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摘要：针对机械制图教学中存在的不足，综合运用VRML、Cult3D等虚拟现实技术及多媒体技术，构建了基于网络的虚拟体验学习环境，通过知识点虚拟展厅以三维可视化形式呈现课程教学内容，学习者通过鼠标和键盘交互操作虚拟模型，随时随地进行学习，打破了时空限制，为学生提供了一个自主学习的平台，激发了学习兴趣，丰富了教学模式，取得了良好的教学效果。
关键词：机械制图；虚拟体验学习；交互性
本文引用格式：冯桂珍，等.机械制图虚拟体验学习环境的构建[J].教育现代化,2020,7(36):5-8.
Construction of Virtual Experience Learning Environment for Mechanical Drawing
FENG Gui-zhen1，LI Shao-hua1,2，FENG Jie1，ZHANG Yu-feng1
(1.School of Mechanical Engineering of Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang Hebei；2.State Key Laboratory of Mechanical Behavior and System Safety in Train Engineering,Shijiazhuang Hebei)
Abstract:In view of the shortcomings in the teaching of mechanical drawing,a network-based virtual experience learning environment is constructed by comprehensively using VRML,Cult3D and other virtual reality technologies and multimedia technologies.The teaching content of the course is presented in the form of three-dimensional visualization through the virtual exhibition hall of knowledge points.Learners can learn anytime and anywhere through the interactive operation of the virtual model with mouse and keyboard,thus breaking the time and space limitation,providing a platform for students to learn autonomously,stimulating their interest in learning,enriching the teaching mode and achieving good teaching results.
Key words:Mechanical drawing;Virtual experience learning;Interaction
一 引言
机械制图课程是工科学生必修的一门技术基础课，主要目的是培养学生的空间逻辑思维能力、形象思维能力、设计表达能力和阅读与绘制专业图样的初步能力。该课程一般安排在大学一年级开设，对于刚刚步入大学生活的学生而言，空间想象力比较欠缺，工程意识淡薄，单纯采用“教材+讲授”的模式，对于一些重点、难点内容，如截交线、相贯线等知识点以及复杂的零件及装配体，学生普遍感到抽象、不便于理解。研究表明，人类记忆能力，单纯通过听觉或者视觉获取的知识最多达到50%，借助多感观交互作用可获取90%的知识。网络技术、多媒体技术及虚拟现实技术的发展，为传统教学提供了极大的便利，如虚拟仿真实验[1-5]、多媒体课件[6]、虚拟模型库[7]等的构建及应用，笔者利用Unity3D构建了基于智能手机的减速器虚拟拆装实验[8]，充分利用智能手机进行自主学习。鉴于此，以培养学生空间想象力和思维能力为目的，笔者利用VRML、Cult3D、Flash等技术，构建了基于网络的机械制图虚拟体验学习环境，学生通过鼠标、键盘进行交互操作和体验，克服了传统课堂教学受时间和地点的限制，学生可以通过校园网，随时随地进行学习，激发了学习兴趣和积极性，促进了自主学习，提高了教学效果。
二虚拟体验学习环境的系统结构
该系统基于“学生为主体”的主导思想，根据机械制图知识体系和课程培养目标，设计并划分模块，设计的系统结构框图如图1所示，主要包括虚拟场景漫游和基于知识模块虚拟体验两大部分。
（一）虚拟场景漫游模块
为了增加体验学习环境的逼真感，设计了虚拟场景漫游模块，包括虚拟校园、虚拟教室以及知识点虚拟展厅三部分，其中知识点展厅是核心部分，是学生体验学习的主要场所，以三维展厅形式呈现机械制图课程的知识体系和内容，学生可以选择相应的知识点进行体验学习。虚拟校园和教室漫游场景是辅助部分，通过三维虚拟的、可交互的校园漫游，增加学生学习兴趣。
