【摘""要】機構(gòu)搭建是“機械設(shè)計”課程的基礎(chǔ)性實驗。傳統(tǒng)的實物實驗存在生均設(shè)備少、搭建耗時長、過程評價不全面、無法滿足疫情等突發(fā)情況下的教學(xué)需求等問題。文章以全過程實驗考核為目標(biāo)，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建基于Unity3D的平面機構(gòu)搭建三維可視化交互場景，聯(lián)動MySQL、Excel軟件構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，開發(fā)出集在線學(xué)習(xí)、虛擬搭建、運動仿真及綜合考核“四維一體”的虛擬實驗教學(xué)平臺，不限時、多維度為師生提供沉浸式實驗教學(xué)服務(wù)，提高了實驗教學(xué)效果，降低了實驗成本，為新工科應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供了有效途徑，也為機械類虛擬實驗教學(xué)改革提供了參考?！娟P(guān)鍵詞】“機械設(shè)計”課程；機構(gòu)搭建；虛擬實驗；Unity3D一、引言“機械設(shè)計”是工學(xué)機械類及近機類專業(yè)必修的一門學(xué)科基礎(chǔ)課程，具有授課班級多、學(xué)生人數(shù)龐大等特點[1]。實驗教學(xué)是“機械設(shè)計”課程體系的核心組成部分，也是新工科背景下應(yīng)用型人才培養(yǎng)的有力抓手，在學(xué)生工程意識培養(yǎng)及創(chuàng)新能力提升方面發(fā)揮著重要作用[2-3]。但近年來，高校人數(shù)持續(xù)增加，教學(xué)經(jīng)費及師資投入不足，導(dǎo)致“機械設(shè)計”課程傳統(tǒng)實物實驗生均設(shè)備少，有效實驗時間被壓縮，學(xué)生限于流水式的實驗教學(xué)模式，對實驗?zāi)康暮蛯嶒炘O(shè)備理解不透徹，實驗過程中動手機會少或僅觀看教師演示，且實驗指導(dǎo)教師沒有對學(xué)生進行全過程監(jiān)控，缺乏全面的綜合考核指標(biāo)，僅憑實驗報告評定成績，這些問題均制約了新工科應(yīng)用型人才的培養(yǎng)[4]。特別是面對突發(fā)的公共安全事件（如新冠肺炎疫情）時，傳統(tǒng)實物實驗項目幾乎無法開展，嚴(yán)重影響了“機械設(shè)計”課程的教學(xué)進度。虛擬現(xiàn)實是一種人機交互式計算機系統(tǒng)，能為用戶提供身臨其境的仿真空間，具有沉浸感、交互性和構(gòu)想性等特點[5-9]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠重塑實驗教學(xué)形態(tài)，突破傳統(tǒng)實物實驗的弊端，從實驗時間、操作形式、實驗深度、過程監(jiān)控等方面大大提高實驗教學(xué)質(zhì)量，已成為高校實驗教學(xué)改革的主流方向[10-14]。同時，教育部明確提出推進課程改革創(chuàng)新，而虛擬仿真實驗平臺是信息化實驗教學(xué)體系的關(guān)鍵，應(yīng)在普通本科院校大力開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作[15-16]。基于此，文章以“機械設(shè)計”課程中的機構(gòu)搭建實驗為對象，以全過程實驗考核為目標(biāo)，運用Unity3D軟件，構(gòu)建集在線學(xué)習(xí)、虛擬搭建、運動仿真及綜合考核“四維一體”的虛擬實驗教學(xué)平臺，不限時、多維度為師生提供沉浸式實驗教學(xué)服務(wù)，為新工科應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供有效途徑，也為機械類虛擬實驗教學(xué)改革提供參考。