虛擬現實技術在機械制圖課程中的應用

張海明,陳偉珍

摘要：使用先進的虛擬現實技術搭建機械制圖網絡學習平臺，開發動態VRML機械制圖模型替代傳統的木頭實物模型來輔助教學。動態VRML模型可實現可視化3D交互操作，有利于教師授課，有利于學生課后學習和提高學習效率。

關鍵詞：虛擬現實；機械制圖；VRML

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）20-0197-02

一、引言

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）也稱人工環境或靈境技術，是近年來發展起來的高新技術。所謂虛擬現實就是利用計算機模擬產生一個三維空間的虛擬世界，讓使用者身臨其境，獲得視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬體驗，可以實時觀察三度空間內的事物。

虛擬現實技術發展到今天，已成為國內外當前研究熱點之一，并且已廣泛地應用于軍事、建筑、娛樂、航空、航天、體育、醫學以及教育等多個領域。在教育領域里，虛擬現實技術作為一種嶄新的教學媒體，給教育領域注入新的生機與活力。

1.應用虛擬現實技術開發網絡課程的步驟虛擬現實技術開發網絡動態課件的關鍵技術在于虛擬環境建模技術和交互控制技術。其中，虛擬教學環境建模技術建立在三維模型創建基礎之上，常用的工具有3DMAX、UG、CATIA、Pro/e和SolidWorks等專業建模軟件。而開發整個三維環境的交互控制能力的技術常有VRML、OpenGL、Cult3D等。

依據上述兩個過程、兩類技術的不同組合，結合我們的實際條件和課件自身的需求。我們在機械制圖網絡學習平臺的開發中采用的是UG+VRML的方案。具體的開發步驟如下：

首先在UG軟件中創建三維CAD模型。

然后采用VRML網頁交互技術制作交互場景，把在UG軟件中建立的三維模型轉換成為能夠在互聯網上進行傳輸、瀏覽、操作和信息交互的網絡模型。網絡模型還需具備機械制圖課程教學過程中常用的投影、剖切、裝拆等表達手段。

最后在SpinFire Pro平臺中進行信息協同、媒體交互合成。

2.VRML在機械制圖模型開發中的應用虛擬現實建模語言（Virtual Reality Modeling Language）簡稱VRML，是一種用于建立虛構的三維世界或者真實世界的場景模型的場景建模語言。近些年來，國內外專家學者對VRML在機械制圖上的應用進行了較多的研究。

在機械制圖模型中的應用VRML網頁交互技術，制作動態可視化3D交互機械制圖模型替代實物模型，革新了機械制圖的教學手段，有利于更好地培養學生的空間想象力。制作機械制圖動態VRML網絡模型的步驟如下。

（1）實體建模和渲染。實體建模可以選擇的三維CAD建模軟件有很多，我們選擇目前比較流行的UG軟件，按照實體的實際形狀尺寸創建三維CAD模型。然后通過渲染給三維CAD模型設計合理的光源，添加一些紋理和材質等，使三維CAD模型具有更好的現實視覺效果。圖1所示為腳輪總成的CAD建模和渲染的效果圖。

（2）靜態VRML轉換。可以使用UG軟件具有的轉換功能，將上一步所創建的添加了紋理和材質等渲染效果的實體模型轉換成為可以在互聯網上進行傳輸和瀏覽的靜態VRML可視化模型，靜態VRML模型只能實現一些旋轉、縮放等簡單功能，對制圖教學的幫助非常有限。圖2所示為腳輪總成的靜態VRML實體模型。

（3）動態VRML設計。為了更好地輔助教學，我們必須把靜態的VRML模型進一步轉換成可以實現動畫、拆裝等效果的動態VRML可視化交互模型。這個轉換可以使用一些VRML編輯軟件對靜態VRML模型進行功能擴展設計來實現，我們所采用的編程語言是一種基于時間軸動畫的腳本語言。

如圖3所示是進行了擴展設計之后的腳輪總成動態VRML文件，它可以實現動態的閥體拆卸。為幫助學習者熟悉拆卸的過程、工具以及注意事項，設置了一些相關的問題要求學習者回答。在測試模式引入游戲功能，寓教于樂，增加了趣味性；并設計了評價功能，學習者完成測試之后系統自動給出學習狀況和分數。這些設計將大大提高學生學習的積極性。

