随着计算机技术和多媒体技术的高速发展,虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术逐渐发展起来并应用于各行各业。基于VR技术可以构建高度仿真的虚拟环境,用户能够以第一人称视角与虚拟空间中的三维模型进行交互,提供给用户一种身临其境的沉浸感体验。工程制图是一门以图形为研究对象,用图形来表达设计思维的学科,其教学大纲明确指出要培养学生的空间逻辑思维能力和三维造型设计能力,三维工程制图能力的培养已经成为一种必然,也是未来设计、制造行业的重要发展趋势,营造三维学习环境势在必行。但当前三维形体的模型学习资源主要以传统木模和机械模型等实物模型为主,受到时间、场地、模型种类和数量的限制,能展示的形式有限,已经不能很好地满足学生的学习需求。而VR技术本身具有的多感知性、交互性、沉浸性、构想性和可扩展性等优点,可以很好地弥补当前在三维形体学习中存在的不足。本课题首先介绍了VR技术在国内外教育领域的应用现状和当前工程制图学习平台的研究现状,阐述了将VR技术应用于工程制图学习系统中的优势,并以建构主义理论、沉浸理论和游戏化学习理论为指导,结合学生和教师的用户群需求分析,提出学习情境的构建、信息交互的及时反馈、层层递进的知识结构和游戏化的互动学习这四项系统设计要求。然后,以虚拟现实技术和手势识别技术为技术支撑,以三维沉浸式互动学习体验为研究目的,选取工程制图教学中的基础教学内容为知识框架的设计参考,借助Unity3D开发平台进行沉浸式虚拟环境的搭建和交互信息反馈设计,完成三维沉浸式学习系统的开发与实现。系统知识结构设计了层层递进的四大学习模块,分别是点线面及投影、基本立体和组合体、装配体学习和拓展学习模块,每个模块的设计都遵循系统设计要求展开,并通过Leap Motion设备实现对三维立体模型的选取、移动、拆装等操作,使用自然的手势交互方式来增虚拟学习系统的沉浸感。最后,文章的实验实践部分设计一组对比实验来评估该学习系统的可用性,分别在实物模型环境和VR虚拟环境下进行模型拆装学习。实验数据证明该三维沉浸式虚拟学习系统可以提升学生的参与度和学习兴趣,具有良好的学习效果,且比实物模型拆装实践具有显著的趣味性强、信息反馈更为丰富等优势,可以有效帮助用户提高对装配体模型结构的认知。此外,基于VR技术的虚拟学习平台可以实现资源的无限扩充,能为其他的课程知识提供一种新颖的学习模式和参考范本。