制攝像頭活動(dòng)的知識(shí)。C#語言編寫腳本的主要程序段如下：

關(guān)聯(lián)腳本與攝像機(jī)、模型，實(shí)現(xiàn)自由觀察功能，確定模型是攝像機(jī)的跟隨目標(biāo)，完成關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)自由觀察功能。

2.5 拆裝功能

為了能更好地了解和觀察減速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組合方式，需要實(shí)現(xiàn)組合體拆裝的功能，且拆裝的過程要與現(xiàn)實(shí)中的拆裝順序相符。需要實(shí)現(xiàn)的效果是：將減速器拆分為若干個(gè)部分，拆裝過程中在一定時(shí)間里位于同一部分的零件能一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)點(diǎn)擊到界面的某一部分時(shí)，組件就會(huì)一同運(yùn)動(dòng)到合適位置，再進(jìn)行分離運(yùn)動(dòng)，當(dāng)再次點(diǎn)擊同一部件時(shí)，則可順著分離的路徑重新進(jìn)行組合。

2.5.1 拆裝前后坐標(biāo)記錄

在錄制動(dòng)畫前，確定好組合體拆裝前后運(yùn)動(dòng)的路徑、坐標(biāo)，記錄下各部分運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)、零件運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)。

例如，記錄透氣塞拆裝前后的0～2 s時(shí)間內(nèi)坐標(biāo)變化。移動(dòng)前，組件坐標(biāo)為（0，0，0），組件內(nèi)的零件透氣塞為（-0.002，2.152，-0.632）；1 s 時(shí)，組件的坐標(biāo)為（0，2.597 85，0），此時(shí)組件已運(yùn)動(dòng)完成，但透氣塞仍需繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；2 s 時(shí)，組件內(nèi)的透氣塞的坐標(biāo)為（-0.002，2.859 43，-0.632），此時(shí)運(yùn)動(dòng)完成。

2.5.2 動(dòng)畫錄制

記錄組合體的坐標(biāo)，錄制動(dòng)畫就有了先決條件。錄制動(dòng)畫，就是依據(jù)時(shí)間指定給模型前后兩個(gè)坐標(biāo)，模型就會(huì)依照設(shè)定的時(shí)間從第1 個(gè)坐標(biāo)移動(dòng)到第2 個(gè)坐標(biāo)，圖4 所示為拆裝動(dòng)畫效果。

圖4 拆裝動(dòng)畫效果

2.5.3 動(dòng)畫播放邏輯設(shè)置

錄制完動(dòng)畫，要依靠動(dòng)畫器組件對(duì)動(dòng)畫進(jìn)行邏輯設(shè)置保證動(dòng)畫的播放順序。邏輯順序：要有一定的條件才能進(jìn)行動(dòng)畫播放，安裝動(dòng)畫必須要在拆裝動(dòng)畫播放之后才能播放。

2.5.4 腳本編寫

實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊物體達(dá)到拆裝效果的功能。主要腳本程序段如下：

2.5.5 腳本關(guān)聯(lián)動(dòng)畫設(shè)置

一套拆裝動(dòng)畫對(duì)應(yīng)一個(gè)觸發(fā)程序。在程序編譯完成后，將腳本添加到相對(duì)應(yīng)的零件上即可。

導(dǎo)入的模型不具備物理性質(zhì)，需要給模型添加碰撞體組件，賦予模型物理性質(zhì)，使得API能檢測(cè)到模型的存在。

2.6 轉(zhuǎn)場(chǎng)漸變功能

轉(zhuǎn)場(chǎng)漸變功能能直觀觀察到組合體和零件的制圖過程，也能很好地體會(huì)到3D模型實(shí)體與2D工程圖的異同之處。

實(shí)現(xiàn)方法：將3D 模型和2D 工程圖分別放置在兩個(gè)場(chǎng)景中，在3D 模型所在場(chǎng)景轉(zhuǎn)場(chǎng)到2D 工程圖所在場(chǎng)景時(shí)，呈現(xiàn)出漸變效果，使得在視覺上兩個(gè)場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換過程更為流暢與平滑。學(xué)習(xí)者在觀看這一過程時(shí)，也就能有3D 模型慢慢“變”成2D工程圖的效果。

