“機械測量與拆裝”VR 課程的開發與應用

鄔宗鵬，王培珍，楊 琦，李 芳，鄒 寧

（安徽工業大學工程實踐與創新教育中心 安徽 馬鞍山 243002）

VR 技術目前已普遍應用到各行各業，尤其在教育領域，已成為新型教學技術手段。“機械測量與拆裝”作為高等工科院校機械類及非機械類專業工程訓練中的一門實用性和操作性很強的模塊課程，其具有實踐性強、技術性高的特點，教學中雖有項目實訓操作環節，但受到測量器具與拆裝設備成本及空間限制等因素影響，無法讓每個學生都去拆解全新的量具和設備，將VR 技術引入課程項目教學中，虛實結合，取得了事半功倍的教學效果。

1 VR 技術概述

VR（Virtual Reality）技術是20 世紀以來發展起來的一個全新實用技術領域，它利用計算機、電子信息及仿真技術模擬創建視覺、觸覺等多種感知于一體的虛擬環境，使用者可以借助多種交互設備，例如VR 設備、眼鏡、操作筆等，在虛擬環境中進行交互操作和信息交流，使之產生身臨其境的感覺[1-3]。VR 技術不只是簡單的仿真技術，它所呈現的是客觀對象的真實結構、工作原理、運行情境，更加注重人與虛擬環境的自然交互性，在難于操作、危險性高、價格昂貴的實驗教學和實踐教學中得到廣泛應用[4-6]，此項技術非常切合目前“互聯網+”背景下學生們的學習心理，在進行機械測量與拆裝實踐教學時，學生使用VR 眼鏡及控制筆進行交互操作，在接受測量工具及機械設備三維立體視覺沖擊的同時學習著知識與技能。

2 VR 技術的特點

VR 技術集計算機、電子信息、仿真技術于一體，特點主要有以下三個：

沉浸性。從視覺、觸覺等感知系統方面讓使用者身心沉浸，感覺如同進入了真實世界，自己仿佛也成為計算機虛擬仿真系統所營造環境中的一部分。

交互性。使用者進入虛擬環境空間，利用相應的技術讓其跟具體事物產生相互作用，當進行某種交互操作時，事物及周邊環境也會做出某種反應。

構想性。使用者在虛擬環境空間中，可以拓寬知識的認知范圍，并且使用計算機信息技術構想創造客觀世界難以實現的場景環境。

3 “機械測量與拆裝”VR 課程開發的意義

測量與拆裝教學的特點在于實踐場景的真實性以及教學形式的多樣化，強調學生動手操作，將VR技術引入實訓項目中，創造性地使學生在人為構建出的虛擬空間內進行模擬實訓操作，從而鞏固學生對常用測量工具以及典型機械拆裝設備基礎知識的認知，親身去感受和體驗比抽象的理論講解更具說服力，同時可以擺脫傳統的實訓操作模式，使用VR 設備（zSpace）及眼鏡進行交互操作。

現有教學內容基礎上開發建設虛擬測量與拆裝VR軟件，將可應用VR技術的教學模塊穿插在整個教學過程中，同時利用VR 技術拓展測量與拆裝實訓項目，不受空間限制，節約采購相關昂貴拆裝設備和測量器具的成本，同時減少設備的存放場地。后期嘗試將課程VR 系統和APP鏈接，讓學生可以在實訓前及課后下載課程VR，通過手機與簡易VR 眼鏡隨時進行體驗感受，而不必受到教學VR設備的使用限制。

4 “機械測量與拆裝”VR 課程的具體實施

4.1 設計思路

為了解決機械測量與拆裝在教學過程中的專業難點，幫助學生通過VR課程軟件更好地了解機械測量和拆裝知識，讓學生直觀明了地掌握測量器具與拆裝設備的內部結構和操作步驟。課程VR 設計采用3D 仿真模型，實現形象化教學，同時采用智能化技術，實現機械零部件的結構展示，加深學習的理解深度，并實現安全性教學過程，機械設備工作原理以3D 動態及爆炸展示其組成，仿真其動態運動過程。

4.2 設計方案

“機械測量與拆裝”課程+VR設計方案包括設計階段、開發階段、測試階段，其中設計階段有架構設計以及系統設計，開發階段主要由編碼開發和單元測試組成。

4.3 內容設計

“機械測量與拆裝”VR課程制作的內容主要有量具及拆裝設備3D 模型、零部件標簽、爆炸視頻等。工具及設備模型資源主要有游標卡尺、萬能角度尺、外徑百分尺、螺紋千分尺、公法線千分尺、齒厚游標卡尺、半徑規、螺紋環規、齒輪泵、蝸輪蝸桿減速機、二級直齒輪減速機、普通車床（CA6140）等。

4.4 開發軟件

“機械測量與拆裝”VR 課程開發使用多個軟件，主要包括Unity3D、Autodesk 3ds Max、Adobe Photoshop、Substance Painter、EVR（VR 引擎與仿真編輯軟件）等。

4.5 開發過程

“機械測量與拆裝”VR課程開發過程主要包括提綱撰寫及VR 軟件功能細化，如量具及設備原型、功能流程圖、3D 美術方案、交互設計方案、UI 概念設計、三維建模列表及三維動畫腳本、虛擬仿真腳本以及其他項目相關資料的撰寫等。在設計制作中包括系統架構設計、系統功能及接口設計、系統功能及接口實現（編程）、系統聯調及打磨以及場景、模型、UI、FLASH 及3D 動畫設計與特效制作，同時軟件初步完成后的測試完善也尤為重要，包括系統功能性能測試和場景、模型、UI、FLASH、3D動畫特效調優以及測試報告制作。

