基于虛擬現實技術的《機械設計》課程慕課（MOOC）教學研究

張德珍

【摘 要】針對《機械設計》類工科課程的特點，將虛擬現實技術應用于慕課課程建設中，使學生在網上觀察到真正的三維動態模擬，并可以進行實時的交互操作，極大提高了學生的參與性和主動性，可以收到更好的教學效果。

【關鍵詞】虛擬現實技術;機械設計;慕課

中圖分類號： TH122;TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）10-0132-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.055

Research on MOOC Teaching of Mechanical Design Course Based on Virtual Reality Technology

ZHANG De-zhen

（College of Mechanical and Vehicular Engineering Linyi University， Linyi Shandong 276005， China）

【Abstract】According to the characteristics of the engineering course of Mechanical Design，the application of virtual reality technology in the course construction of Mu Course is introduced to enable students to observe real three-dimensional dynamic simulation on the Internet. It can interact in real time.It greatly improves studentsparticipation and initiative， and can achieve better teaching results.

【Key words】Virtual reality technology; Mechanical design; Mooc

0 前言

2018年4月13日，教育部正式發布《教育信息化2.0行動計劃》，把信息技術手段有效應用于教學與科研，使教學手段科技化、教育傳播信息化、教學方式現代化，促進教育改革，從而適應正在到來的信息化社會提出的新要求。相較傳統的高等教育方式，出現了一種全新的在線教育模式-大規模網絡開放課程（MOOC），將分布于世界各地的授課者和學習者通過Internet連通起來進行學習的方式方法。MOOC在全球范圍迅速興起并規模普及，刷新了傳統的高等教育格局，給高等教育和社會發展帶來重大機遇的同時，也對高等教育的未來提出了新的挑戰。但是，相對于課堂教學，慕課等網絡教學模式還存在一些不足。網絡課程的制作多局限于教學資源的提供，像視頻、圖像、動畫、聲音、課件等，而課堂授課的另一個因素師生互動則很難得到體現。對于一些實踐性很強的工科類課程，網絡課程中難以見到具有真實感的三維立體圖形，有些課件甚至是簡單的將課本搬到了Web上，網絡遠程教學的優勢未能得到充分發揮。目前我國教育科研網上的教學資源也較少，內容大多是一些文本信息，信息表現形式比較單一，交互可控性也較有限，大部分功能簡單。因此，需要進行優質高效的網絡課件的開發來滿足日新月異的信息化教學需求。

高等學校工科類課程，如：機械制圖、機械原理、機械設計、機床結構等，三維立體運動結構較多，比較抽象，學生難以理解。教師在課堂上只能借助于一些三維模型大體驗式一遍，或是學生到工廠實習時才有機會接觸一些實際的三維機構。這些教學方式對學生接受知識來說效果都不是很好，面對將來蓬勃發展的網絡遠程教育更是無能為力了。目前國內的高校都在進行課程教學改革，也做出了一些機械課程的網絡課件，但由于受網速的限制，三維機構運動的模型大都是用flash等二維軟件做的，這樣做出來的效果也是二維的，表達效果不好。人們也用虛擬的三維機構來形象直觀的表達運動過程，有些課件用3DMAX、OpenGL、CATIA等軟件做出的三維動畫來表達三維模型的運動，表達效果較好一些。但這樣學生只能被動的接受，不能主動的參與，不能進行交互控制。

虛擬現實技術與多媒體、網絡技術并稱為21世紀三大前景最好的計算機技術。為了克服傳統的動態模擬方法在網絡應用方面的不足，人們提出了虛擬現實建模語言（VRML）.應用VRML，可編寫某一機構的具有交互作用的三維動畫，進而更加形象地表示機構的外形、運動過程、工作狀態等，編寫的動畫又可以在網上異地瀏覽、交互操作。因此，將虛擬現實技術引入慕課等網絡課件制作，可以使學生在網上觀察到真正的三維動態模擬，并可以進行實時的交互操作，極大提高了學生的參與性和主動性，可以收到更好的教學效果。現在網速和軟件制作水平的提高為將虛擬現實技術引入網絡教學提供了可能。

1 虛擬現實技術在網絡教學方面發展現狀

經查閱大量文獻，了解到國內許多高校和單位正在研究虛擬現實技術在網絡教學方面的應用。但大部分都是理論性的描述（如論文）《基于VRML的虛擬現實中三維建模技術的研究》，或是構建一個網絡虛擬現實系統（如論文《網絡環境下虛擬產品定制設計》），還有就是濺起虛擬現實模型來，做一個虛擬場景，用于網絡展示（如論文網絡虛擬現實制作系統研究及其實現）。至于建好模型后，如何給模型添加運動，如何進行交互控制，則涉及較少。雖然有人利用VRML的節點做過給模型運動（如論文《虛擬現實建模語言VRML在機構運動顯示方面的應用》），這種方法對于較少構件的簡單運動還較方便，但對于復雜構件之間的相互協調運動就較為繁瑣。針對這種情況，研究了一種新的機構運動的仿真方法，利用3dsMAX、AutoCAD、Pro-E等軟件做出三維模型，利VRML、Cult3D、Viewpoint、360度環視等虛擬現實應用軟件實現三維模型的仿真運動，本方法已應用于牛頭刨床機構和活塞曲柄機構的運動仿真。

2 課程建設實施方案

在前期研究的基礎上，將自己的研究應用于《機械設計》課程慕課的網絡教學，用虛擬現實技術來實現傳統仿真方法無法實現的效果，實現網絡教學的遠程、交互、實時性。將制作完成的三維運動模型嵌入慕課課程中，讓學生在通過慕課學習的過程中，可以異地、遠程、適時的操作三維模型或運動機構，了解機器的內部構造及運動原理。

一般網絡虛擬現實系統的實現過程如下：三維軟件設計建模——系統將模型導入——建立和編輯虛擬環境——加入多媒體交互和腳本編輯——發布于Web。

首先成立項目小組，制定實施計劃。調研已有的《機械設計》類課程的網絡教學模式和教學平臺，分析其中的有點和缺點。研究本項目的慕課課程教學模式。吸收4-5名學生加入項目組，指導學生建立課程中所用的三維運動模型。拍攝授課視頻、設計測驗題目，設計實驗完成方法。利用慕課建設平臺，綜合課程的各種素材，完成《機械設計》慕課課程并用于學生測試使用。最后根據測試結果修改慕課課程相關內容。

3 結束語

基于虛擬現實技術的《機械設計》課程慕課（MOOC）針對《機械設計》類工科課程的特點，將虛擬現實技術應用于慕課課程建設中，用虛擬現實技術實現其它軟件工具在工科類課程網絡教學中不能實現的功能和效果，用三維的、可交互操作的、可通過網頁展示的模型表達，效果要遠遠大于文字、flash二維動畫、圖片、視頻等媒體方式，可實現運動機構精確的仿真，提升學生學習興趣及效果。

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