虚拟现实技术助力工程制图教学课程-陆建勋博士

2021-01-15

工程制图课程是一门基础课程,传统教学主要以直尺、圆规、图板为工具进行手工绘图,教学的重点主要放在平面投影的画法、二维工程图样绘制和阅读能力上。作为体现工科特点的入门课程,已有多年的历史,也是工科学生必须学习的专业基础课程之一。二维工程图是生产中必不可少的技术文件,是在世界范围通用的“工程技术的语言”。正确规范地绘制和阅读二维工程图是一名工程技术人员必备的基本素质。近年来,伴随着计算机辅助设计(CAD)的发展,三维绘图软件如(UG、Pro/E、SolidWorks等等)进行工程图样的制作也被引入课堂教学,与传统绘图方法不同的是在计算机软件中先完成3D模型,再转换为二维工程图并出图。计算机绘图在培养学生创造性思维基础的空间想象力及构思能力和促进工业化进程等诸多方面发挥了重要的作用。

然而,项目申请人在教学的过程中也发现这样的情况,即教师对组合体的教学无论怎样倾心、尽力,学生无论怎样努力地学和练,有些人还是过不了这一关,(突出表现在看图能力上)。原因何在呢?其症结主要表现在:学生想象能力差,没有建立起空间概念,无法正确完成从空间到平面、再由平面到空间的转换。根本原因是教学手段单一,教学方式不直观,无法提升学生的空间想象力和创造力。与此同时,随着国家推动创新驱动发展,实施“一带一路”、“中国制造2025”、“互联网+”等重大战略,以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展,对我国科技创新型人才的培养提出了更高、更新的要求。因此,迫切需要对传统的工程制图教学手段和教学方式进行改革创新。

虚拟现实技术(Virtual Reality)是利用三维图形技术、多媒体传感交互技术以及高分辨显示技术,生成逼真的三维虚拟现实环境;使用者可以戴上特殊的头盔和特殊的数据手套等传感设备,或者是利用鼠标、键盘等输入设备,在进入虚拟空间后,成为虚拟环境中的一员,沉浸在虚拟环境中,进行实时交互,感知和操作虚拟环境中的各种不同的对象,从而可以获得身临其境的感受和体会。虚拟现实技术包括计算机图形处理技术、人工智能技术、传感器技术、多媒体技术等最新的研究成果,其人机交互的操作环境和实时的三维空间表现力能让人身临其境;虚拟现实技术会随着互联网的普及,正逐渐成为现代产品开发的主要手段之一。目前,国内外在虚拟现实+体感交互技术方面的研究领域,典型代表性的虚拟装配系统有华盛顿州立大学的VADE系统、清华大学的VASS虚拟装配训练系统、浙江大学的VD-VAS系统等。这些系统主要使用了虚拟现实、增强现实、虚实融合等技术,在人机交互方面效率高、沉浸感强。

将虚拟现实技术(Virtual Reality)和工程制图课程的学习有机结合在一起,具有十分重大的实际意义。学生可以将自己设计的产品(无论结构多么复杂)导入到虚拟现实技术的软件当中,3D产品的设计效果,学生可以从任意一个角度观察;零件的装配位置发生干涉或者组合体内部结构不清楚、表达不清楚的,学生可以很方便地观察与修改。一方面可以提高学生的空间思维能力和设计创造能力,让学习不再枯燥乏味,达到教学效果;另一方面可以贴近企业应用需求,学生可以充分的参与到产品的设计中来,保证产品设计的准确性和设计效率,大大的减少因沟通障碍导致的损失。

伴随着5G技术走进校园,新颖独特的虚拟现实技术必将为传统工科课程教学带来新的助力和新的挑战,也必将成为培养具有国际视野和工匠精神的工程人才的宝贵方法。