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基于Unity3D的机构搭建虚拟实验研究与实践

【摘要】机构搭建是“机械设计”课程的基础性实验。传统的实物实验存在生均设备少、搭建耗时长、过程评价不全面、无法满足疫情等突发情况下的教学需求等问题。文章以全过程实验考核为目标，借助虚拟现实技术，构建基于Unity3D的平面机构搭建三维可视化交互场景，联动MySQL、Excel软件构建数据库，开发出集在线学习、虚拟搭建、运动仿真及综合考核“四维一体”的虚拟实验教学平台，不限时、多维度为师生提供沉浸式实验教学服务，提高了实验教学效果，降低了实验成本，为新工科应用型人才培养提供了有效途径，也为机械类虚拟实验教学改革提供了参考。

【关键词】“机械设计”课程；机构搭建；虚拟实验；Unity3D

一、引言

“机械设计”是工学机械类及近机类专业必修的一门学科基础课程，具有授课班级多、学生人数庞大等特点[1]。实验教学是“机械设计”课程体系的核心组成部分，也是新工科背景下应用型人才培养的有力抓手，在学生工程意识培养及创新能力提升方面发挥着重要作用[2-3]。但近年来，高校人数持续增加，教学经费及师资投入不足，导致“机械设计”课程传统实物实验生均设备少，有效实验时间被压缩，学生限于流水式的实验教学模式，对实验目的和实验设备理解不透彻，实验过程中动手机会少或仅观看教师演示，且实验指导教师没有对学生进行全过程监控，缺乏全面的综合考核指标，仅凭实验报告评定成绩，这些问题均制约了新工科应用型人才的培养[4]。特别是面对突发的公共安全事件（如新冠肺炎疫情）时，传统实物实验项目几乎无法开展，严重影响了“机械设计”课程的教学进度。

虚拟现实是一种人机交互式计算机系统，能为用户提供身临其境的仿真空间，具有沉浸感、交互性和构想性等特点[5-9]。虚拟现实技术能够重塑实验教学形态，突破传统实物实验的弊端，从实验时间、操作形式、实验深度、过程监控等方面大大提高实验教学质量，已成为高校实验教学改革的主流方向[10-14]。同时，教育部明确提出推进课程改革创新，而虚拟仿真实验平台是信息化实验教学体系的关键，应在普通本科院校大力开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作[15-16]。基于此，文章以“机械设计”课程中的机构搭建实验为对象，以全过程实验考核为目标，运用Unity3D软件，构建集在线学习、虚拟搭建、运动仿真及综合考核“四维一体”的虚拟实验教学平台，不限时、多维度为师生提供沉浸式实验教学服务，为新工科应用型人才培养提供有效途径，也为机械类虚拟实验教学改革提供参考。

二、开发流程

本虚拟实验教学平台以“机械设计”课程中常见的平面连杆机构和典型的机械传动装置为对象，按照程序开发的基本原则，将开发流程分为准备、设计、搭建和验证4个阶段。

（一）准备阶段

了解各机构的组成和工作原理，对各个零件进行详细测绘，利用UG、Solidworks等专业建模软件对零件进行三维实体建模，并对模型进行编号和渲染，同时收集和整理各个零件和机构的简介及所含知识点，包括文字、图片和视频等信息。

（二）设计阶段

从“机械设计”基础课程实验项目中选取若干经典机构，对各个零部件进行干涉检测，装配出完整机构并确定运动方案，创建典型运动机构的模型数据库。

（三）搭建阶段

在Unity3D软件上构建机构搭建虚拟实验教学平台，将素材导入到项目文件中，编写各种功能的脚本，利用Unity3D自带的动画制作引擎对搭建的模型进行动画仿真，观察、分析并加以完善，创建基于Excel和MySQL的数据库。

（四）验证阶段

查找并修正场景漏洞，将所有场景连通，设置好Unity3D的相关参数，发布至电脑客户端，将程序发送给用户测试，依据建议完善并推广。

三、机构搭建虚拟实验教学平台的设计与实现

（一）功能模块

机构搭建虚拟实验教学平台包含多个功能模块，按照操作顺序依次为账户注册与登录、实验目的与要求、零件库学习、机构搭建、运动仿真、知识点学习、答题、实验报告等。学生循序渐进，由浅入深，全流程完成实验项目，教师则多维度考核学生知识的掌握程度。

（二）机构装配场景的实现

使用UI按钮控制零件在场景中的生成，通过鼠标点击选中零件并通过鼠标拖动及虚拟人物的移动实现零部件在3D空间里的位移，当零件位移到正确位置时即可自动吸附好，实现装配功能。为提高难度，对部分步骤加入了干扰项，让学生判断是否安装正确，系统根据结果进行评分。

①零件的生成。虚拟实验教学平台的所有UI界面均采用UGUI进行设计开发。首先，在场景中创建一个UI画布并为其创建图片、文本和按钮等UI组件子物体若干个；其次，将按钮的图像与文本设置为对应零件的图片与名称；最后，编写通过点击按钮在场景的固定位置生成对应零件的脚本。

②零件碰撞器的选择。检测零部件是否被鼠标单击选中或与其他零部件通过接触进行互动，需要通过U