（二）知识点虚拟体验学习模块
通过知识点展厅提供的链接，进入各个知识点虚拟体验学习模块。该模块根据机械制图课程教学内容划分，包括点线面的投影、基本立体、立体截切、立体相贯、组合体、机件表达、标准件和常用件、零件图和装配图，覆盖了机械制图课程的全部内容。
（三）体验学习环境的导航
三维虚拟学习环境给学习者提供了一个自由体验空间，为了最大程度方便学习者，系统导航尤为重要。系统涉及的导航方式包括视点自动切换、虚拟对象动态触发导航、提示信息导航等。其中，视点自动切换通过系统预设的视点，通过脚本程序控制切换。虚拟对象动态触发导航是通过鼠标点击虚拟对象并由脚本程序控制场景的跳转或动态功能的触发进行导航。提示信息导航是为虚拟对象预设文字说明，通过类似工具提示的方式进行导航。
三虚拟体验学习环境的构建及实践应用
（一）系统构建简介
采用C/S（客户端/服务器）结构，以校园网为依托，以三维虚拟展厅的形式呈现机械制图知识点结构模块，不受时空限制，可随时随地进行交互式体验学习，从而激发学习兴趣。具体涉及到的相关技术包括：Cult3D、VRML等虚拟现实技术，3DMax、Solidworks等三维建模工具，JavaScript脚本编辑与控制，DreamWeaver网页集成等，构建了一个基于C/S模式的三维、动态交互的三维虚拟体验学习环境。
系统构建的主要技术路线是，Cult3D、VRML用于构建基于鼠标和键盘交互操作的三维虚拟场景，其中涉及的三维模型利用Solidworks完成建模。3DMax是Solidworks三维模型与Cult3D、VRML虚拟场景连接的桥梁，实现模型格式的转换。JavaScript脚本用于控制Cult3D、VRML虚拟场景中较复杂的交互控制，DreamWeaver实现整个系统资源和素材的集成。
图2所示为知识点虚拟展厅，点击相应的知识点，进入相应的虚体体验学习环境，图3所示为基本立体知识点的学习环境。
（二）虚拟体验过程示例
[实验一]相贯线体验
1.体验过程
相贯线通常是空间曲线，其空间形状与两曲面立体的表面性质、相互位置以及尺寸大小有关，而相贯线投影的形状取决于立体相对于投影面的位置。相贯线是机械制图教学中的难点之一，大多数学生感到抽象，不易理解和掌握，导致一部分学生对制图的学习产生畏难情绪。通过设计相贯线虚拟体验学习过程，帮助学生充分理解教学内容，克服畏难情绪。图4展示圆柱体两轴线的相互位置发生变化时，其相贯线的形状的变化趋势，通过三个色块的滑动实现体验操作，其中红色块控制圆柱的大小变化，绿色块控制圆柱的倾角变化，蓝色块控制圆柱的位置变化。通过对圆柱的大小、位置和倾角的动态控制，实时展示相贯线的动态变化。图5展示圆柱与圆锥相贯，圆柱直径大小改变时相贯线的动态变化。
2.体验后自测
布置相关自测题供学生自我检查，如讨论影响相贯线形状的因素、求相贯线的投影等题目。完成题目后可以与标准答案对照检查，也可以通过留言板、问题反馈、QQ在线、EMAIL等可以进行交流、探讨。
[实验二]虚拟拆装体验
1.体验过程
绘制和阅读装配图是本课程主要目标，是难点之一，同时也是后续课程没计、毕业设计等环节的基础。虚拟拆装对提高学生分析和解决问题的能力具有促进作用，是启迪学生创新思维的重要手段。系统提供了多种常见的装配结构，通过虚拟拆装操作，使学生切身体会到装配结构和工作原理，并对零件及其作用有更深刻的理解。图6所示为顶尖座的虚拟拆装过程体验。学生根据提示信息，通过鼠标点击完成虚拟拆装，拆装过程中，可以通过鼠标旋转三维模型，详细查看各个零件的结构形状。
2.体验后自测
布置思考题，如顶尖座的拆装顺序、零部件之间的连接定位等问题，为装配图的学习打好基础。
（三）课程评价与学习效果
体验学习的效果主要体现在两个方面，一是学生学到了什么，二是培养了学生什么样的能力。
课程考核采用结构评价考核体系，不是期末考试的单一形式，这样更能全面反映学生综合学习。表1所示为两个学年采用传统授课方式和虚拟体验学习模式的对照情况表，可以看出学生的不及格率和平均成绩都得到了提升。
从能力培养看，学生的绘图能力、设计表达能力得到了提升，体现在课外科技竞赛活动中。历届由河北省教育厅主办的河北省三维设计大赛和制图与构形能力大赛，我校学生都取得了团体一等奖和个人特等奖、一等奖的优异成绩。
四 结论
采用虚拟现实技术、多媒体技术等构建了机械制图虚拟体验学习环境，为学生提供了一个自主学习的平台，弥补了传统课堂教学模式的不足，以三维、动态、交互的方式进行体验，激发学生的学习积极性，丰富了教学手段，拓展了教学模式，提高了教学质量。
参考文献
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[8]冯桂珍,池建斌,邢海军,等.基于Unity3D的减速器虚拟拆装实验[J].图学学报，2018，4:304-308.
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