（4）網絡發布。將動態VRML文件上傳到網絡服務器，在互聯網上以網頁的形式進行發布，使用者在網頁瀏覽器中輸入網址即可對三維動態VRML的實體模型進行交互操作。

二、信息交互協同技術在制圖模型中的應用

目前常用的基于WEB的2D/3D CAD信息可視化交互協同技術的平臺有SpinFire Pro、E-drawing等。

本文采用了SpinFire Pro平臺，這個平臺上可以進行供各種CAD格式文件的輸入，使用者無須安裝專門的CAD軟件即可直接開啟各種CAD格式的圖形文件，而且可以輸出能夠在互聯網上進行傳輸的、高壓縮比的3D文件。此外，這種3D文件還保留了原CAD文件所具有的主要操控性質，如縮放、旋轉、投影、測量、剖切、拆裝等。這樣的機械制圖模型完全包括了機械制圖所需要的各種表達手段，可以充分滿足教學的實際需求。如下圖4所示是曲軸的“.3D”格式的網絡模型文件。

三、結語

綜上所述，使用先進的虛擬現實技術搭建的機械制圖網絡學習平臺提供了一種融侵式的三維學習環境，非常方便開展網絡學習，節約了教學資源，提高學習效率，從而使教學的效果大大改善。

參考文獻：

[1]湯兆平.基于虛擬現實技術的網絡動態課件設計與實現[J].科技管理研究，2010，（17）：188-190.

[2]陳雪菱，李麗，王興建.VRML在工程圖學虛擬模型庫中的應用研究[J].成都理工大學學報（自然科學版），2005，32（4）：407-409.

[3]胡新根.基于VRML虛擬現實技術在空間解析幾何教學中的應用[J].計算機與現代化，2005，（6）：27-29.

[4]王萬龍.設計可視化解決方案—Spinfire 2003[J].CAD/CAM與制造業信息化，2003，（12）.

[5]朱莉.虛擬現實技術在多媒體課件開發中的應用[J].電腦知識與技術，2009，5（9）：2235-2243.

[6]饒金通，夏侯建兵，董槐林.虛擬現實場景在線可視化編輯技術的實現[J].廈門大學學報：自然科學版，2009，48（5）：680-683.

[7]賢海華，陳偉珍，楊家鵬.基于Web CAD交互技術的制圖模型的研究與開發[J].中國電力教育，2010，32（10）：70-73.

基金項目：廣西高等教育教學改革工程項目《基于工作過程“雙線并行”的高職學生自主學習能力培養的研究與實踐》（2012JGB341）。

作者簡介：張海明（1981-），男，碩士研究生，廣西水利電力職業技術學院工程師，講師，研究方向：機電類專業教學；陳偉珍（1963-），女，廣西水利電力職業技術學院教授，研究方向：機械制造、工程圖學教學。endprint

摘要：使用先進的虛擬現實技術搭建機械制圖網絡學習平臺，開發動態VRML機械制圖模型替代傳統的木頭實物模型來輔助教學。動態VRML模型可實現可視化3D交互操作，有利于教師授課，有利于學生課后學習和提高學習效率。

關鍵詞：虛擬現實；機械制圖；VRML

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）20-0197-02

一、引言

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）也稱人工環境或靈境技術，是近年來發展起來的高新技術。所謂虛擬現實就是利用計算機模擬產生一個三維空間的虛擬世界，讓使用者身臨其境，獲得視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬體驗，可以實時觀察三度空間內的事物。

虛擬現實技術發展到今天，已成為國內外當前研究熱點之一，并且已廣泛地應用于軍事、建筑、娛樂、航空、航天、體育、醫學以及教育等多個領域。在教育領域里，虛擬現實技術作為一種嶄新的教學媒體，給教育領域注入新的生機與活力。

1.應用虛擬現實技術開發網絡課程的步驟虛擬現實技術開發網絡動態課件的關鍵技術在于虛擬環境建模技術和交互控制技術。其中，虛擬教學環境建模技術建立在三維模型創建基礎之上，常用的工具有3DMAX、UG、CATIA、Pro/e和SolidWorks等專業建模軟件。而開發整個三維環境的交互控制能力的技術常有VRML、OpenGL、Cult3D等。