2.6.1 錄制模型旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫

對(duì)于3D 的模型來說，可以360°旋轉(zhuǎn)觀察特征。但對(duì)于2D的工程圖，只能從一個(gè)視角觀看。但轉(zhuǎn)場(chǎng)漸變功能要求攝像頭能觀察到的3D 模型場(chǎng)景和2D 工程圖場(chǎng)景的角度一致。例如當(dāng)減速器上箱體需要從3D 模型轉(zhuǎn)換到2D 的左視圖時(shí)，就需要在轉(zhuǎn)換前將減速器的角度調(diào)整到左視角度。運(yùn)行場(chǎng)景，即可觀察到上箱體的旋轉(zhuǎn)過程。

2.6.2 匹配轉(zhuǎn)場(chǎng)前后場(chǎng)景

由于3D 模型視圖和2D 工程圖大小不一致，在進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)漸變的時(shí)候會(huì)顯得突兀。需進(jìn)行一定的調(diào)整設(shè)置，使得兩個(gè)場(chǎng)景看起來大小一致，這樣進(jìn)行轉(zhuǎn)場(chǎng)漸變就會(huì)顯得平滑、流暢了。同樣以減速器上箱體為例。首先是3D 模型的調(diào)整方法。單擊“攝像機(jī)”，在“檢查器界面投影”欄將“透視”改為“正交”，在大小欄調(diào)整視角大小，直至合適的尺寸。接著是2D 工程圖的調(diào)整方法。將圖片資源裝載到四邊形，單擊工程圖，在“檢查器坐標(biāo)欄”修改合適的坐標(biāo)使工程圖置于攝像機(jī)視線的最中心處。用“檢查器”調(diào)整工程圖的大小，使之與3D 模型大小相同。轉(zhuǎn)場(chǎng)漸變效果如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)場(chǎng)前后對(duì)比

2.6.3 編寫轉(zhuǎn)場(chǎng)漸變效果腳本

設(shè)置“L”鍵轉(zhuǎn)場(chǎng)漸變功能，按下“L”鍵，畫面即從3D模型轉(zhuǎn)場(chǎng)漸變?yōu)?D 的工程圖，學(xué)習(xí)者就能直觀觀察模型圖到工程圖的過程。腳本大致分為3 個(gè)模塊；按下“L”鍵打開新場(chǎng)景；場(chǎng)景間切換的效果；效果實(shí)現(xiàn)后進(jìn)行銷毀。程序段如下：

2.7 UI界面設(shè)計(jì)

主界面上設(shè)置4 個(gè)按鈕，分別鏈接到減速器、葉片泵、溢流閥和工程制圖基礎(chǔ)知識(shí)的子界面，界面分布如圖6 所示。主界面制作效果如圖7所示。

圖6 界面分布示意圖

圖7 主界面制作效果

3 《工程制圖》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)應(yīng)用

基于Unity3D 的《工程制圖》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可幫助學(xué)習(xí)工程制圖基礎(chǔ)知識(shí)、組合體拆裝與工程圖繪制等內(nèi)容。根據(jù)《工程制圖》實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)培養(yǎng)要求，開發(fā)減速器結(jié)構(gòu)及其工程圖繪制實(shí)驗(yàn)并實(shí)施到教學(xué)中。借助機(jī)電學(xué)院3D 裸眼虛擬顯示設(shè)備，增強(qiáng)沉浸感，實(shí)現(xiàn)更加逼真的仿真實(shí)驗(yàn)，減速器拆裝實(shí)驗(yàn)顯示效果如圖8所示。

圖8 拆裝實(shí)驗(yàn)在3D裸眼設(shè)備顯示效果

3.1 實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目

3.1.1 實(shí)訓(xùn)目標(biāo)

學(xué)習(xí)減速器的結(jié)構(gòu)，了解減速器的內(nèi)部構(gòu)造和零件組成，提升學(xué)生的空間想象能力；對(duì)減速器整體及其主要零件的工程圖進(jìn)行繪制，了解減速器模型圖與2D 工程圖的畫法區(qū)別，提升學(xué)生對(duì)工程制圖的運(yùn)用能力。

