工程制图虚拟现实课件的构建

时间:2019-09-27

　　0引言
　　
　　工程制图是职业院校重要的一门专业基础课，是学习其他专业课程的先导课程，尤其对于机械专业学生而言，不掌握一定程度的识图知识，不具备一定的绘图能力，对于后续的专业课程学习将举步维艰。工程制图主要培养学生的空间想象能力及形象思维能力，教学过程中主要提高学生的识图及绘图能力，而空间想象及形象思维能力的培养，与注重逻辑思维能力培养的课程不同，需要通过空间的、立体的图形对学生反复强化训练。
　　
　　利用虚拟现实技术开发工程制图虚拟现实课件，是对制图教学方法的一次创新，其目的是改变以往传统的教学方法，为学生提供类似于玩游戏形式的具有交互性、沉浸感和趣味性的教学课件，让学生能够自主学习，让教师的教学更能够有的放矢，并根据不同的学生制定不同的虚拟学习场景，从而提高教学效果[1].
　　
　　1工程制图当前的教学特点
　　
　　传统上的工程制图的教学方法，主要以教师的讲授为主。
　　
　　教学过程中，教师为了达到教学目标要求，会编制课程教学大纲，课前会备课、准备教案，课上主要利用规板、挂图、实物模型等组织教学。
　　
　　近年来，随着信息技术的发展，工程制图的教学模式也发生了较大改变，目前，PPT、CAI课件广泛应用到了教学过程中，但在使用过程中，也逐渐发现了一些问题[2]:
　　
　　（1）PPT、CAI课件主要应用于教师的教学，对于学生的主动参与性学习不够。
　　
　　工程制图课件的制作过程，主要是辅助教师教学使用，整个制作的思路以教学过程为主要线索，就算是学生自主学习该课件，仍然离不开整个课件的教学逻辑主线。
　　
　　（2）课件制作过程中过于个性化，通用性不强。
　　
　　在制作工程制图PPT、CAI课件过程中，大多是以某一本教材为脚本展开，较好地配合某个专业的教材，但应用于其他专业其他教材时通用性较差。
　　
　　（3）“互联网+”技术应用不够，不利于学生利用片段化时间学习。
　　
　　从PPT、CAI课件的组织形式来看，通常采用基于图片或图片帧的设计思想，将知识、图形等信息组合在一起，再按照一定的流程播放，整个过程虽应用了电脑技术，但 “互联网+”的技术应用很少，课件的网络化、智能化应用不够。
　　
　　目前，智能手机已普及，课件的网络化有利于满足学生随时随地学习的需要。
　　
　　（4）课件的互动性不强，对学生吸引力不足。
　　
　　目前的PPT课件主要是单页播放，而CAI基于单帧或多帧的连续播放，在教学过程中，与学生的互动均不多，对学生吸引力不足。
　　
　　高职院校的部分学生对传统意义上的教学模式不感兴趣，为了能够吸引他们，需要更进一步加强互动，融入较新的元素。
　　
　　2虚拟现实技术的基本特征

      1993年，美国科学家Burdea G和Philippe Coiffet在世界电子年会上发表了一篇题为 《Virtual Reality System and Applications》的文章，提 出 了 “3I三 角 形 ”, 即 交 互 性 （Interaction）、 构 想 性（Imagination）和沉浸性 （Immersion）[3、4].
