寧波大學(xué) 于愛兵 王家煒

針對鉸孔教學(xué)中理論與實踐無法有效結(jié)合的問題，采用虛擬仿真技術(shù)建立虛擬仿真輔助教學(xué)系統(tǒng)。以《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》課本中的“孔加工方法”章節(jié)為例，通過UG、Unity3D、Visual Studio等軟件制作了鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)。鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)由知識模塊和實踐模塊兩部分組成，通過教學(xué)系統(tǒng)可以學(xué)習(xí)鉸刀種類、鉸刀結(jié)構(gòu)、刀具參數(shù)以及鉸孔的操作過程。鉸孔輔助教學(xué)手段豐富了教學(xué)形式，將理論與實踐相結(jié)合，使學(xué)生獲得更為生動的學(xué)習(xí)體驗。

1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真是指借助現(xiàn)代高科技手段將現(xiàn)實中的相關(guān)產(chǎn)品、設(shè)備虛擬化，使其能夠在計算機中進行模擬交互，從而達到虛擬操作的效果。該技術(shù)在教育行業(yè)有著巨大的應(yīng)用前景，“十四五”規(guī)劃中就曾明確指出，“要促進以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等為代表的信息技術(shù)與教育教學(xué)的融合”[1]。

目前，國內(nèi)外針對虛擬仿真技術(shù)在教育教學(xué)方面的應(yīng)用已經(jīng)做了一定的研究。Gledson[2]等人基于BIM建立了虛擬仿真項目，提高了學(xué)生對建筑技術(shù)課程的自主學(xué)習(xí)能力；李建海[3]等人將基于Simulink仿真實驗應(yīng)用到電機實驗教學(xué)中，彌補了傳統(tǒng)實驗方法的不足，使學(xué)生能夠更深入的理解和掌握理論知識，提高了教學(xué)質(zhì)量；郭靜[4]等人將虛擬仿真技術(shù)引入基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教學(xué)中，構(gòu)建了以虛擬與實訓(xùn)有機結(jié)合為特征的完整基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)體系。

鉸孔作為孔加工方法的重點授課內(nèi)容之一，其具有實踐性強的特點，實踐環(huán)節(jié)在培養(yǎng)學(xué)生如何正確使用鉸刀方面起著重要的作用。但由于受傳統(tǒng)教學(xué)模式的限制，授課過程中存在一些問題：（1）目前的授課方式往往是照搬教材案例進行“填鴨式”面授，很少結(jié)合實踐環(huán)節(jié)的案例引導(dǎo)學(xué)生；（2）講解鉸刀結(jié)構(gòu)、角度等較抽象的內(nèi)容時，學(xué)生的理解和掌握存在一定困難；（3）受教具或模型數(shù)量的限制，學(xué)生的參與度有限，體驗性較差。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用將為傳統(tǒng)教學(xué)模式的改革提供新方法和新思路，通過虛擬仿真技術(shù)開發(fā)新型交互式課件，借助虛擬操作提高鉸孔教學(xué)的實踐性和交互性，同時提升學(xué)生的參與度[5]，幫助學(xué)生將理論知識充分運用到實際操作中，更好的掌握理論知識和專業(yè)技能。

2 鉸孔虛擬仿真教學(xué)平臺開發(fā)

本文結(jié)合機械制造技術(shù)基礎(chǔ)知識，應(yīng)用UG、Unity3D以及Visual Studio等軟件，開發(fā)了鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)，生動形象的展現(xiàn)了鉸刀種類、鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何參數(shù)、鉸刀應(yīng)用等一系列鉸孔相關(guān)知識。

2.1 課程分析以及軟件設(shè)計要點

根據(jù)“孔加工方法”章節(jié)的教學(xué)目標，學(xué)生需要學(xué)習(xí)的知識點包括：（1）鉸刀的分類；（2）鉸刀的結(jié)構(gòu)組成以及幾何角度的測量；（3）鉸孔的應(yīng)用。

由于每種鉸刀的結(jié)構(gòu)組成不同，需要建立多個刀具模型，并結(jié)合輔助文本、視角縮放等功能進行知識點的講解；為了直觀的展現(xiàn)刀具模型，程序要能夠?qū)崿F(xiàn)鉸刀的自由旋轉(zhuǎn)、縮放等功能，方便教師講解，學(xué)生觀察；鉸孔作為孔的精加工方法之一，其實踐模塊的設(shè)計需結(jié)合整個鉆孔過程。鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)的理論支撐以及設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架以及軟件設(shè)計流程Fig.1 System framework and software design process

