虛擬教學(xué)是指以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為工具，對教學(xué)過程進(jìn)行基于計(jì)算機(jī)的仿真，生成能夠使學(xué)習(xí)者獲得知識、經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)場景。虛擬教學(xué)是一種現(xiàn)代化的教學(xué)方法，是現(xiàn)實(shí)教學(xué)的一種延伸。虛擬教學(xué)極大解決了現(xiàn)實(shí)教學(xué)過程中來自時間和空間的限制，使學(xué)習(xí)過程更加靈活。雖然虛擬教學(xué)與實(shí)際的“面對面”的教學(xué)過程相比還有很大差距，但是它所具有的資源共享、方便的特點(diǎn)很大程度上拓展了教學(xué)的時空，解決了教學(xué)資源及教師緊張的問題。
虛擬教學(xué)所提供的教學(xué)場景是具有沉浸感、可交互性、并能啟發(fā)操作者的仿真環(huán)境。在機(jī)械制圖課程中引入虛擬教學(xué)，可以為學(xué)生提供更多的零件模型進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生對機(jī)械產(chǎn)品裝配過程有更深入的了解，從而可以提高學(xué)生的圖形理解力，增強(qiáng)其空間想象能力，并激發(fā)工程創(chuàng)造力。因此，從1997 年至今機(jī)械制圖的教學(xué)人員對該內(nèi)容進(jìn)行了廣泛的研究，發(fā)表了很多這方面的論文。本文是在閱讀這些文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，第1 節(jié)指出機(jī)械制圖虛擬教學(xué)的主要研究內(nèi)容及虛擬教學(xué)系統(tǒng)的研究進(jìn)展；第2 節(jié)總結(jié)虛擬教學(xué)環(huán)境的研究進(jìn)展；第3 節(jié)討論機(jī)械制圖課程中虛擬教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)；第4 節(jié)對進(jìn)一步加強(qiáng)虛擬教學(xué)提出建議。

圖1 虛擬教學(xué)內(nèi)容
一、虛擬教學(xué)體系及主要研究內(nèi)容
機(jī)械制圖課程中的虛擬教學(xué)主要包括虛擬模型室、虛擬拆裝和測繪的研究，如圖1 所示。
虛擬模型室的建立主要作用是進(jìn)行模型展示。通過大量的模型展示，開闊學(xué)生眼界，提高機(jī)械產(chǎn)品認(rèn)知能力。其次，對照投影反復(fù)觀看模型，可以幫助他們更好地理解“空間———平面、平面———空間”的對應(yīng)統(tǒng)一關(guān)系，完善其對三面投影的認(rèn)識，幫助建立空間想象能力。再者，可以加強(qiáng)構(gòu)型方法的學(xué)習(xí)。在體驗(yàn)式教學(xué)中，使用參數(shù)化建模的方法，通過修改基本幾何體尺寸讓學(xué)生更好地理解了相貫的概念，以及相貫線的變化趨勢。]通過建立大量的三維虛擬模型，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行仔細(xì)觀察、分析，使得難以想象的空間形體抽象概念易于接受。虛擬模型室的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行零件的造型設(shè)計(jì)、系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計(jì)、以及模型的管理。
虛擬拆裝和檢測技術(shù)主要應(yīng)用在零件圖和裝配圖學(xué)習(xí)過程中。對減速器的工作原理進(jìn)行了動畫演示、說明，并提供了可以對減速器進(jìn)行虛擬拆裝的虛擬教學(xué)環(huán)境。學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上反復(fù)進(jìn)行減速器的拆裝，從而對減速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，零部件之間的相互連接、轉(zhuǎn)動的傳遞，正確的拆裝方法都有了非常深入的了解。
研究開發(fā)了可以進(jìn)行虛擬測繪的場景。包括扳手、鉗等拆裝工具的使用，游標(biāo)卡尺、螺紋尺等測繪工具的使用，和測繪過程的學(xué)習(xí)。實(shí)現(xiàn)這樣的虛擬教學(xué)系統(tǒng)除了要進(jìn)行模型的處理，還涉及到虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)，如碰撞、約束等內(nèi)容。
通過分析，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，筆者給出一個虛擬教學(xué)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。交互層包括可以進(jìn)行人機(jī)交互的硬件設(shè)備，并為虛擬教學(xué)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。功能層包括所實(shí)現(xiàn)的功能，而層和數(shù)據(jù)層為這些功能的實(shí)現(xiàn)提供。

