基于Unity 3D的機構搭建 虛擬實驗研究與實踐

【摘" " 要】機構搭建是“機械設計”課程的基礎性實驗。傳統的實物實驗存在生均設備少、搭建耗時長、過程評價不全面、無法滿足疫情等突發情況下的教學需求等問題。文章以全過程實驗考核為目標，借助虛擬現實技術，構建基于Unity 3D的平面機構搭建三維可視化交互場景，聯動MySQL、Excel軟件構建數據庫，開發出集在線學習、虛擬搭建、運動仿真及綜合考核“四維一體”的虛擬實驗教學平臺，不限時、多維度為師生提供沉浸式實驗教學服務，提高了實驗教學效果，降低了實驗成本，為新工科應用型人才培養提供了有效途徑，也為機械類虛擬實驗教學改革提供了參考。

【關鍵詞】“機械設計”課程；機構搭建；虛擬實驗；Unity 3D

【引用格式】熊平原，王毅，王旭東.基于Unity 3D的機構搭建虛擬實驗研究與實踐[J].黑龍江教育（理論與實踐），2025，79（2）：13-15.

【中圖分類號】G642.4" " " " " " " " 【文獻標識碼】A" " " " " " " " 【文章編號】1002-4107（2025）02-0013-03

一、引言

“機械設計”是工學機械類及近機類專業必修的一門學科基礎課程，具有授課班級多、學生人數龐大等特點[1]。實驗教學是“機械設計”課程體系的核心組成部分，也是新工科背景下應用型人才培養的有力抓手，在學生工程意識培養及創新能力提升方面發揮著重要作用[2-3]。但近年來，高校人數持續增加，教學經費及師資投入不足，導致“機械設計”課程傳統實物實驗生均設備少，有效實驗時間被壓縮，學生限于流水式的實驗教學模式，對實驗目的和實驗設備理解不透徹，實驗過程中動手機會少或僅觀看教師演示，且實驗指導教師沒有對學生進行全過程監控，缺乏全面的綜合考核指標，僅憑實驗報告評定成績，這些問題均制約了新工科應用型人才的培養[4]。特別是面對突發的公共安全事件（如新冠肺炎疫情）時，傳統實物實驗項目幾乎無法開展，嚴重影響了“機械設計”課程的教學進度。

虛擬現實是一種人機交互式計算機系統，能為用戶提供身臨其境的仿真空間，具有沉浸感、交互性和構想性等特點[5-9]。虛擬現實技術能夠重塑實驗教學形態，突破傳統實物實驗的弊端，從實驗時間、操作形式、實驗深度、過程監控等方面大大提高實驗教學質量，已成為高校實驗教學改革的主流方向[10-14]。同時，教育部明確提出推進課程改革創新，而虛擬仿真實驗平臺是信息化實驗教學體系的關鍵，應在普通本科院校大力開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作[15-16]。基于此，文章以“機械設計”課程中的機構搭建實驗為對象，以全過程實驗考核為目標，運用Unity 3D軟件，構建集在線學習、虛擬搭建、運動仿真及綜合考核“四維一體”的虛擬實驗教學平臺，不限時、多維度為師生提供沉浸式實驗教學服務，為新工科應用型人才培養提供有效途徑，也為機械類虛擬實驗教學改革提供參考。

二、開發流程

本虛擬實驗教學平臺以“機械設計”課程中常見的平面連桿機構和典型的機械傳動裝置為對象，按照程序開發的基本原則，將開發流程分為準備、設計、搭建和驗證4個階段。

（一）準備階段

了解各機構的組成和工作原理，對各個零件進行詳細測繪，利用UG、Solidworks等專業建模軟件對零件進行三維實體建模，并對模型進行編號和渲染，同時收集和整理各個零件和機構的簡介及所含知識點，包括文字、圖片和視頻等信息。

（二）設計階段

從“機械設計”基礎課程實驗項目中選取若干經典機構，對各個零部件進行干涉檢測，裝配出完整機構并確定運動方案，創建典型運動機構的模型數據庫。

（三）搭建階段

在Unity 3D軟件上構建機構搭建虛擬實驗教學平臺，將素材導入到項目文件中，編寫各種功能的腳本，利用Unity 3D自帶的動畫制作引擎對搭建的模型進行動畫仿真，觀察、分析并加以完善，創建基于Excel和MySQL的數據庫。

