基于Unity 3D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Unity的碰撞事件来实现。对于凸面较少、结构简单的零件可采用网格碰撞体MeshCollider，此类碰撞器形状贴近模型，使用起来更为精确和真实，但计算量也会大大增加，若设置过多可能造成设备卡顿，所以，对于复杂的模型可使用盒子碰撞器（BoxCollider）和球体碰撞器（SphereCollider）等并设置成接近模型的大小。③零件自由拖动与安装。训练模式中，通过脚本让零件的复制体实现闪烁的效果，然后将复制的零件全部隐藏，留下第一个要安装的零件。零件的装配顺序根据实验要求提前设置，当上一个零件正确安装后会触发下一个要安装的零件的复制体在显示属性中打开，从而实现提醒学生这一步该安装哪个零件、在哪里进行装配的功能。而在考核模式中则将所有复制体的不透明度设置为0，并添加若干个隐藏的碰撞体作为干扰，当学生拖动零件移动到对应的位置，零件的碰撞器与其复制体的碰撞器或其他干扰的碰撞体发生碰撞时，会触发一个考核事件，让学生选择是否确认这样安装。若选择正确安装但与错误的碰撞体发生了碰撞则显示安装失败并扣除一定分数，随后零件回到默认位置需重新装配；若正确碰撞并确认则显示安装成功并增加一定分数，随后零件坐标移动到正确位置并固定，从而实现装配。④操作提示功能的实现。为在普通训练时适当地降低搭建步骤的难度，并起到指导学生学习该机构如何装配的作用，虚拟实验教学平台加入了操作提示，通过文本提示用户当前步骤该安装哪个零件。首先，为不同的机构各创建一个编码格式为UTF-8的.txt文本文件，并根据机构装配的基本原则整理好每个机构的零件装配顺序，一个步骤一个零件，每记录完一个零件就换行。其次，把文本文件都导入到Unity中并编写读取其文本的脚本ReadText，程序运行时将会生成一个临时的列表并会把文本内容按行输入到列表的不同行中，并在安装行顺序时赋予每个零件一个序号。当前零件安装完成后，将读取“序号+1”即可调取下一步待安装零件，再结合Unity的文本组件在画面中实现操作提示。⑤得分功能的实现。设计了2种得分系统，第一种是该机构各个装配步骤的得分，不需要根据难度区分，每步的分值相同，因此，该机构每步分值均为满分一百除以步骤数，而步骤数可通过获取临时列表的行数得到。第二种则是手动输入每步的加分值和扣分值，对于难度比较大，特别是对知识点能起到考核作用的步骤可以增加其得分值，凸显该步骤的重要性和考核性。当目标零件正确安装后其模型在场景中所在的图层（Layer）会由一开始默认的普通图层（Default）转为忽视射线的图层（IgnoreRaycast），转换后将固定好位置不再受射线影响，也不会再被鼠标点击选中发生位移；同时，当检测到该零件转换好图层后，将调取得分脚本文件，通过函数实现加权加分。若需要增加难度，对特殊步骤还可以增加做错扣分的考核功能，为避免因用户不小心装配错误而造成多扣分，在该功能开启的情况下，当零件模型与正确目标的碰撞器或干扰项的碰撞器发生接触后会生成一个弹窗，其组件会获取当前零件碰撞器的名称及与其发生接触的碰撞器的名称，用户根据显示的文本点击确定或取消按钮。取消则会调取脚本中相关函数，将零件的三维空间位置坐标修改回初始位置且不进行加减分的操作。确定后系统将检测零件接触到的碰撞器是否为该零件预先设置好的正确目标的碰撞器，如果是则执行前文提到正确安装时的结果，装配好且增加分值；如果不是则与点击取消按钮时一样回到初始位置，但会扣掉设置好的分值，以实现考核的功能。（三）零件库学习功能的实现为了能更全面、仔细地观察零件的细节，虚拟实验教学平台通过在场景中长按鼠标操控观察零件的视角。具体思路为：获取点击鼠标时移动的方向与距离，适当调整参数后转换为主摄像机位置和旋转轴的参数，使摄像机画面在拖动鼠标时能以模型为中心发生旋转和位移，观察到模型的各个角度。此外，创建一个UI文本组件，并为各个零件创建一个UI按钮，当点击该零件的按钮时首先会隐藏目前显示在场景中的零件，接着执行将该零件显示出来的方法，同时文本组件会获取到预先输入好的该零件的文字介绍并显示在文本框内让用户阅读学习，进一步加深对该零件的了解。（四）答题系统的实现基于Excel表格存储题库、EPPlus插件读取题库设计答题系统。将题库统一在Excel中整理成1行题干+4行选项，并将正确答案写在题干右边一列。在答题系统的场景中创建题干文本及相关选项的UI组件并编写脚本。当答题系统运行时，Excel表格中的内容每次会提取5行，第1行内容被题干UI组件获取，而另外4行则会被4个选项按钮获取。为提高随机性，使每次作答时答案顺序不一样，避免出现用户记答案顺序而直接作答的情况，读取完题干后4行选项顺序不与Excel表格中的一致，而是在读取时根据选项数量确定1个区间[1，4]，然后在区间内随机生成1个整数，该随机数行的选项将被读取出来，接着继续在该区间内剩余数字中随机生成1个整数，重复上述步骤直至读取完所有选项。用户在点击某选项的按钮后，系统会获取该按钮的文本内容，与正确选项进行对比，若完全一致则作答正确，执行加分代码；若不一致，则执行扣分代码。这一环节实现了答题和评分的功能。（五）其他场景的实现除了机构装配和答题功能，虚拟实验教学平台也设计了实验目的、实验要求、每个机构知识点学习、观看机构运动仿真视频等场景，丰富了平台的应用环境。实验前，学生需要认真阅读实验目的与要求，了解实验内容，同时为避免学生直接跳过该步骤，加入了时间约束，即用户至少在设置好的要求时间过去后才可以切换到下一个场景，否则生成弹窗提醒“请先完成本模块的学习”。在机构搭建完成后，学生可以查看该机构的运动仿真视频及相关知识点，全面了解机构特性，为后续答题做准备。四、结束语机构搭建虚拟实验教学平台能够多维度考核学生对机械设计理论知识的掌握程