二、開發(fā)流程本虛擬實驗教學(xué)平臺以“機械設(shè)計”課程中常見的平面連桿機構(gòu)和典型的機械傳動裝置為對象，按照程序開發(fā)的基本原則，將開發(fā)流程分為準(zhǔn)備、設(shè)計、搭建和驗證4個階段。（一）準(zhǔn)備階段了解各機構(gòu)的組成和工作原理，對各個零件進行詳細(xì)測繪，利用UG、Solidworks等專業(yè)建模軟件對零件進行三維實體建模，并對模型進行編號和渲染，同時收集和整理各個零件和機構(gòu)的簡介及所含知識點，包括文字、圖片和視頻等信息。（二）設(shè)計階段從“機械設(shè)計”基礎(chǔ)課程實驗項目中選取若干經(jīng)典機構(gòu)，對各個零部件進行干涉檢測，裝配出完整機構(gòu)并確定運動方案，創(chuàng)建典型運動機構(gòu)的模型數(shù)據(jù)庫。（三）搭建階段在Unity3D軟件上構(gòu)建機構(gòu)搭建虛擬實驗教學(xué)平臺，將素材導(dǎo)入到項目文件中，編寫各種功能的腳本，利用Unity3D自帶的動畫制作引擎對搭建的模型進行動畫仿真，觀察、分析并加以完善，創(chuàng)建基于Excel和MySQL的數(shù)據(jù)庫。（四）驗證階段查找并修正場景漏洞，將所有場景連通，設(shè)置好Unity3D的相關(guān)參數(shù)，發(fā)布至電腦客戶端，將程序發(fā)送給用戶測試，依據(jù)建議完善并推廣。三、機構(gòu)搭建虛擬實驗教學(xué)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)（一）功能模塊機構(gòu)搭建虛擬實驗教學(xué)平臺包含多個功能模塊，按照操作順序依次為賬戶注冊與登錄、實驗?zāi)康呐c要求、零件庫學(xué)習(xí)、機構(gòu)搭建、運動仿真、知識點學(xué)習(xí)、答題、實驗報告等。學(xué)生循序漸進，由淺入深，全流程完成實驗項目，教師則多維度考核學(xué)生知識的掌握程度。（二）機構(gòu)裝配場景的實現(xiàn)使用UI按鈕控制零件在場景中的生成，通過鼠標(biāo)點擊選中零件并通過鼠標(biāo)拖動及虛擬人物的移動實現(xiàn)零部件在3D空間里的位移，當(dāng)零件位移到正確位置時即可自動吸附好，實現(xiàn)裝配功能。為提高難度，對部分步驟加入了干擾項，讓學(xué)生判斷是否安裝正確，系統(tǒng)根據(jù)結(jié)果進行評分。①零件的生成。虛擬實驗教學(xué)平臺的所有UI界面均采用UGUI進行設(shè)計開發(fā)。首先，在場景中創(chuàng)建一個UI畫布并為其創(chuàng)建圖片、文本和按鈕等UI組件子物體若干個；其次，將按鈕的圖像與文本設(shè)置為對應(yīng)零件的圖片與名稱；最后，編寫通過點擊按鈕在場景的固定位置生成對應(yīng)零件的腳本。②零件碰撞器的選擇。檢測零部件是否被鼠標(biāo)單擊選中或與其他零部件通過接觸進行互動，需要通過Unity的碰撞事件來實現(xiàn)。對于凸面較少、結(jié)構(gòu)簡單的零件可采用網(wǎng)格碰撞體MeshCollider，此類碰撞器形狀貼近模型，使用起來更為精確和真實，但計算量也會大大增加，若設(shè)置過多可能造成設(shè)備卡頓，所以，對于復(fù)雜的模型可使用盒子碰撞器（BoxCollider）和球體碰撞器（SphereCollider）等并設(shè)置成接近模型的大小。