（四）驗證階段

查找并修正場景漏洞，將所有場景連通，設置好Unity3D的相關參數，發布至電腦客戶端，將程序發送給用戶測試，依據建議完善并推廣。

三、機構搭建虛擬實驗教學平臺的設計與實現

（一）功能模塊

機構搭建虛擬實驗教學平臺包含多個功能模塊，按照操作順序依次為賬戶注冊與登錄、實驗目的與要求、零件庫學習、機構搭建、運動仿真、知識點學習、答題、實驗報告等。學生循序漸進，由淺入深，全流程完成實驗項目，教師則多維度考核學生知識的掌握程度。

（二）機構裝配場景的實現

使用UI按鈕控制零件在場景中的生成，通過鼠標點擊選中零件并通過鼠標拖動及虛擬人物的移動實現零部件在3D空間里的位移，當零件位移到正確位置時即可自動吸附好，實現裝配功能。為提高難度，對部分步驟加入了干擾項，讓學生判斷是否安裝正確，系統根據結果進行評分。

①零件的生成。虛擬實驗教學平臺的所有UI界面均采用UGUI進行設計開發。首先，在場景中創建一個UI畫布并為其創建圖片、文本和按鈕等UI組件子物體若干個；其次，將按鈕的圖像與文本設置為對應零件的圖片與名稱；最后，編寫通過點擊按鈕在場景的固定位置生成對應零件的腳本。

②零件碰撞器的選擇。檢測零部件是否被鼠標單擊選中或與其他零部件通過接觸進行互動，需要通過Unity的碰撞事件來實現。對于凸面較少、結構簡單的零件可采用網格碰撞體Mesh Collider，此類碰撞器形狀貼近模型，使用起來更為精確和真實，但計算量也會大大增加，若設置過多可能造成設備卡頓，所以，對于復雜的模型可使用盒子碰撞器（Box Collider）和球體碰撞器（Sphere Collider）等并設置成接近模型的大小。

③零件自由拖動與安裝。訓練模式中，通過腳本讓零件的復制體實現閃爍的效果，然后將復制的零件全部隱藏，留下第一個要安裝的零件。零件的裝配順序根據實驗要求提前設置，當上一個零件正確安裝后會觸發下一個要安裝的零件的復制體在顯示屬性中打開，從而實現提醒學生這一步該安裝哪個零件、在哪里進行裝配的功能。而在考核模式中則將所有復制體的不透明度設置為0，并添加若干個隱藏的碰撞體作為干擾，當學生拖動零件移動到對應的位置，零件的碰撞器與其復制體的碰撞器或其他干擾的碰撞體發生碰撞時，會觸發一個考核事件，讓學生選擇是否確認這樣安裝。若選擇正確安裝但與錯誤的碰撞體發生了碰撞則顯示安裝失敗并扣除一定分數，隨后零件回到默認位置需重新裝配；若正確碰撞并確認則顯示安裝成功并增加一定分數，隨后零件坐標移動到正確位置并固定，從而實現裝配。

④操作提示功能的實現。為在普通訓練時適當地降低搭建步驟的難度，并起到指導學生學習該機構如何裝配的作用，虛擬實驗教學平臺加入了操作提示，通過文本提示用戶當前步驟該安裝哪個零件。首先，為不同的機構各創建一個編碼格式為UTF-8的.txt文本文件，并根據機構裝配的基本原則整理好每個機構的零件裝配順序，一個步驟一個零件，每記錄完一個零件就換行。其次，把文本文件都導入到Unity中并編寫讀取其文本的腳本ReadText，程序運行時將會生成一個臨時的列表并會把文本內容按行輸入到列表的不同行中，并在安裝行順序時賦予每個零件一個序號。當前零件安裝完成后，將讀取“序號+1”即可調取下一步待安裝零件，再結合Unity的文本組件在畫面中實現操作提示。