依據上述兩個過程、兩類技術的不同組合，結合我們的實際條件和課件自身的需求。我們在機械制圖網絡學習平臺的開發中采用的是UG+VRML的方案。具體的開發步驟如下：

首先在UG軟件中創建三維CAD模型。

然后采用VRML網頁交互技術制作交互場景，把在UG軟件中建立的三維模型轉換成為能夠在互聯網上進行傳輸、瀏覽、操作和信息交互的網絡模型。網絡模型還需具備機械制圖課程教學過程中常用的投影、剖切、裝拆等表達手段。

最后在SpinFire Pro平臺中進行信息協同、媒體交互合成。

2.VRML在機械制圖模型開發中的應用虛擬現實建模語言（Virtual Reality Modeling Language）簡稱VRML，是一種用于建立虛構的三維世界或者真實世界的場景模型的場景建模語言。近些年來，國內外專家學者對VRML在機械制圖上的應用進行了較多的研究。

在機械制圖模型中的應用VRML網頁交互技術，制作動態可視化3D交互機械制圖模型替代實物模型，革新了機械制圖的教學手段，有利于更好地培養學生的空間想象力。制作機械制圖動態VRML網絡模型的步驟如下。

（1）實體建模和渲染。實體建模可以選擇的三維CAD建模軟件有很多，我們選擇目前比較流行的UG軟件，按照實體的實際形狀尺寸創建三維CAD模型。然后通過渲染給三維CAD模型設計合理的光源，添加一些紋理和材質等，使三維CAD模型具有更好的現實視覺效果。圖1所示為腳輪總成的CAD建模和渲染的效果圖。

（2）靜態VRML轉換。可以使用UG軟件具有的轉換功能，將上一步所創建的添加了紋理和材質等渲染效果的實體模型轉換成為可以在互聯網上進行傳輸和瀏覽的靜態VRML可視化模型，靜態VRML模型只能實現一些旋轉、縮放等簡單功能，對制圖教學的幫助非常有限。圖2所示為腳輪總成的靜態VRML實體模型。

（3）動態VRML設計。為了更好地輔助教學，我們必須把靜態的VRML模型進一步轉換成可以實現動畫、拆裝等效果的動態VRML可視化交互模型。這個轉換可以使用一些VRML編輯軟件對靜態VRML模型進行功能擴展設計來實現，我們所采用的編程語言是一種基于時間軸動畫的腳本語言。

如圖3所示是進行了擴展設計之后的腳輪總成動態VRML文件，它可以實現動態的閥體拆卸。為幫助學習者熟悉拆卸的過程、工具以及注意事項，設置了一些相關的問題要求學習者回答。在測試模式引入游戲功能，寓教于樂，增加了趣味性；并設計了評價功能，學習者完成測試之后系統自動給出學習狀況和分數。這些設計將大大提高學生學習的積極性。

（4）網絡發布。將動態VRML文件上傳到網絡服務器，在互聯網上以網頁的形式進行發布，使用者在網頁瀏覽器中輸入網址即可對三維動態VRML的實體模型進行交互操作。

二、信息交互協同技術在制圖模型中的應用

目前常用的基于WEB的2D/3D CAD信息可視化交互協同技術的平臺有SpinFire Pro、E-drawing等。

本文采用了SpinFire Pro平臺，這個平臺上可以進行供各種CAD格式文件的輸入，使用者無須安裝專門的CAD軟件即可直接開啟各種CAD格式的圖形文件，而且可以輸出能夠在互聯網上進行傳輸的、高壓縮比的3D文件。此外，這種3D文件還保留了原CAD文件所具有的主要操控性質，如縮放、旋轉、投影、測量、剖切、拆裝等。這樣的機械制圖模型完全包括了機械制圖所需要的各種表達手段，可以充分滿足教學的實際需求。如下圖4所示是曲軸的“.3D”格式的網絡模型文件。

三、結語

綜上所述，使用先進的虛擬現實技術搭建的機械制圖網絡學習平臺提供了一種融侵式的三維學習環境，非常方便開展網絡學習，節約了教學資源，提高學習效率，從而使教學的效果大大改善。

參考文獻：

[1]湯兆平.基于虛擬現實技術的網絡動態課件設計與實現[J].科技管理研究，2010，（17）：188-190.

