VR技术在高职机械基础类课程中的应用与实践.pdf

教学园地V R技术在高职机械基础类课程中的应用与实践姜建玮,文颖,郭维昭,刘文倩,柳志林,吕飞洋(江西工业工程职业技术学院,江西 萍乡 )摘要以本校开发的机械类基础课程V R资源库为对象,介绍了V R技术的引入在高职课程教学中的重要性,同时以本校所开发V R资源库为载体,具体阐述了机械类专业基础课中的机械制图、机械设计基础和机械制造基础课程在高职院校学生教学上的应用与实践,说明了本校V R资源在教学授课中的优势,为未来V R技术在教育行业的应用抛砖引玉.关键词V R资源库;机械;教育;授课收稿日期:基金资助:江西省高等学校教学改革研究省级课题“基于V R的机械类专业基础课程体系资源库建设与应用”(编号:J X J G );江西省高等学校教学改革研究省级课题“液压与气动技术 课程V R虚拟实训室的建设与应用”(编号:J X J G )作者简介:姜建玮,男,助教(工程师),研究方向为机械设计与分析、汽车空气动力学和热管理.近年来随着国家对高等职业教育的重视,对高职教育教学改革提出了新的要求,其中国家中长期教育改革和发展规划纲要鼓励高职院校要利用丰富的信息化技术手段,对原有教学资源、教学方法、教育模式和理念进行全面改进,促进学生自主学习,提高学习效果.因此课程改革是高等职业院校能否在此大背景下快速发展的必要条件.高职院校中机械类专业基础课程主要包括机械制图、机械设计基础和机械制造基础等.机械类专业基础课程一般同时具有较强的理论性和实践性,是专业课的基石和“领路人”,只有把这一类课程学透学扎实才能够更好地为将来专业课学习铺路.就目前而言,高职院校教师已经具备利用多媒体、动画和翻转课堂等手段进行教学,较传统照本宣科板书式机械教学方法而言,已经迈出了一大步,但是在课程教学的很多场合仍然存在弊端,特别是对于机械类课程,某些概念很难用简单动画演示或者在实验室中进行演示.近几年,随着信息技术和科技水平的提高,V R技术慢慢地走入课堂,该技术不仅可以弥补上述教学存在的问题,还有很多其他方面的优势,对现代职业教育教学改革的促进非常大.本文依托于江西省高校教改课题 基于V R的机械类专业基础课程体系资源库建设与应用,自主开发了一款桌面式机械类专业基础课程资源包.该资源可离线单机运行也可搭载外部硬件设备运行.资源库中根据机械类专业基础课的特点,以机械制图、机械设计基础和机械制造基础三门专业基础课为载体,把课程中难以用现有的多媒体手段讲述的内容,遵从日常教学的思路,利用V R场景优势来弥补教学中的不足.V R技术及其在机械类课程中的应用V R技术概念V R(V i r t u a lR e a l i t y)技术 ,中文释义为虚拟现实技术,是结合网络技术、仿真技术、计算机图形学和人机交互等多种技术形成的一种计算机虚拟仿真体验交互系统.该技术依托于虚拟仿真平台,可以实现逼真的场景和视听触等感官的体验,体验者可以佩戴外部传感设备融入虚拟环境中,达到人机交互的目的,并获得沉浸式体验.V R技术在机械类课程中的应用V R技术作为近几年信息领域发展出来的新兴技术产物,有着广阔的应用前景.在教育领域中,各个学科也非常注重V R技术的应用.其中V R技术在高职机械基础类课程中的应用与实践盛冬平等根据本校机械制造专业课程教学需求,将V R技术引入课堂和专业课程实践,克服传统专业教学的短板,为机械制造专业课程的建设教学改革提供可行性思路.可见,V R技术在机械类专业课程中的应用有它独特的优势.机械制图课程V R资源的教学实践机械制图这门课程几乎是所有机械类大学生的入门级基础专业课,几乎覆盖了所有高校各个专业,其重要性显而易见.阎汉生等根据机械制图课程的教学特点,根据特定知识点的传统教学劣势,把V R教学特点融入,得到较好的教学效果.谭文平等针对V R技术的概念进行剖析,根据其特点结合机械制图这门课程,具体阐述了V R技术在机械制图课程中组合体构型、视图表达和装配体识读中的优势.本文依托自主开发的V R仿真平台,根据特定的知识点,利用V R手段来实现更为有效的教学手段,以常用机械制图知识点为例介绍V R在机械制图教学中的应用与实践.零件图识读V R应用案例机械制图中零件图识图的目的不只是看懂零件图,根据零件图进行零件的构型与加工,同时为了对接企业中制图员的岗位,还得会根据产品三维模型进行零件图的制图.因此正确读取图纸以及合理地用图纸对零件模型进行零件图的表达非常重要.对高职院校学生进行零件图识图教学时,经常遇到学生空间思维有限,复杂零件图对细节把握不够等问题,本项目所依托开发的V R资源包,在教学中的便利性可以体现在以下方面:图零件图识图教学界面可以 D全方位视角展示 D模型;并同时可以切片处理,观察孔洞等内部结构;进行平行投影,查看特定视角的平面投影特性;可以在 D视角界面调用零件的零件图,结合 D模型进行识图或制图讲解.装配体拆装V R应用案例在讲解装配工程图这一章节时,主要让学生理解装配工程图的读图,其中很重要的一点是如何通过装配工程图来理解不同零部件的装配关系,从而在生产实际中能够根据所生产的零件完成产品的装配.