⑤得分功能的實現。設計了2種得分系統，第一種是該機構各個裝配步驟的得分，不需要根據難度區分，每步的分值相同，因此，該機構每步分值均為滿分一百除以步驟數，而步驟數可通過獲取臨時列表的行數得到。第二種則是手動輸入每步的加分值和扣分值，對于難度比較大，特別是對知識點能起到考核作用的步驟可以增加其得分值，凸顯該步驟的重要性和考核性。當目標零件正確安裝后其模型在場景中所在的圖層（Layer）會由一開始默認的普通圖層（Default）轉為忽視射線的圖層（Ignore Raycast），轉換后將固定好位置不再受射線影響，也不會再被鼠標點擊選中發生位移；同時，當檢測到該零件轉換好圖層后，將調取得分腳本文件，通過函數實現加權加分。若需要增加難度，對特殊步驟還可以增加做錯扣分的考核功能，為避免因用戶不小心裝配錯誤而造成多扣分，在該功能開啟的情況下，當零件模型與正確目標的碰撞器或干擾項的碰撞器發生接觸后會生成一個彈窗，其組件會獲取當前零件碰撞器的名稱及與其發生接觸的碰撞器的名稱，用戶根據顯示的文本點擊確定或取消按鈕。取消則會調取腳本中相關函數，將零件的三維空間位置坐標修改回初始位置且不進行加減分的操作。確定后系統將檢測零件接觸到的碰撞器是否為該零件預先設置好的正確目標的碰撞器，如果是則執行前文提到正確安裝時的結果，裝配好且增加分值；如果不是則與點擊取消按鈕時一樣回到初始位置，但會扣掉設置好的分值，以實現考核的功能。

（三）零件庫學習功能的實現

為了能更全面、仔細地觀察零件的細節，虛擬實驗教學平臺通過在場景中長按鼠標操控觀察零件的視角。具體思路為：獲取點擊鼠標時移動的方向與距離，適當調整參數后轉換為主攝像機位置和旋轉軸的參數，使攝像機畫面在拖動鼠標時能以模型為中心發生旋轉和位移，觀察到模型的各個角度。此外，創建一個UI文本組件，并為各個零件創建一個UI按鈕，當點擊該零件的按鈕時首先會隱藏目前顯示在場景中的零件，接著執行將該零件顯示出來的方法，同時文本組件會獲取到預先輸入好的該零件的文字介紹并顯示在文本框內讓用戶閱讀學習，進一步加深對該零件的了解。

（四）答題系統的實現

基于Excel表格存儲題庫、EPPlus插件讀取題庫設計答題系統。將題庫統一在Excel中整理成1行題干+4行選項，并將正確答案寫在題干右邊一列。在答題系統的場景中創建題干文本及相關選項的UI組件并編寫腳本。當答題系統運行時，Excel表格中的內容每次會提取5行，第1行內容被題干UI組件獲取，而另外4行則會被4個選項按鈕獲取。為提高隨機性，使每次作答時答案順序不一樣，避免出現用戶記答案順序而直接作答的情況，讀取完題干后4行選項順序不與Excel表格中的一致，而是在讀取時根據選項數量確定1個區間[1，4]，然后在區間內隨機生成1個整數，該隨機數行的選項將被讀取出來，接著繼續在該區間內剩余數字中隨機生成1個整數，重復上述步驟直至讀取完所有選項。用戶在點擊某選項的按鈕后，系統會獲取該按鈕的文本內容，與正確選項進行對比，若完全一致則作答正確，執行加分代碼；若不一致，則執行扣分代碼。這一環節實現了答題和評分的功能。

（五）其他場景的實現

除了機構裝配和答題功能，虛擬實驗教學平臺也設計了實驗目的、實驗要求、每個機構知識點學習、觀看機構運動仿真視頻等場景，豐富了平臺的應用環境。實驗前，學生需要認真閱讀實驗目的與要求，了解實驗內容，同時為避免學生直接跳過該步驟，加入了時間約束，即用戶至少在設置好的要求時間過去后才可以切換到下一個場景，否則生成彈窗提醒“請先完成本模塊的學習”。在機構搭建完成后，學生可以查看該機構的運動仿真視頻及相關知識點，全面了解機構特性，為后續答題做準備。

四、結束語

機構搭建虛擬實驗教學平臺能夠多維度考核學生對機械設計理論知識的掌握程度，擴展實驗空間和時間，解決傳統實物實驗的諸多不足，對提高學生學習積極性和主動性有很好的促進作用。目前，該平臺在仲愷農業工程學院機械設計制造及其自動化、機械電子工程、能源與動力工程、生物工程、食品工程、包裝工程、應用化學、化學工程等專業中進行了推廣使用，取得了不錯的應用效果。后期將擴充機構虛擬搭建實驗項目數量，細化評分標準，實現實驗報告自動生成，以進一步提高實驗教學效果。本研究將為新工科應用型人才培養提供有效支撐，也為其他機械類虛擬實驗教學改革提供參考。

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■ 編輯∕王力