基于Unity的工程制图虚拟仿真实验室的建设

潘亚威，徐国栋

（西南林业大学 机械与交通学院，云南 昆明 650224）

工程制图是工程专用语言，“工程制图”课程在高等工科课程中，尤其是对机械设计类专业的学生来说，是一门重要的基础必修课，主要培养学生抽象思维能力和对构思空间图形概念的能力，而传统的工程制图教学与学习模式有诸多不便。随着计算机技术的飞速发展，虚拟现实技术的出现，以其沉浸式的虚拟环境给人一种身临其境的感官体验。

与传统的课堂实物教学相比，虚拟实验室不仅节约了教室空间成本，也节约了实验仪器设备的建设成本。对于传统教学可能存在的实验器材短缺、实物教具因学生上课人数而出现不匹配。无法实现多人同时在线实操演练等现象都可以完美解决。对于教学的实际需要，只需在电脑上实时设定，就可以让实验课程变得更加简单有效。只需一台电脑或移动设备，便可完成线上实验教学，大大减少了时间和空间成本。

在实验教学中，虚拟实验室同时利用多媒体数字影音动画播放、文字讲述，当用户在操作虚拟实验时，实时融入视频、语音和文字操作的讲解，以及用图表的形式显示出结果，方便快捷，这种图文并茂的讲解方式的便捷程度是只靠教学视频播放和教师口述说明无法比拟的。

虚拟实验室能模拟真实环境，让用户仿佛置于真实场景中。在搭载的虚拟环境中通过虚拟按键或模拟设备在其中自由行走，360°实时观察，逼真的实验设备对人的交互实时做出反馈。这种沉浸式的数字化学习人机交互体验可以让用户在身临其境的环境中主动探索，激发自身的学习积极性和探索欲。

工程制图是高校重要的专业基础课程，随着近些年来高校的扩招，学生人数的增加，工程制图课堂教学对模型的需求与日俱增。然而实物模型因不易携带，易损耗需要维护，数量有限不能灵活管理，因此在实际教学活动中有着诸多不便。

高校开设的工程制图课程课时相比主课程来说并不多，缺少监督考察。且部分学生课后作业不认真，并且由于手动作图有诸多条件限制，使得学生因缺乏练习使得熟练度不高。

工程制图具有很强的空间和抽象性，需要学生有很强的空间想象能力。虽然随着教育信息化的发展，在工程制图课中多媒体技术应用比较广泛，但现有的教学软件多采用图片和视频来实现的，其交互过程中自主性较差，缺乏灵活的交互行为。从2020年至今，根据疫情防控要求，高校课程改革面临着从“线下”向“线上”转变的需要，充分发挥线上教学的优势。因此，以当前工程制图课程为基准，基于Unity3D 软件，与传统教学模式相机结合，利用虚拟现实技术和网络技术构建一个可以实时交互、具有沉浸感的虚拟实验室势在必行。

开发基于Unity 的工程制图沉浸式虚拟现实教学软件，建立工程制图在线教学网站。软件借鉴网络游戏设置关卡，将VR 叙事的方法应用到虚拟仿真实验开发中，每关将学习、练习、思政、娱乐融为一体。用户可以不受操作系统的限制，从手机或电脑端从不同角度观察、缩放、旋转模型，以任意平面剖切模型，实时投影生成工程图，实现交互操作。逼真切具有沉浸感的操作环境能提升学习者的学习兴趣和学习自主性。

在工程制图虚拟实验室的建设中，所用到的所有实体模型均采用UG、CATIA、Solid Works 和3Ds Max 等三维软件进行构建。依托现有的教材，通过对教材所用到的模型进行测绘，按比例构建教材中所用到的模型，避免因虚拟实验室的模型与教材不匹配给用户带来不便。

工程制图虚拟模型库包括点线面投影模型所用的画法几何、基本体及其组合成的组合体库、常用标准件零件模型库如螺纹、齿轮、轴承、键、销等模型。将模型文件导出成FBX 格式，在Unity 中加载到Assets 文件夹下，此时这个模型在Unity3D 中作为预设体Prefab 存在，便于使用。

工程制图虚拟实验室特色之一是课程知识与游戏功能进行结合，在游戏功能层的基础上，将课程内容与游戏功能相结合，做到寓教于乐，学生在轻松游戏同时，也掌握了课程知识，合理搭建游戏场景，让枯燥的课程内容在学生的学习过程中变得有趣起来，使学生沉浸其中。

工程制图虚拟实验室结构的设计以课程知识为基础，根据章节知识细分，将游戏关卡和练习考试融入其中，采用自上而下的结构框架。如图1所示为工程制图虚拟实验室结构设计。

图1 工程制图虚拟实验室结构设计

明确了功能模块后，从用户的需求出发，将每个功能模块串联起来便构成了虚拟实验室。UI 设计效果如图2所示。

图2 虚拟实验室界面

采用自上而下的构架设计，先确定好主题，再按章节内容细分到各个小节知识设计。工程制图虚拟实验室的部分界面如图3所示。

图3 剖切部分章节界面设计

在零件拆装的模块中，点击拆装UI 按钮，进入拆装界面，通过鼠标点击移动零件即可激活该零件进行自由拖拽。将拆装步骤设定好之后，系统会根据操作者拆装的顺序进行判断，若步骤错误则无法激活装配体，并给出提示。当装配完成且全部正确后，TXT框则会做出“装配完成”的文字提示。虚拟拆装和运行原理模块如图4所示。

图4 虚拟拆装与运行原理模块

当工程制图课程知识被安排好后，需要将课程知识与游戏功能进行结合，因此，在游戏功能层的基础上，把课程知识与游戏功能适当结合起来。让学生在无感知的情况下，通过玩游戏，解决游戏中的游戏任务，轻松而愉快地掌握工程制图的课程知识。

环境交互设置为了增加虚拟实验室的生动性，对交互界面进行了设置，通过设置相机Camera 属性中的camera 组件，背景效果为自定义的Camera Clear Flags.Solid Color；同时在添加组件Add Component 中添加Audio 音频组件，使虚拟交互界面更加形象生动。

为了增加空间感和操作感，将模型以全方位视角形式展示给用户，需要360°全角度观察模型，实现学生与虚拟实验室中模型的全方位人机交互的自主性和灵活性。这需要使用Unity 相机模块。操纵相机旋转、缩放、平移相机视野来实现。创建C#脚本，将其挂载到创建的摄像机camera 下。实现其功能的部分代码为：

其中Target 表示旋转以及缩放中心的目标物体。通过鼠标滚轮（Mouse ScrollWheel）控制相机与目标距离Distance 来实现物体的缩放。点击鼠标右键Input.GetMouseButton(1)，调用Quaternion.Euler（）方法实现相机绕物旋转。

基于Unity3D 开发的工程制图虚拟仿真实验室能应用于各大院校的工程制图课程教学中，特别是针对机械专业的学生，如车辆工程、机械制造及其自动化、机电工程、汽车服务过程、交通运输等专业，通过沉浸式的人机交互来学习工程制图知识，丰富和优化教学方法，建立“以学生为中心，以兴趣带动学习”的新型游戏化学习模式，让学生通过虚拟仿真的方式来掌握知识，感受愉快的学习体验，进而激发学习欲望，主动去学习知识，提高学习效率和质量。