在模拟产品的装配时,对于高职大部分学生来说,受空间思维的影响,仅仅凭借一张装配图以及目前的多媒体技术,很难让学生在课堂上理解零件之间的装配关系,同时为了更贴近现实中零件之间的连接与拆卸关系,在本V R资源库中提供了基本的拆装工具,当选对拆装工具并且拆装对合适的零件时,会有正确提示.具体装配图的拆卸界面如图所示.当需要考查学生对装配图的掌握程度时,需要对装配体进行装配,装配界面如图所示.在装配过程中,可以从界面左侧选择装配体图转配体拆卸界面图装配体装配界面 年第期 造 纸 技 术 与 应 用的零件以及装配工具,拖放入界面中合适部位,当装配关系正确会有正确提示.拆装的界面除了以上的教学模式,还包含考核模式,在该模式下,对学生进行巩固训练,根据零件图图纸,进行装配考核,考核过程中若零件装配关系错误或者工具选择错误会有对应提示,并在右下角适当减分.机械设计基础课程V R资源的教学实践机械设计基础课程主要教授机械类产品常用运动机构、轴与轴系和轮系等内容.在对某些难懂隐晦的知识点进行教学时,可以发挥V R资源的优势,使学生能够快速掌握知识点.运动副概念讲解V R应用案例在讲解常用机构时首先让学生理解运动副的概念,目前书本上的关于运动副的讲解较为隐晦.比如,转动副表达时候用小圆圈连接两杆类构件,对于转动副的实际结构表达模糊不清,本V R资源包中可以通过在V R资源库场景中观察机构的运动情况,并根据机构的运动特性,理解各类运动副的概念.如图所示,该界面可以 D无死角观察机构运动过程各传动副的运动情况,界面中同时还设置了机构运动副爆炸动画.可以自动把不同运图转向系统运动界面动子构件进行拆解,并播放拆解后运动副运动原理,帮助学生快速理解运动副机构三维空间下的运动特性.机构运动简图V R应用案例机构运动简图的绘制是机械设计的基础,在讲解机构运动简图知识点时,学生经常不能够对其理解透彻,面对一些陌生的机构,完全无从下手,主要还是受到空间思维的影响.面对该难题,在V R资源包中包含多种机构运动案例,学生能够通过资源包全方位理解各个运动构件之间的连接以及空间的位置来完成运动简图的绘制.图为资源库中部分装配体和典型机构.图部分典型运动机构及装配体机械制造基础课程V R资源教学实践机械制造基础课程主要教授材料热加工以及冷加工相关知识,目前高校对于这一类实践课教学相对较少,特别是热加工这方面,目前的教学主要还是以理论教学为主.针对以上情况,李洪营基于V R模式创建了箱体类零件的虚拟加工系统,增加学生进行箱体类零件加工的沉浸式体验.但是其中还是缺乏热处理的工艺,与实际零件的加工情况还是有所差异.本项目V R资源库中包含典型四大类零件(轴类、盘类、叉架类和箱体类)的加工工艺制作,包含了典型的冷加工工艺,如车、铣、刨、磨等;同时包含了典型的热处理工艺,如正火、退火、淬火和回火等.在教学过程中,根据不同类型零件的需要,学生根据界面填写加工工序,如填写错误,则不能进行下一步,每一步都有提示,零件加工工艺卡片填写界面如图所示.当工艺卡片界面填写完成后,进入零件的虚拟加工界面,学生通过选择不同毛坯、机床、热处V R技术在高职机械基础类课程中的应用与实践图某轴类零件加工工艺填写界面图某连杆零件虚拟加工界面理方式等完成整个零件的加工工序,当其中有不合理的选择方式时,系统会进行提示.如图所示为零件虚拟加工界面.整个零件加工过程,包含了工序选择、加工设备选择、零件毛坯选择、材料选择、热处理工序的选择等,如果通过外部硬件设备,能够让学生沉浸式体验零件的全加工过程.结论机械类专业基础课程对于高职院校学生来说,理论性较强,相关知识点晦涩难懂.本文结合高职院校学生学情和教学特点,自主开发机械类基础专业课程V R资源库,该资源库能够进行桌面式展示,同时也可以搭载外部设备进行沉浸式体验,可以帮助学生更快更深地理解所学知识.本文选取三门专业基础课的部分知识点简要阐述了V R资源的授课应用实践,在课堂上已经取得了较好的效果.参考文献林书兵,张倩苇我国信息化教学模式 年研究述评:借鉴、变革与创新J中国电化教育,():,W i l l i a m G i b s o n C y b e r s p a c e,B u r n i n gC h r o m e,B UR D E AGC,C O I F F E TP V i r t u a lR e a l i t yT e c h n o l o g y,S e c o n d E d i t i o nM N e w Y o r k:J o h n W i l e y&S o n s,何聚厚,梁瑞娜,韩广欣,等基于虚拟现实技术的深度学习场域模型构建研究J电化教育研究,():赵国锋,陈婧,韩远兵,等 G移动通信网络关键技术综述J重庆邮电大学学报(自然科学版),():盛冬平,徐红丽,尹飞鸿,等 A R/V R技术在本科院校机械制造专业中的应用及实现方法J中国教育技术装备,():阎汉生,王清辉,刘子桦,等 V R和A R技术在机械制图课程中的应用研究J科技视界,():谭文平 V R技术在“机械制图”教学中的应用J湖北农机化,():李洪营基于V R的箱体零件虚拟加工教学系统开发D济南:山东建筑大学,年第期 造 纸 技 术 与 应 用