　　
　　交互性是指软件或课件对用户有实时的反馈，并且使用者能对虚拟环境进行有效操作；构想性是指可向用户提供一定的想象空间，用户对软件或课件中虚拟环境的物体进行操纵与观察，加深其对该知识的认识和理解，并进一步启迪新的构思；沉浸性指让用户能完全沉浸在电脑给出的虚拟世界中，甚至难辨真假。
　　
　　当三者同时具备时，如图1中心区域所示，则理解为较高意义上的虚拟现实，现阶段虚拟现实技术主要包含两个部分以上。
　　
　　3工程制图虚拟现实课件的基本思路
　　
　　在构建工程制图课件过程中，首先考虑的是方便学生的预习和复习。虚拟现实课件根据课程内容，按知识点分割成一个个小的模块，将每一个小的模块设计成一个小的场景，学生在学习某一章之前，可以进入到模块中进行预习，每个章节类似于游戏模块，学生可以操作虚拟角色在场景中漫游，完成上一个任务后才可以进入下一个任务，只有在预习完成后，才可以进入下一个模块，这样确保了学生在学习下一个知识点前，已完成了上一个知识点的学习，并在软件模块中通过了测试。
　　
　　制图教学中，实物模型是重要的教学辅助手段。
　　
　　将经典的实物模型电子化，让模型在计算机中真实重现，通过软件进行参数化控制，可以将传统的实物制图模型无法表达的空间自由旋转、尺寸参数连续变化的效果进一步实现，最终利用网络技术在因特网上发布，让学生的观察突破时间和地域的限制。
　　
　　因此，在工程制图虚拟现实课件规划设计中，可以将实现网络远程教学、提高学生教学过程互动性、增强教学过程游戏趣味性作为设计的主要考虑点。
　　
　　3.1实现网络实时教学
　　
　　虚拟实验技术是多学科技术综合应用发展的产物，随着 “互联网+”不断广泛应用，计算机水平的不断提高，网络带宽的不断增加，虚拟实验技术已完全具备应用在互联网中的条件，实现实时的网络操作和学习。
　　
　　在虚拟现实课件开发过程中，网络技术的应用，可以突破时间和空间的限制。
　　
　　课前，学生可以利用片段化的时间，有效地预习课程内容；课堂上，教师可以结合虚拟现实课件，充分调动学生的学习热情，并能够实时观察到各个学生的学习状况，有的放矢地辅导学生，学有余力的学生可以进入更多的模块学习新知识，学有困难的学生可以反复学习不扎实的知识点，通过这种方式可以让所有学生都能够提高自身的学业水平，掌握基本的知识要求；课后，学生可以通过网络进行复习，完成教师设置的知识场景，巩固所学知识。
　　
　　对于难于表现的模型，在虚拟现实课件中也可以方便地表达出来，虚拟现实技术颠覆了我们观察事物的方式，小至原子粒子，大到宇宙天体，学生都可以进入到其内部或凌驾于其上进行观察，这是传统课件所无法比拟的。
　　
　　实现虚拟现实课件的网络化，主要注意以下几个方面[5]:一是较大的网络带宽，虚拟现实课件中的模型及场景采用了较多的参数化模型及图片贴图，在网络传输过程中需要较高的网络资源，随着网络技术的日益发展，4G技术的普及应用，网络带宽不再成为制约虚拟现实技术网络化的瓶颈；二是网络平台运行的可靠性和安全性，实现不受时空限制的网络学习，需要全天候稳定安全运行的网络系统，需要具备定期备份重要数据的功能，需要定时的系统维护；三是虚拟现实课件的可拓展性，在学生学习过程中，场景的可拓展性尤其重要，可以不断地扩大学习的知识点；四是统计学生学习情况的功能，系统具备一定的统计功能，并能够出具学生学习情况报告，可为教师的教学提供重要支撑。
　　
　　3.2提高教学过程中的互动性
　　
　　虚拟实验的设计应注重交互性。互联网上的互动有多种类型，大致可分为两种类型[6]:一是人与讯息的互动；二是人与人的互动。虚拟现实技术本身为人机间交流提供了基础，网络技术为学生间、师生间的交流提供了可能。平时授课过程中，大家同在一个教室里，为师生的互动提供了空间。期间，互动的主体是教师和学生，而课件作为双方互动的媒介之一。整节课看似交流很多，其实是教师的互动多，每个学生的互动却非常有限，学生往往是被动地回答问题。
　　
　　在心理学上，人与人交流过程中，往往有些怕错情绪，尤其是学生面对面与教师交流过程中，越是对知识掌握不牢靠的学生，越是容易存在交流的心理障碍，反而更担心被提问或回答问题错误，反而影响师生间的互动，这种心理上的交流障碍实际上造成了虽然在课堂没有 “物理上”的距离，但对于学习者而言，增加了 “心理上”的距离[7].