③零件自由拖動與安裝。訓(xùn)練模式中，通過腳本讓零件的復(fù)制體實現(xiàn)閃爍的效果，然后將復(fù)制的零件全部隱藏，留下第一個要安裝的零件。零件的裝配順序根據(jù)實驗要求提前設(shè)置，當(dāng)上一個零件正確安裝后會觸發(fā)下一個要安裝的零件的復(fù)制體在顯示屬性中打開，從而實現(xiàn)提醒學(xué)生這一步該安裝哪個零件、在哪里進行裝配的功能。而在考核模式中則將所有復(fù)制體的不透明度設(shè)置為0，并添加若干個隱藏的碰撞體作為干擾，當(dāng)學(xué)生拖動零件移動到對應(yīng)的位置，零件的碰撞器與其復(fù)制體的碰撞器或其他干擾的碰撞體發(fā)生碰撞時，會觸發(fā)一個考核事件，讓學(xué)生選擇是否確認(rèn)這樣安裝。若選擇正確安裝但與錯誤的碰撞體發(fā)生了碰撞則顯示安裝失敗并扣除一定分?jǐn)?shù)，隨后零件回到默認(rèn)位置需重新裝配；若正確碰撞并確認(rèn)則顯示安裝成功并增加一定分?jǐn)?shù)，隨后零件坐標(biāo)移動到正確位置并固定，從而實現(xiàn)裝配。④操作提示功能的實現(xiàn)。為在普通訓(xùn)練時適當(dāng)?shù)亟档痛罱ú襟E的難度，并起到指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)該機構(gòu)如何裝配的作用，虛擬實驗教學(xué)平臺加入了操作提示，通過文本提示用戶當(dāng)前步驟該安裝哪個零件。首先，為不同的機構(gòu)各創(chuàng)建一個編碼格式為UTF-8的.txt文本文件，并根據(jù)機構(gòu)裝配的基本原則整理好每個機構(gòu)的零件裝配順序，一個步驟一個零件，每記錄完一個零件就換行。其次，把文本文件都導(dǎo)入到Unity中并編寫讀取其文本的腳本ReadText，程序運行時將會生成一個臨時的列表并會把文本內(nèi)容按行輸入到列表的不同行中，并在安裝行順序時賦予每個零件一個序號。當(dāng)前零件安裝完成后，將讀取“序號+1”即可調(diào)取下一步待安裝零件，再結(jié)合Unity的文本組件在畫面中實現(xiàn)操作提示。⑤得分功能的實現(xiàn)。設(shè)計了2種得分系統(tǒng)，第一種是該機構(gòu)各個裝配步驟的得分，不需要根據(jù)難度區(qū)分，每步的分值相同，因此，該機構(gòu)每步分值均為滿分一百除以步驟數(shù)，而步驟數(shù)可通過獲取臨時列表的行數(shù)得到。第二種則是手動輸入每步的加分值和扣分值，對于難度比較大，特別是對知識點能起到考核作用的步驟可以增加其得分值，凸顯該步驟的重要性和考核性。當(dāng)目標(biāo)零件正確安裝后其模型在場景中所在的圖層（Layer）會由一開始默認(rèn)的普通圖層（Default）轉(zhuǎn)為忽視射線的圖層（IgnoreRaycast），轉(zhuǎn)換后將固定好位置不再受射線影響，也不會再被鼠標(biāo)點擊選中發(fā)生位移；同時，當(dāng)檢測到該零件轉(zhuǎn)換好圖層后，將調(diào)取得分腳本文件，通過函數(shù)實現(xiàn)加權(quán)加分。若需要增加難度，對特殊步驟還可以增加做錯扣分的考核功能，為避免因用戶不小心裝配錯誤而造成多扣分，在該功能開啟的情況下，當(dāng)零件模型與正確目標(biāo)的碰撞器或干擾項的碰撞器發(fā)生接觸后會生成一個彈窗，其組件會獲取當(dāng)前零件碰撞器的名稱及與其發(fā)生接觸的碰撞器的名稱，用戶根據(jù)顯示的文本點擊確定或取消按鈕。