[2]陳雪菱，李麗，王興建.VRML在工程圖學虛擬模型庫中的應用研究[J].成都理工大學學報（自然科學版），2005，32（4）：407-409.

[3]胡新根.基于VRML虛擬現實技術在空間解析幾何教學中的應用[J].計算機與現代化，2005，（6）：27-29.

[4]王萬龍.設計可視化解決方案—Spinfire 2003[J].CAD/CAM與制造業信息化，2003，（12）.

[5]朱莉.虛擬現實技術在多媒體課件開發中的應用[J].電腦知識與技術，2009，5（9）：2235-2243.

[6]饒金通，夏侯建兵，董槐林.虛擬現實場景在線可視化編輯技術的實現[J].廈門大學學報：自然科學版，2009，48（5）：680-683.

[7]賢海華，陳偉珍，楊家鵬.基于Web CAD交互技術的制圖模型的研究與開發[J].中國電力教育，2010，32（10）：70-73.

基金項目：廣西高等教育教學改革工程項目《基于工作過程“雙線并行”的高職學生自主學習能力培養的研究與實踐》（2012JGB341）。

作者簡介：張海明（1981-），男，碩士研究生，廣西水利電力職業技術學院工程師，講師，研究方向：機電類專業教學；陳偉珍（1963-），女，廣西水利電力職業技術學院教授，研究方向：機械制造、工程圖學教學。endprint

摘要：使用先進的虛擬現實技術搭建機械制圖網絡學習平臺，開發動態VRML機械制圖模型替代傳統的木頭實物模型來輔助教學。動態VRML模型可實現可視化3D交互操作，有利于教師授課，有利于學生課后學習和提高學習效率。

關鍵詞：虛擬現實；機械制圖；VRML

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）20-0197-02

一、引言

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）也稱人工環境或靈境技術，是近年來發展起來的高新技術。所謂虛擬現實就是利用計算機模擬產生一個三維空間的虛擬世界，讓使用者身臨其境，獲得視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬體驗，可以實時觀察三度空間內的事物。

虛擬現實技術發展到今天，已成為國內外當前研究熱點之一，并且已廣泛地應用于軍事、建筑、娛樂、航空、航天、體育、醫學以及教育等多個領域。在教育領域里，虛擬現實技術作為一種嶄新的教學媒體，給教育領域注入新的生機與活力。

1.應用虛擬現實技術開發網絡課程的步驟虛擬現實技術開發網絡動態課件的關鍵技術在于虛擬環境建模技術和交互控制技術。其中，虛擬教學環境建模技術建立在三維模型創建基礎之上，常用的工具有3DMAX、UG、CATIA、Pro/e和SolidWorks等專業建模軟件。而開發整個三維環境的交互控制能力的技術常有VRML、OpenGL、Cult3D等。

依據上述兩個過程、兩類技術的不同組合，結合我們的實際條件和課件自身的需求。我們在機械制圖網絡學習平臺的開發中采用的是UG+VRML的方案。具體的開發步驟如下：

首先在UG軟件中創建三維CAD模型。

然后采用VRML網頁交互技術制作交互場景，把在UG軟件中建立的三維模型轉換成為能夠在互聯網上進行傳輸、瀏覽、操作和信息交互的網絡模型。網絡模型還需具備機械制圖課程教學過程中常用的投影、剖切、裝拆等表達手段。

最后在SpinFire Pro平臺中進行信息協同、媒體交互合成。

2.VRML在機械制圖模型開發中的應用虛擬現實建模語言（Virtual Reality Modeling Language）簡稱VRML，是一種用于建立虛構的三維世界或者真實世界的場景模型的場景建模語言。近些年來，國內外專家學者對VRML在機械制圖上的應用進行了較多的研究。

在機械制圖模型中的應用VRML網頁交互技術，制作動態可視化3D交互機械制圖模型替代實物模型，革新了機械制圖的教學手段，有利于更好地培養學生的空間想象力。制作機械制圖動態VRML網絡模型的步驟如下。