　　
　　利用虚拟现实课件授课过程中，互动的主体为学生和虚拟现实场景。由于学生是与机器互动，所以克服了互动交流的心理障碍，为学生的学习提供了更好的保障。同时，教师作为一个监测者，主要辅导学习中遇到难题的学生，这个过程中，教师与学生的互动更具有针对性。通过这样的方式，促进学习效果的提高。
　　
　　3.3增强学习过程中的游戏趣味性
　　
　　虚拟现实课件与PPT、CAI课件最大的区别就在于虚拟现实课件中融入游戏化的学习理念，通过过关的模式完成一个个小知识的学习，在学习的过程中，有挑战、有奖励、有反馈，还能与他人互动，并有学习排行榜单，吸引学生的参与[8].增加学习中 “玩”的元素，充分调动学生的学习主观能动性。
　　
　　玩是人类的天性，尤其是对于部分学习能力不足的高职院校学生而言，通过在课件中增加 “玩”的元素，将学习的过程融入到游戏中，在潜移默化中完成学习任务，借助于消消乐、连连看等游戏设计理念，将工程制图的相关知识点融入其中，提高学生的主观能动性，让学生逐步掌握一些基础知识。真实还原各个知识点学习场景，确保知识点由易至难逐步展开。
　　
　　当前的课件多是平面图形或者静止的三维图形展示，学生在学习三视图的过程中，无法从各个角度观察，部分采用视频的课件，能多角度展示立体图形，但不能根据学生的意愿自由转动，学生没有手拿着立体图形各个角度仔细观察的体验，而虚拟现实课件中的立体图形提供了学生可以自由旋转和自由缩放的功能，学生在观察模型的过程中，可以任意角度观察，还原了最真实的看图学习过程，同时，为学生提供由易至难的多种模型，学生可以在学习基本图形时，绘制或选择出正确的线条后，可以进入稍难一些的模型中学习。
　　
　　增加学习中的引导线索，学习能力的经验值可累计增加。在部分场景中，用一定的故事情节串联起各个知识点，让学生在完成任务过程中学习知识，同时给予学生学习能力经验值的累加，激励学生不断的学习。
　　
　　对于学生学习较困难者，引导其完成较简单的任务，对于学习比较轻松的学生，引导其完成较复杂的任务。
　　
　　4工程制图虚拟现实课件总体结构规划
　　
　　将制图课件游戏化，其制作的主线是通过一系列任务来实现。
　　
　　在确保任务与课程知识点吻合的前提下，要特别设计一些模块和衔接任务，以保证学习过程的顺利完成，在任务的设计过程中，确保做到由易至难、由浅入深，符合学生的认知规律。
　　
　　其设想结构如图2所示，任务是整个场景的串联要素，辅以穿插合作模块、引导模块、监控模块、挑战模块及在线测试模块等。
　　
　　工程制图虚拟现实课件是基于计算机来生成的一种模拟真实环境的教学工具，学习者像玩游戏一样沉浸在课件系统中，体会到使用过程中的交互性、开放性、实时性、自主性和高效性。根据工程制图课程知识点的分布及教学特点，课件内容主要由四个方面组成，如图3所示。
　　
　　5结论
　　
　　虚拟现实课件可以提高学生教学过程互动性，增强教学过程游戏趣味性，实现网络实时教学，在一定程度上解决了模型设备数量太少、教学资金不足等问题，其灵活、直观、带有较强游戏性的特点，有利于高职院校学生的学习，并且能够根据学生的特点，为各个学生制定不同的学习任务，有利于教师的教学，更有利于学生的学习。
　　
　　参考文献：
　　
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　　[2]黄仕君。工程制图多媒体辅助教学系统研究 [D].河北：华北电力大学，2005.
　　
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　　[5]周琪锋。虚拟实验室的建设与应用探讨 [J].农业网络信息，2006,（8）：88-89.
　　
　　[6]胡民众。试论网络教育中的互动性 [J].南京社会科学，2006,（10）：135-136.
　　
　　[7]Moore M C.Theory of Transactional Distance In Keegan[M].London Rutledge:Theoretical Principle of DistanceEducation,1993.
　　
　　[8]马佳雯，童清颜。在虚拟实验室建设中融入游戏化学习概念 [J].实验室研究与探索，2008,27（10）：67-69.

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