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短学时本科机械类课程的VR补充教学实践
摘 要：本文针对短学时本科机械类课程,开展了基于VR技术的课内试验补充教学尝试,开发了齿轮箱装拆桌面式虚拟系统.教学实践表明VR不仅可以提高学生学习兴趣、提升学生自主学习能力、实现良好教学达成度,而且还可以减少试验成本等.本次VR补充教学实践将为VR技术在本科机械类课程教学活动中的应用提供一定借鉴和帮助.
关键词：本科教学；教学能力提升；VR技术；教学方法
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）04-0083-03
一、引言
随着时代不断发展,人类知识体系成指数性膨胀,为了让工科本科生在建立必要理论基础的同时,能够更多更全面地了解科学社会的发展,很多高校都在不断开设与时俱进的新课程,但由于本科阶段总学时的限制,导致工科本科生必须要求掌握的传统理论基础课程学时受到一定挤压.因此,在保证本科生能够很好掌握理论基础课程的前提下,很多专业将原有基础理论课程中拓展和巩固基础知识的学时删减了.类似于这种课程的课时删减是无可厚非的,但是这也给教授这类课程的教师带来了全新的挑战,即：如何在删减课时的同时,利用先进教学方法和手段达到原有课程教学效果.为此,很多高校老师开展了基于虚拟仿真,即Virtual Reality（VR）技术的教学尝试和研究.杜红军等将VR技术应用于机械维修教学中,降低了教学操作的危险性和成本[1]；吴飞等开展了加工中心装拆试验的VR教学研究,提高了教学效率[2]；刘振侠等开展了VR技术在航空发动机建模和试验教学中的应用研究[3]；郭勇陈等对经管类实验课程中应用VR技术进行了总结和分析[4]；赵萌等开展了VR在实验教学系统中的实践研究[5]；等.根据有限的VR在教学中的实践研究文献可知,VR技术可以促进教学活动效率的提高和教学成本的降低.
本文以短学时本科机械类课程,即：由于课时删减,将原先巩固知识要点和拓展学生对机械感知的课内实验学时取消的课程,例如近机类机械设计基础课程,开展基于VR技术的课内实验教学实践研究.本次教学实践表明VR课内实验能够有效提升学生对机械的感知能力,能够弥补课内实验课时删减导致教学达成度不佳的缺憾.本次VR补充教学实践对促进传统专业基础课程课时的分配,以及教学质量的提升有着重要的帮助和促进作用.
二、VR的定义及分类
1989年,美国VPL公司创始人杰伦·拉尼尔提出了“虚拟现实”的概念,即：利用计算机模拟一个三维虚拟世界,为使用者提供包括听、视、触等模拟感知.“虚拟现实”是通过综合人工智能、并行计算、网络技术、计算机图形学等多种技术在计算机中构建一个尽可能接近现实世界的环境,并为使用者在触、嗅、视、听、味等方面提供身临其境的感觉.美国学者PhilippeCoiffet 和Burdea G在论文“Virtual Reality System andApplications”[6]中提及VR的三个特征,即：沉浸性、想象性和交互性.根据对“沉浸性”程度的认知,可将VR系统分成4类,即：桌面式、沉浸式、增强式和分布式.
1.桌面式系统.该类系统主要使用计算机、键盘、鼠标等外设,以显示器、投影仪等视觉输出设备为虚拟环境视窗,通过外设与系统的交互实现视窗中必要数据的输入和输出；该类系统也被称为“窗口虚拟现实系统”或“纯软件虚拟现实系统”.此类系统的沉浸性低,组织结构简单,成本低,易于推广普及.
2.沉浸式系统.该类系统主要利用3D眼镜或头盔显示器作为视觉输出设备,配合数据手套等外设进行观察和交互；该类系统通过封闭使用者的视觉、听觉及其他感觉,实现暂时性的真实环境隔离,从而帮助使用者进入虚拟空间；在虚拟空间中,使用者利用位置、数据手套等输入设备与系统进行交互,产生一种身临其境的感觉.此类系统一般需要专用设备,其推广较之桌面式系统成本更高.
3.增强式系统.该系统为沉浸式系统的感-触强化版,即：在传统“虚拟事物”的基础上增加“真实环境”效应,使得使用者不仅能够感触到真实环境中的物体,而且还可以把虚拟事物叠于真实物体之上.该系统可通过3D眼镜、头盔式显示器等,将计算机生成的图形与真实环境叠加,利用位置跟踪实现定位和物物重叠.此类系统不仅可减少复杂真实环境的分析数据,而且可以进一步提升使用者对真实环境的感受.此类系统需要搭建真实环境,虽然其系统开发和体验性均优于沉浸式系统,但是成本较之沉浸式系统有过之而无不及.
4.网络分布式系统.该系统的本质为独立分散的桌面、沉浸、增强式系统的网络联系版；该系统利用网络与其他使用者进行交互并共享信息；在这类系统中,位于不同地点的多个使用者能够同时参加一个或多个虚拟现实,且可以通过网络实现对虚拟现实的观察和操作,以达到协同工作等目的.该类系统可以实现分散、多环境协同的虚拟体验,是远程虚拟实现的技术基础.