“機械測量與拆裝”VR 課程開發是基于zSpace 設備的虛擬現實系統。zSpace 設備本身提供了zCore 開發包，將開發包導入Unity3D 軟件中便可進行后續項目的開發。開發過程主要包括三個核心步驟：物體三維建模、交互方式開發和物體碰撞檢測。其中在三維模型的建模中包含幾何建模、物理建模和行為建模三部分。

①幾何建模。使用SolidWorks2021 軟件建立測量工具以及拆裝設備的幾何形狀。在建模時應將量具和設備的運動部件與靜止部件分開，以便后續對其添加運動指令。

②物理建模。在Autodesk 3ds Max 和Photoshop 軟件中對建好的幾何模型進行貼圖和渲染。目的是為了使模型更逼真、更美觀，將相機拍下的實際測量工具和拆裝設備的表面圖案導入Photoshop 中，進行校正處理后作為后續素材。同時在Maya 軟件中進行貼圖操作。

③運動建模。在Maya 軟件中描述虛擬模型動作與行為邏輯，包括測量工具和設備的基本運動和拆裝過程。

機械測量與拆裝過程必須符合實際的測量和設備拆裝的邏輯順序。首先對實際零件測量和設備拆裝步驟進行采集，包括測量具體方法和物體運動參數等，然后在虛擬測量和拆裝每個項目中增加邏輯判斷與碰撞檢測功能，從而使得整個測量與拆裝過程既具有邏輯控制性，也符合機械測量實際教學要求。為更好地顯示內容和進行信息的傳遞，“機械測量與拆裝”VR 課程開發利用了跨屏顯示技術，zSpace 設備屏幕為26 英寸，而立體顯示器屏幕為80 英寸。為了達到zSpace設備立體畫面屏幕的分享功能，將zSpace虛擬現實與裸眼立體顯示設備相結合，在zSpace 虛擬現實的基礎上進行開發，具體實現步驟：首先創建虛擬跨屏相機。在Unity3D 軟件中創建一個跨屏幕照相機，并設置相關參數。參數包括聚焦位置、相機小孔、聚焦尺寸、物體聚焦、相機的方位、角度和投影矩陣。其次設置渲染紋理，用于接收Unity3D 軟件畫面。在Unity3D 的場景中創建RenderTexture 型渲染紋理。最后綁定zCore 中的相機，將創建的虛擬相機綁定于zSpace 中的任意一立體相機即可進行深度方向的渲染，同時設置調整相機的參數，形成立體畫面，使裸眼立體顯示器中的畫面有較好的立體感。裸眼顯示屏幕設置一般為每25ms 刷新一次。

4.6 軟件說明

“機械測量與拆裝”VR課程軟件分為兩大模塊——工具測量和設備拆裝。量具3D 動態展示包括三維模型、標簽功能、爆炸展示、測量應用。可以選中量具的三維模型，對其進行移動、旋轉、縮放操作。同時以3D 爆炸動畫形式展現其結構組成，并以3D工作原理動畫形式，展現其功能應用場景。

5 “機械測量與拆裝”VR 課程的應用效果

①將VR 技術應用到“機械測量與拆裝”課程教學中，為課堂提供了一種嶄新的教學途徑，虛實結合，以學生為中心，轉換了老師和學生之間的位置，學生不再單純依靠“記”和“聽”來獲取知識，更多的是通過在虛擬仿真軟件系統中動手“做”和“練”來加深學習的印象。它營造了“自主學習”的虛擬環境，由傳統的“以教促學”方式變為學生通過自身與信息環境的相互作用來獲取知識及技能的新型學習方式。

②使用機械專用建模軟件對實訓教學里的測量工具、拆裝設備及零件等全部進行三維建模，將原本PPT課件中的二維且靜態圖片、圖紙素材轉換成三維動態，讓學生更加容易理解常用量具的結構及作用，提升學生的學習興趣。

③利用VR專業制作軟件開發虛擬機械測量與拆裝系統，并結合VR眼鏡等專用設備提供多種感官的刺激，展開虛擬測量操作，讓學生清楚地了解常用量具的正確使用方法、注意事項以及如何正確讀數，同時與實訓演示教學相結合，更好地讓學生參與和動手操作。

④使用先虛后實的教學方式，完善拆裝設備操作的安全性，利用VR專業軟件開發虛擬機械拆裝操作系統，在保證教學效果的前提下，極大地節省了成本，并且VR軟件中機械拆裝設備可以反復使用，不會出現物理損傷，學生在虛擬的實訓環境中可以放心地進行各種拆裝操作。

6 結語

在“機械測量與拆裝”課程中應用VR 技術，較之傳統實訓教學具有安全可逆、節約成本的顯著優勢，同時仿真效果優越，學生使用VR 設備以及眼鏡感受到量具使用及機械拆裝設備360 度立體仿真效果，期間不僅可以使用操作筆旋轉、放大縮小和拖拽模型，還可以全方位查看模型的組成結構。另外，通過動畫仿真特效展示課程內容的重難點，讓學生更容易理解掌握所學的內容。今后將進一步延伸到工程訓練其他教學模塊，并在完善總結的基礎上加以推廣。