2.2 系統(tǒng)開發(fā)流程

鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)具體開發(fā)流程如下：（1）選取課本中具有代表性的鉸刀，對其進行測繪，使用UG建模軟件構(gòu)造刀具模型以及刀具收納盒、工具車、氣缸蓋等教學(xué)輔助模型；（2）將UG構(gòu)造的幾何模型導(dǎo)入到3Ds Max中進行模型裝配并導(dǎo)出至Unity3D軟件中；（3）在Visual Studio中編寫跳躍場景、切換相機以及移動、旋轉(zhuǎn)鉸刀等腳本，然后根據(jù)機械制造技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)要求，設(shè)置鍵盤按鍵和UI界面中的虛擬按鈕來實現(xiàn)對Unity3D中的幾何模型、場景相機以及助學(xué)文本的控制；（4）結(jié)合相應(yīng)素材完善教學(xué)模塊，檢查無誤后將軟件打包導(dǎo)出。

3 鉸孔虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容

3.1 軟件界面

雙擊鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)圖標即可打開軟件主界面，如圖2所示；點擊“開始”按鈕進入知識學(xué)習(xí)模塊，該模塊囊括了鉸刀分類、鉸刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和鉸刀幾何參數(shù)等基礎(chǔ)知識點，如圖3所示為知識模塊的初始界面；界面右側(cè)設(shè)置有一列功能欄，通過點擊“應(yīng)用1”或“應(yīng)用2”按鈕即可進入相應(yīng)的實踐模塊，進行鉸孔操作，鞏固理論知識，如圖4、圖5所示。知識和實踐模塊初始界面左上角均設(shè)置有“返回”與“說明”兩個按鈕，可用于界面的轉(zhuǎn)換以及操作方法的解讀。此外，還可以通過鍵盤按鍵切換相機視角，以便于觀察和學(xué)習(xí)鉸刀結(jié)構(gòu)、鉸孔過程等內(nèi)容。

圖2 軟件主界面Fig.2 The main interface of the software

圖3 知識模塊初始界面Fig.3 Knowledge module initial interface

圖4 實踐模塊1初始界面Fig.4 Initial interface of practice module 1

圖5 實踐模塊2初始界面Fig.5 Initial interface of practice module 2

3.2 知識模塊

基于《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》教材中的鉸孔知識體系，知識模塊依次對鉸刀的種類、結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何參數(shù)進行了詳細的論述。在初始界面中，刀具名牌按鉸刀的分類情況布置于工具車上，學(xué)生可以根據(jù)名牌的擺放位置了解鉸刀的大類以及細分，相比于文字敘述，學(xué)生對鉸刀分類能有更加直觀的認識。點擊右側(cè)功能欄中與名牌名稱一致的按鈕，對應(yīng)鉸刀便會從刀具收納盒中移動至相應(yīng)名牌后方，可供學(xué)生觀察，如圖6所示，這個過程將抽象的名詞實體化，有助于加深學(xué)生對不同鉸刀的認識。此外，為了增強課件的交互性以及幫助學(xué)生進一步觀察和理解每種鉸刀，教學(xué)軟件還設(shè)置了拖動鼠標旋轉(zhuǎn)鉸刀、控制鍵盤按鍵切換鉸刀等功能。按下鍵盤“Q”鍵，相機會切換到整體式鉸刀的正前方，學(xué)生可以近距離觀察鉸刀的結(jié)構(gòu)特點，同時，UI界面還設(shè)置有助學(xué)文本幫助學(xué)生理解界面內(nèi)容，如圖7所示；同樣，按“W”鍵，顯示可調(diào)式鉸刀；按“E”鍵，顯示帶柄式鉸刀；按“R”鍵，顯示成套式鉸刀；按“T”鍵，顯示錐度手用鉸刀；按“Y”鍵，顯示錐度機用鉸刀；按“U”鍵，回到初始界面。