三、VR补充教学实例
本次VR补充教学实践主要针对本科近机类短学时机械设计基础课程开展教学实践.由于课程学时的缩减,使得原本该课程中的课内试验教学学时被删减；经一段时间的教学活动后,发现学生对齿轮箱构造的教学认知效果不佳.为此,针对上述教学达成度,开展了短学时机械设计基础课程中齿轮箱装拆实验的VR补充教学实践.
近机类机械设计基础课程中齿轮箱装拆实验指导思想为[7]：
1.了解齿轮箱箱体结构.减速器箱体是用以支承和固定轴系零件,保证传动零件啮合精度、实现良好润滑及密封的重要零件.卧式减速器多以轴的中面为分箱面,将箱体分为箱座和箱盖两部分.
2.了解齿轮箱附件.①检查孔.为了检查传动零件的啮合情况,应在箱体的适当位置设置检查孔.检查孔通常设置在箱盖顶部能直接观察到齿轮啮合部位的地方.②通气孔及其部件.减速器工作时,箱体内温度升高,气体膨胀,压力增大；为不使润滑油沿分箱面或其他缝隙渗漏,通常在箱体顶部开始通气孔,并设置部件.③定位销.为保证齿轮箱每次装拆后,轴承座孔始终保持位置精度,应在轴承座孔加工前,在上、下箱盖的联接凸缘上配装定位销.定位销一般采用非对称布置用以加强定位效果.④油面指示器.为保证齿轮箱内润滑油的油量,一般在箱体便于观察、油面较为稳定的位置安装油面指示器.通常油面指示器分为油标尺和观察窗等.⑤放油孔及其部件.换油时,为了排放油污等,应在箱体底部,即油池最低处开设放油孔；不用时,需用带细牙螺纹的螺塞堵住；放油螺塞和箱体结合面处应加防漏垫圈.⑥启盖螺钉.由于齿轮箱剖分面上通常涂有密封胶,在拆卸时会造成箱盖和箱体分离困难.为此,通常在箱盖联接凸缘的适当位置加工1-2个螺纹孔,当分离时,可在螺纹孔中旋入平端螺钉,顶起上箱盖.⑦起吊部件.为了便于搬运,需要在箱体上设置起吊部件,如吊环螺钉、吊耳、吊钩等.⑧轴承端盖.轴承端盖分为凸缘式和嵌入式2种；凸缘式轴承端盖利用螺钉固定在箱体上；轴伸出的轴承端盖是通孔的透盖,盖中应安装密封装置.
3.了解齿轮箱的润滑和密封.当齿轮传动的圆周速度小于等于12米/秒时,通常采用浸油润滑,利用齿轮回转运动将润滑油带至啮合区实现润滑,此时轴承可采用飞溅润滑.此外,为了保证箱盖与箱体间无渗漏、输入和输出部件处无灰尘和杂质等进入,也需要进行密封.
针对齿轮箱装拆指导思想,在教学成本允许的条件下,利用SolidWorks Composer软件设计了齿轮箱装拆的桌面式VR交互系统,其部分界面如图1所示；VR补充教学按如下步骤,即：①将齿轮箱上下箱体间联接螺栓拧下；将轴承端盖和上箱体间的螺栓拧下；将轴承端盖和下箱体间联接螺栓松开；取下齿轮箱的上箱盖.②观察齿轮箱结构、润滑方式、零件在轴上的固定方式等.③将轴承端盖取下；分解传动轴,观察齿轮和轴的联接方式.④将上箱盖的检查孔拆下；观察通气孔结构；观察导油槽、定位销、油面指示器、放油螺塞、启盖螺钉、起吊部件等的结构.⑤按反向顺序安装齿轮箱.开展教学活动实践.
四、教学实践效果分析
本次教学实践中开发的齿轮箱装拆桌面式VR系统,虽然沉浸性低,但是实现了与传统动画演示教学的本质区别,即：学习中虚拟齿轮箱装拆交互性差的问题.在所开发的VR系统中,学生利用鼠标和菜单给出齿轮箱装拆指令,系统按设计流程完成部件装拆,同时实现装拆后零部件自调整观察；通过感、视觉效应,将学生投入到齿轮箱虚拟装拆环境中.这种学习中的交互产生的想象性,即自主认知,使得教学达成度获得质的提高.
因此,本次教学实践不仅促进学生对新技术的认同感,更为重要的是提高了学生基础知识学习的感性和理性认识以及创新的能力.
五、结论
针对短学时机械设计基础课程开展VR教学实践研究,提出了课内试验的VR补充教学方案,开发了基于SolidWorks Composer软件的齿轮箱装拆桌面式VR交互系统.本次教学实践结果表明：
1.VR教学可以使得学生在学习过程中产生与真实环境一致的感受,从而使过程变得生动,且易于理解和操作.
2.VR教学要求师生共同参与,增加了互动性和课程内容的新颖性,可以有效地将学生的被动学习转化为主动学习,增强学生的学习兴趣和积极性,促进了学生的发散性思维,并有利于创新能力的培养.
3.VR补充教学能够提高实验效率、减少实验资源短缺等难题；提高了实验设备利用率,降低了实验室建设成本.
本次VR教学实践将为VR技术在机械类本科教学活动中的应用提供良好的借鉴和帮助.
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