取消則會調(diào)取腳本中相關(guān)函數(shù)，將零件的三維空間位置坐標(biāo)修改回初始位置且不進行加減分的操作。確定后系統(tǒng)將檢測零件接觸到的碰撞器是否為該零件預(yù)先設(shè)置好的正確目標(biāo)的碰撞器，如果是則執(zhí)行前文提到正確安裝時的結(jié)果，裝配好且增加分值；如果不是則與點擊取消按鈕時一樣回到初始位置，但會扣掉設(shè)置好的分值，以實現(xiàn)考核的功能。（三）零件庫學(xué)習(xí)功能的實現(xiàn)為了能更全面、仔細(xì)地觀察零件的細(xì)節(jié)，虛擬實驗教學(xué)平臺通過在場景中長按鼠標(biāo)操控觀察零件的視角。具體思路為：獲取點擊鼠標(biāo)時移動的方向與距離，適當(dāng)調(diào)整參數(shù)后轉(zhuǎn)換為主攝像機位置和旋轉(zhuǎn)軸的參數(shù)，使攝像機畫面在拖動鼠標(biāo)時能以模型為中心發(fā)生旋轉(zhuǎn)和位移，觀察到模型的各個角度。此外，創(chuàng)建一個UI文本組件，并為各個零件創(chuàng)建一個UI按鈕，當(dāng)點擊該零件的按鈕時首先會隱藏目前顯示在場景中的零件，接著執(zhí)行將該零件顯示出來的方法，同時文本組件會獲取到預(yù)先輸入好的該零件的文字介紹并顯示在文本框內(nèi)讓用戶閱讀學(xué)習(xí)，進一步加深對該零件的了解。（四）答題系統(tǒng)的實現(xiàn)基于Excel表格存儲題庫、EPPlus插件讀取題庫設(shè)計答題系統(tǒng)。將題庫統(tǒng)一在Excel中整理成1行題干+4行選項，并將正確答案寫在題干右邊一列。在答題系統(tǒng)的場景中創(chuàng)建題干文本及相關(guān)選項的UI組件并編寫腳本。當(dāng)答題系統(tǒng)運行時，Excel表格中的內(nèi)容每次會提取5行，第1行內(nèi)容被題干UI組件獲取，而另外4行則會被4個選項按鈕獲取。為提高隨機性，使每次作答時答案順序不一樣，避免出現(xiàn)用戶記答案順序而直接作答的情況，讀取完題干后4行選項順序不與Excel表格中的一致，而是在讀取時根據(jù)選項數(shù)量確定1個區(qū)間[1，4]，然后在區(qū)間內(nèi)隨機生成1個整數(shù)，該隨機數(shù)行的選項將被讀取出來，接著繼續(xù)在該區(qū)間內(nèi)剩余數(shù)字中隨機生成1個整數(shù)，重復(fù)上述步驟直至讀取完所有選項。用戶在點擊某選項的按鈕后，系統(tǒng)會獲取該按鈕的文本內(nèi)容，與正確選項進行對比，若完全一致則作答正確，執(zhí)行加分代碼；若不一致，則執(zhí)行扣分代碼。這一環(huán)節(jié)實現(xiàn)了答題和評分的功能。（五）其他場景的實現(xiàn)除了機構(gòu)裝配和答題功能，虛擬實驗教學(xué)平臺也設(shè)計了實驗?zāi)康?、實驗要求、每個機構(gòu)知識點學(xué)習(xí)、觀看機構(gòu)運動仿真視頻等場景，豐富了平臺的應(yīng)用環(huán)境。實驗前，學(xué)生需要認(rèn)真閱讀實驗?zāi)康呐c要求，了解實驗內(nèi)容，同時為避免學(xué)生直接跳過該步驟，加入了時間約束，即用戶至少在設(shè)置好的要求時間過去后才可以切換到下一個場景，否則生成彈窗提醒“請先完成本模塊的學(xué)習(xí)”。在機構(gòu)搭建完成后，學(xué)生可以查看該機構(gòu)的運動仿真視頻及相關(guān)知識點，全面了解機構(gòu)特性，為后續(xù)答題做準(zhǔn)備。四、結(jié)束語機構(gòu)搭建虛擬實驗教學(xué)平臺能夠多維度考核學(xué)生對機械設(shè)計理論知識的掌握程