工艺夹具VR认知实验设计与应用

杨振宇 赵国勇 李玉胜 李志永 赵庆志

摘要：针对传统工艺夹具拆装认知实验的多样性、局限性和安全性问题，通过IdeaVR虚拟现实软件设计了工艺夹具VR拆装系统。教学实践表明，工艺夹具VR认知实验系统不仅可以克服传统工艺夹具拆装实验的现存问题，而且可以扩大学生工艺夹具的知识面，促进学生对新技术的认同感，提高学生学习兴趣，拓展学生的创新能力，教学达成度良好。

关键词：工艺夹具;VR;认知实验

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）36-0273-02

随着世界科学技术的不断更新发展，新媒体技术在教育教学过程中的应用越來越广泛。工艺夹具是工科课程机械制造工艺学、金属切削机床概论和机制制造技术基础等课程的重要知识点，工艺夹具的认知效果对课程其他知识点的掌握存在较大影响。由于工艺夹具种类繁多，想让学生认知尽可能多的工艺夹具结构，往往需要很多的实验室空间，利用新技术改革传统教学方式已成为必然趋势。因此，利用虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）可以让学生通过使用VR眼镜、头盔、数据手套和鼠标等传感设备，进行实时交互，感知和操作虚拟环境中的各种对象，身临其境地进行相关操作，充分调动学习积极性。

一、课程中工艺夹具认知的现状

工艺夹具的课程内容是机械设计制造及其自动化、车辆工程、农业机械化工程专业相关课程必不可少的知识点，也是学生走上工作岗位必然会接触的一种装置，其重要性不言而喻。当前，大多数课程对工艺夹具内容的认知，主要通过以下方式进行：三维模型爆炸图展示、实物拆装视频展示、实物现场展示。以上教学方法存在以下问题：占用场地大;只能统一展示，学生无法动手实验;存在一定的安全隐患。以至于课程开设这类实验时很慎重，从而影响学生对这部分知识的认知，教学效果受到较大影响，需要改进。随着计算机技术的不断发展，VR技术在教育教学领域得到不断应用。工艺夹具种类多，形式繁杂，特别适合采用VR技术让学生进行认知实验，这样既可以在节省实验空间的情况下让学生掌握更多的知识，也可以提高学生学习的积极性。

二、工艺夹具VR认知实验设计

针对现有工艺夹具认知实验过程中存在的问题与困难，结合上海曼恒IdeaVR系统对工艺夹具虚拟现实认知实验进行设计，设计内容包括：实验大楼场景设计、工艺夹具拆装认知实验室设计和快捷操作系统设计。

（一）实验大楼场景设计

为了让实验更贴近人的直觉感官效果，学生进入实验的首幅界面如图1（a）所示，图中有实验大楼、LO-GO标志、树木、草地和水池。俯瞰实验大楼，其建筑结构采用“工”字形结构，体现工学特点。实验大楼正面镶嵌学院名称和楼号，内部有四层，每层设有20间实验室。每间实验室用来完成某一工艺夹具的拆装认知实验。

（二）工艺夹具拆装认知实验室设计

为了能够将VR实验室场景与现实场景贴近，让学生在完成一次实验的过程既可以进行夹具结构认知，又可以对学生的这次实验提供评价。如图1（b）所示，将实验室内部结构设计为以下部分组成：工艺夹具拆装工位部分，主要采用长条桌作为拆装工作平台，平台上放置各种拆装工具和被拆装工艺夹具，在该拆装工位的可见区域内，有一个“拆装动画”按钮，在工艺夹具拆装之前点击该按钮查看夹具的拆装动画;工艺夹具结构PPT展示部分，在实验室的前方墙面上，学生通过操作手柄按键实现PPT的翻页，浏览该工艺夹具的相关理论知识;工艺夹具知识点考核部分，也在实验室的前方墙面上，学生完成工艺夹具拆装后，需要在此处完成答题，系统根据学生答题情况自动判分;工具箱在实验室墙角一侧，用来存放各类工具;工艺夹具拆装认知操作流程和注意事项部分放置在实验室的后墙上，由三块公告牌组成，展示工艺夹具拆装实验的注意事项、实验室规程和操作流程说明，既有利于让实验室环境与现实环境一致，也有利于学生掌握虚拟拆装实验的操作流程。

（三）快捷操作功能设计

由于工艺夹具虚拟拆装整体环境设计占用空间很大，VR系统设计软件在环境平移、旋转和缩放过程中，不是很灵活。为了实验时便于学生操作，通过视角编辑、动画编辑器和交互编辑器，对每一个实验室设计可以快速切换进入实验环境的快捷按键。

三、工艺夹具VR认知实验的应用与成效

为了让学生更好地认知工艺夹具的结构和功能，开发虚拟现实实验设计。如图2所示，在搭建的VR硬件系统中，将设计好的工艺夹具VR认知实验形成3D画面。学生戴上3D眼镜，手持遥控手柄，在3D场景中对工艺夹具进行拆装、翻转、移动和复位操作。操作过程中，掌握工艺夹具各部件的名称和功能、各零部件间的配合关系、传动部件间的传动关系和驱动方法。

通过工艺夹具VR认知实验实践，获得以下成效：（1）克服传统工艺夹具拆装实验的局限性，扩展工艺夹具拆装实验的内容和种类，扩大学生工艺夹具的知识面;（2）促进学生对新技术的认同感，提高学生学习兴趣、基础知识学习的感性认识，拓展机械设计创新能力;（3）学生实验过程中的视觉和感觉效应的交互操作，有利于提高其自主认知的想象力，增强教学达成度和创新意识。

四、结语

针对当前工艺夹具认知实验开展存在的问题，借助教学信息化研究与改革项目实践，融入虚拟现实教学方法，本文提出

基

于ldeaVR的工艺夹具VR拆装实验室。在虚拟实验融入课程后，学生的学习积极性有了很大提高，增强了动手能力，将理论知识结合实践，锻炼综合分析和设计能力。