圖6 鉸刀種類Fig.6 Types of reamers

圖7 整體式鉸刀Fig.7 Integral reamers

為了幫助學(xué)生認識和理解不同鉸刀的結(jié)構(gòu)組成以及切削部分的刀具角度，在每類鉸刀對應(yīng)的UI界面中均設(shè)置有結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何參數(shù)兩個子模塊。由于涉及的鉸刀種類較多，下面以整體式鉸刀為例對結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何參數(shù)兩個模塊進行展開論述。點擊整體式鉸刀UI界面中的“結(jié)構(gòu)參數(shù)”按鈕，進入結(jié)構(gòu)參數(shù)學(xué)習(xí)模塊，分別點擊界面左下方功能欄中的六個結(jié)構(gòu)按鈕，可以依次顯示出整體式鉸刀的六個組成部分，如圖8所示。

圖8 整體式鉸刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.8 Structural parameters of the integral reamer

相比于鉸刀的各個組成部分，刀具的幾何角度更為抽象，需要借助參考平面來表現(xiàn)出各切削部分間的投影關(guān)系，因此，在軟件界面中添加了定義刀具角度所需要的參考平面，并提供了相應(yīng)的文本說明，有助于學(xué)生理解刀具角度。點擊整體式鉸刀UI界面中的“幾何參數(shù)”按鈕，進入幾何參數(shù)學(xué)習(xí)模塊，通過界面左下方功能欄中的四個角度按鈕，可以分別顯示出四個刀具角度，如圖9所示。

圖9 整體式鉸刀的幾何參數(shù)Fig. 9 Geometric parameters of integral reamer

3.3 實踐模塊

實踐模塊的建立有助于理論學(xué)習(xí)和實踐學(xué)習(xí)的同步進行，充分發(fā)揮理論指導(dǎo)實踐和實踐鞏固理論相結(jié)合的工程能力培養(yǎng)方式[6]。在知識模塊初始界面中按下“應(yīng)用1”按鈕，進入鉸盲孔和通孔界面，分別點擊該界面右上角的“鉸盲孔”和“鉸通孔”按鈕，鉸刀便會移動至相應(yīng)工件上方，進行鉸孔操作，如圖10所示，單擊“復(fù)位”按鈕，界面恢復(fù)初始狀態(tài)。為了提高課件操作的交互性以及表現(xiàn)的生動性，學(xué)生可以按住“空格”鍵控制鉸刀的旋轉(zhuǎn)。此外，通過鍵盤按鍵切換相機位置，能夠?qū)崿F(xiàn)近距離觀察鉸孔過程，以幫助學(xué)生更加直觀的感受和理解鉸孔過程以及鉸盲孔和鉸通孔之間的區(qū)別。

圖10 鉸孔操作Fig.10 Reaming operation

點擊知識模塊初始界面中的“應(yīng)用2”按鈕，進入氣缸蓋孔加工界面，按順序依次點擊該界面上方的“定心”“鉆孔”“擴孔”“鉸孔”按鈕，可分別控制定心鉆、麻花鉆、擴孔鉆、鉸刀對氣缸蓋進行孔加工，如圖11所示，單擊“復(fù)位”按鈕，各刀具回到刀具收納盒，界面恢復(fù)初始狀態(tài)。與應(yīng)用1模塊類似，學(xué)生可以通過按住鍵盤“A”鍵、“S”鍵、“D”鍵、“F”鍵來分別控制各刀具在孔加工過程中的旋轉(zhuǎn)。另外，學(xué)生還可以通過按鍵切換相機位置，實現(xiàn)不同視角觀察氣缸蓋孔加工過程，有助于更加直觀的認識常見的孔加工過程以及鉸刀在孔加工過程中的應(yīng)用。

圖11 氣缸蓋孔加工操作Fig. 11 Cylinder head hole machining operations

4 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)在鉸孔教學(xué)中的應(yīng)用，是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的補充和擴展。本文開發(fā)的鉸孔輔助教學(xué)系統(tǒng)，包括知識模塊和實踐模塊兩部分，可以學(xué)習(xí)鉸刀種類、鉸刀結(jié)構(gòu)、刀具參數(shù)以及鉸孔的操作過程。通過學(xué)生與虛擬模型的交互操作以及輔助文本對教學(xué)內(nèi)容的解讀，彌補了倫理與實踐環(huán)節(jié)無法有效結(jié)合、教學(xué)內(nèi)容抽象、學(xué)生參與度不足等問題，使學(xué)生由被動接受變?yōu)橹鲃訁⑴c，提高了學(xué)習(xí)興趣和效果。