（1）實體建模和渲染。實體建模可以選擇的三維CAD建模軟件有很多，我們選擇目前比較流行的UG軟件，按照實體的實際形狀尺寸創建三維CAD模型。然后通過渲染給三維CAD模型設計合理的光源，添加一些紋理和材質等，使三維CAD模型具有更好的現實視覺效果。圖1所示為腳輪總成的CAD建模和渲染的效果圖。

（2）靜態VRML轉換。可以使用UG軟件具有的轉換功能，將上一步所創建的添加了紋理和材質等渲染效果的實體模型轉換成為可以在互聯網上進行傳輸和瀏覽的靜態VRML可視化模型，靜態VRML模型只能實現一些旋轉、縮放等簡單功能，對制圖教學的幫助非常有限。圖2所示為腳輪總成的靜態VRML實體模型。

（3）動態VRML設計。為了更好地輔助教學，我們必須把靜態的VRML模型進一步轉換成可以實現動畫、拆裝等效果的動態VRML可視化交互模型。這個轉換可以使用一些VRML編輯軟件對靜態VRML模型進行功能擴展設計來實現，我們所采用的編程語言是一種基于時間軸動畫的腳本語言。

如圖3所示是進行了擴展設計之后的腳輪總成動態VRML文件，它可以實現動態的閥體拆卸。為幫助學習者熟悉拆卸的過程、工具以及注意事項，設置了一些相關的問題要求學習者回答。在測試模式引入游戲功能，寓教于樂，增加了趣味性；并設計了評價功能，學習者完成測試之后系統自動給出學習狀況和分數。這些設計將大大提高學生學習的積極性。

（4）網絡發布。將動態VRML文件上傳到網絡服務器，在互聯網上以網頁的形式進行發布，使用者在網頁瀏覽器中輸入網址即可對三維動態VRML的實體模型進行交互操作。

二、信息交互協同技術在制圖模型中的應用

目前常用的基于WEB的2D/3D CAD信息可視化交互協同技術的平臺有SpinFire Pro、E-drawing等。

本文采用了SpinFire Pro平臺，這個平臺上可以進行供各種CAD格式文件的輸入，使用者無須安裝專門的CAD軟件即可直接開啟各種CAD格式的圖形文件，而且可以輸出能夠在互聯網上進行傳輸的、高壓縮比的3D文件。此外，這種3D文件還保留了原CAD文件所具有的主要操控性質，如縮放、旋轉、投影、測量、剖切、拆裝等。這樣的機械制圖模型完全包括了機械制圖所需要的各種表達手段，可以充分滿足教學的實際需求。如下圖4所示是曲軸的“.3D”格式的網絡模型文件。

三、結語

綜上所述，使用先進的虛擬現實技術搭建的機械制圖網絡學習平臺提供了一種融侵式的三維學習環境，非常方便開展網絡學習，節約了教學資源，提高學習效率，從而使教學的效果大大改善。

參考文獻：

[1]湯兆平.基于虛擬現實技術的網絡動態課件設計與實現[J].科技管理研究，2010，（17）：188-190.

[2]陳雪菱，李麗，王興建.VRML在工程圖學虛擬模型庫中的應用研究[J].成都理工大學學報（自然科學版），2005，32（4）：407-409.

[3]胡新根.基于VRML虛擬現實技術在空間解析幾何教學中的應用[J].計算機與現代化，2005，（6）：27-29.

[4]王萬龍.設計可視化解決方案—Spinfire 2003[J].CAD/CAM與制造業信息化，2003，（12）.

[5]朱莉.虛擬現實技術在多媒體課件開發中的應用[J].電腦知識與技術，2009，5（9）：2235-2243.

[6]饒金通，夏侯建兵，董槐林.虛擬現實場景在線可視化編輯技術的實現[J].廈門大學學報：自然科學版，2009，48（5）：680-683.

[7]賢海華，陳偉珍，楊家鵬.基于Web CAD交互技術的制圖模型的研究與開發[J].中國電力教育，2010，32（10）：70-73.

基金項目：廣西高等教育教學改革工程項目《基于工作過程“雙線并行”的高職學生自主學習能力培養的研究與實踐》（2012JGB341）。

作者簡介：張海明（1981-），男，碩士研究生，廣西水利電力職業技術學院工程師，講師，研究方向：機電類專業教學；陳偉珍（1963-），女，廣西水利電力職業技術學院教授，研究方向：機械制造、工程圖學教學。endprint