3.1.2 實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容

（1）學(xué)生進(jìn)行減速器的拆裝操作

依次點(diǎn)擊螺釘、上箱體、齒輪軸，完成減速器主要組件的拆卸過程；旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)減速器，觀察研究減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組合方式，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)減速器結(jié)構(gòu)的好奇心與學(xué)習(xí)積極性，加深學(xué)生對(duì)減速器內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，圖9 所示為學(xué)生拆卸減速器的過程。

圖9 拆卸減速器過程

（2）學(xué)生直觀體驗(yàn)3D模型與2D工程圖的異同

學(xué)生進(jìn)入到裝配圖模型界面，可以通過單擊“L”鍵，讓畫面由3D 模型漸變成2D 工程圖，為了強(qiáng)化學(xué)生對(duì)三維模型與二維工程圖的認(rèn)知，該過程可重復(fù)切換操作，通過虛擬仿真技術(shù)[15-16]，學(xué)生能“身臨其境”地感受到“真實(shí)”的場(chǎng)景，圖10所示為減速器正視圖漸變過程。

圖10 減速器正視圖漸變過程

（3）分組探究，提升空間想象能力

將班級(jí)里的學(xué)生進(jìn)行分組，4 人為一組進(jìn)行合作探究，讓學(xué)習(xí)者仔細(xì)觀察各零部件的3D 模型與2D 工程圖的轉(zhuǎn)化，并讓學(xué)生進(jìn)行總結(jié)和分享，以此提升學(xué)生的空間想象能力。

（4）課堂練習(xí)與課后作業(yè)

拆裝減速器，找到主要零件在里面的位置，并說明所起到的作用（教師隨機(jī)提問）。在減速器裝配圖三視圖內(nèi)找出9 個(gè)主要零件，能自主操作將零件分離開，并畫出該零件的簡圖（教師隨機(jī)提問）。參考所學(xué)減速器零件圖的畫法，繪制出圖11所示的三視圖。

圖11 課堂作業(yè)

3.2 教學(xué)效果

為探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在《工程制圖》課程中的應(yīng)用效果，選擇機(jī)電學(xué)院20機(jī)械1班和20機(jī)械2班進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)，共80 名本科學(xué)生，兩個(gè)班上一學(xué)年綜合成績基本一致，因此符合開展本次教學(xué)實(shí)驗(yàn)的條件。20 機(jī)械1 班為對(duì)照班（40 人），20 機(jī)械2 班為實(shí)驗(yàn)班（40 人），對(duì)照班實(shí)施傳統(tǒng)實(shí)操教學(xué)，實(shí)驗(yàn)班采用結(jié)合虛擬仿真平臺(tái)的實(shí)操教學(xué)，對(duì)兩個(gè)班進(jìn)行一學(xué)期的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，表1所示為實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班的實(shí)訓(xùn)成績對(duì)比表。

表1 實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班的實(shí)訓(xùn)成績對(duì)比表

從實(shí)訓(xùn)成績上看，對(duì)照班學(xué)生的成績?cè)?0～69 分之間人數(shù)占比為40%，成績?cè)?0～89 分之間的人數(shù)占比為17.5%。而實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的成績?cè)?0～69 分之間的人數(shù)占比為12.5%，成績?cè)?0～89 分之間的人數(shù)占比為50%。因此，將虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用到本科《工程制圖》課實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)程制圖》課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果不佳的問題。

4 結(jié)束語

《工程制圖》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)訓(xùn)教學(xué)打破了傳統(tǒng)的“教師講授”、“教師演示，學(xué)生簡單模仿”的教學(xué)模式，利用虛擬仿真系統(tǒng)為學(xué)生呈現(xiàn)更為直觀的學(xué)習(xí)情境，一方面不僅有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與體驗(yàn)感，讓學(xué)生通過“玩”內(nèi)化知識(shí)，另一方面有利于提高學(xué)生的空間想象能力，突破思維能力不高的局限，學(xué)生通過自己動(dòng)手操作，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程制圖的運(yùn)用能力。依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)，發(fā)揮了虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和長處，打破了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的時(shí)空限制，有效解決了高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果不佳、設(shè)備不足、學(xué)生課堂學(xué)習(xí)興趣與體驗(yàn)感不高等問題。智能制造系列課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革是一個(gè)長期積累的過程，要結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)不斷優(yōu)化虛擬仿真系統(tǒng)，從而促進(jìn)教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提升。