圖2 虛擬教學(xué)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖
下面本文將對系統(tǒng)的核心內(nèi)容虛擬教學(xué)環(huán)境研究、虛擬教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)行重點(diǎn)說明。
二、虛擬教學(xué)環(huán)境的研究
根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所使用的虛擬設(shè)備和產(chǎn)生的沉浸感的不同，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以分為CAVE 式虛擬系統(tǒng)、頭盔式虛擬系統(tǒng)和桌面式虛擬系統(tǒng)。在機(jī)械制圖課程的虛擬教學(xué)中，所采用的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)均為桌面式系統(tǒng)，如圖3所示。這是因?yàn)闄C(jī)械制圖課程虛擬教學(xué)的主要目的是提高學(xué)生的圖形理解力，通過虛擬教學(xué)系統(tǒng)加強(qiáng)學(xué)生對零件測繪和機(jī)器部件裝配知識的了解。過多的虛擬硬件設(shè)備不僅增加了虛擬教學(xué)系統(tǒng)的成本，也會迫使學(xué)生花大量時間熟悉硬件使用，而忽略系統(tǒng)本身的作用。
虛擬教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建主要是基于各種虛擬平臺進(jìn)行如VIrtools、VRML、Cult3D 等。這些虛擬平臺可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁上建立交互的三維對象，通過鼠標(biāo)、鍵盤對三維對象進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放，同時也提供了事件、動作等屬性，以及基于JAVA 的開發(fā)接口，使得用戶可以完成更復(fù)雜的控制。基于VRML 的虛擬教學(xué)的實(shí)現(xiàn)流程，如圖4 所示。

圖4 基于VRML 的開發(fā)流程
除了上述幾種軟件，也有習(xí)慣于C 語言的用戶基于底層OpenGL 進(jìn)行虛擬教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)。
三、關(guān)鍵技術(shù)的研究
作為新興的研究內(nèi)容，虛擬教學(xué)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)等多個學(xué)科緊密相關(guān)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括仿真與可視化研究、CAD 模型的格式轉(zhuǎn)換、虛擬系統(tǒng)中零件的定位與約束、虛擬檢測、協(xié)同設(shè)計(jì)、人機(jī)交互等多個方面。
根據(jù)對虛擬教學(xué)的影響程度，下面對幾個重要的關(guān)鍵技術(shù)分別來進(jìn)行論述。
（一）虛擬模型及格式轉(zhuǎn)換
虛擬模型是虛擬教學(xué)的基礎(chǔ)，而機(jī)械制圖課程更是不能缺少立體模型的輔助。模型的好壞對終的教學(xué)系統(tǒng)影響巨大。目前大部分虛擬現(xiàn)實(shí)軟件都沒有強(qiáng)大的建模功能，因此仍然需要從CAD 軟件進(jìn)行造型，然后再通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，生成虛擬系統(tǒng)可以接受的文件格式，再進(jìn)行虛擬操作。
機(jī)械制圖虛擬教學(xué)中常用的CAD 軟件有Pro/E、Solidworks、Inventor、UG 等。在進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換時，有些軟件可以與相對應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行對接，如Pro/E 與Division Mockup虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，由于屬于同一公司開發(fā)，因此可以直接進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換；但是大多數(shù)軟件則需要開發(fā)專門的轉(zhuǎn)換接口或者以標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式為中間文件進(jìn)行格式上的轉(zhuǎn)換，如圖5 所示。
目前的虛擬教學(xué)研究，主要采用的是以標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接圖3 桌面式虛擬系統(tǒng) 口為中間文件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。相對于接口，該方法易于實(shí)現(xiàn)。
（二）虛擬環(huán)境中的約束與定位
在虛擬環(huán)境中進(jìn)行零件的測繪或者裝配操作，必須要進(jìn)行零件的定位，而虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境本身缺乏現(xiàn)實(shí)環(huán)境中存在的各種物理約束和感知能力，因此需要依靠自定義方式進(jìn)行定位。目前比較通用的定位模式是基于約束的定位，包括基于幾何位置約束的定位、基于碰撞的約束定位，以及基于裝配語義約束的定位。
基于幾何位置約束是指通過定義零部件的幾何坐標(biāo)位置進(jìn)行裝配，這種情況下會出現(xiàn)零部件的刺穿情況。而如果使用基于碰撞的約束，為零件設(shè)置合適的包圍盒，通過碰撞檢測算法對于可能碰撞的地方進(jìn)行計(jì)算，則可以提高系統(tǒng)的擬實(shí)性，這也是目前多數(shù)虛擬系統(tǒng)所用的定位方法。
（三）虛擬測繪
零件測繪是機(jī)械制圖課程的重要內(nèi)容。因此虛擬測繪也是虛擬教學(xué)的研究內(nèi)容之一。由于缺乏力反饋等虛擬硬件設(shè)備的支持，現(xiàn)在的虛擬測繪多數(shù)是對于選定點(diǎn)之間的坐標(biāo)計(jì)算，即首先確定需要測量的兩個點(diǎn)，之后計(jì)算兩點(diǎn)之間的坐標(biāo)差。該方法的本質(zhì)是點(diǎn)到點(diǎn)之間的距離測量，因此選取精度會直接影響測繪結(jié)果。

圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
四、結(jié)束語
虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種先進(jìn)的輔助教學(xué)手段，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和圖形理解力。近年來關(guān)于機(jī)械制圖的虛擬教學(xué)活動的研究，也取得了很大進(jìn)展。但如何提高系統(tǒng)的交互性，體現(xiàn)以學(xué)生為中心，增強(qiáng)學(xué)生在虛擬場景中的主觀性，促進(jìn)創(chuàng)新能力和精神的培養(yǎng)，鼓勵學(xué)生進(jìn)行協(xié)同操作，以及建立合理的虛擬教學(xué)評價(jià)機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究。