基于Inventor的中職機械識圖虛擬模型庫的開發與應用

葛進軍

摘 要：虛擬模型庫在教學中的應用完全可以彌補傳統教具的缺點，利用先進的三維技術創建的虛擬機械零部件不僅形象逼真、色彩豐富，利用計算機軟件還可以方便地進行教學模型修改與新建，充分滿足了教學中對模型種類及數量的需要。

關鍵詞：中職 虛擬模型庫 Inventor

中職機械識圖教學的難點在于空間幾何的圖解能力，運用立體模型進行空間幾何分析是學習機械識圖課程必要的教學技巧，也是學生從抽象理論到具體實物認識過程中的一種重要工具。中職學生缺乏具體實物的感性積累，教師用虛擬模型庫來代替或部分代替現有的實物模型，可以彌補傳統教具的缺點，降低教學成本，及時更新教學資源，方便學生學習使用，方便攜帶運用。在專業基礎課學習的同時，也促進了計算機軟件的應用，特別是產品造型技術的應用。

一、虛擬模型庫的特點

1.模型演示更趨清晰

基于校園網的虛擬模型庫可以通過動畫播放，逼真地顯示裝配體的工作過程，真實感強。特別是通過三維模型的疊加、切割、剖切、裝配等過程，使學生更加清楚零件的形成過程和裝配體的裝配過程，具有單純實物模型無法比擬的效果。在教學中，很多粗淺的知識和概念性的描述，通過文字或一些示意圖很難把它講明白，往往教師講得口干舌燥，學生聽得云里霧里；老師比劃半天，學生一知半解。但借助合適的教學模型，可以直觀地解決一些術語的理解和一些重要零部件的構造與工作原理的理解，不僅提高了學生的學習興趣，也有效地實現了教學目標。

2.模型成本更加便宜

虛擬模型庫應用三維造型技術創建立體模型，成本低廉，它可以通過隨書光盤、課件、網絡等渠道添加立體模型，可以移動存儲，也可以放在學校的網絡服務器上，基本不需要額外的維護成本。助學型課件隨著網絡的逐漸完善和普及，學生不管是在學校還是在家里，都可以根據自己的學習方式和學習能力自主安排學習，根本不需要到企業實地去參觀。而利用實物模型教學，由于其尺寸大，制造周期長，不宜攜帶和保管，而且維護成本較高。

3.模型創新更加方便

社會和家庭出于安全的考慮，很少讓學生主動去企業觀看接觸機械設備，也沒有機會與工人交流學習。學生平時對一些機械零件的感性認識比較少，所以導致其機械專業知識的理解力差。利用先進的三維技術創建的虛擬機械零部件不僅形象逼真、色彩豐富，還可以方便地進行修改與新建，這樣不僅能夠實時補充新的教學模型，還可以針對不同的教學對象、教學要求調整現有的模型，充分滿足教學中對模型種類及數量的需求，達到降低教學成本、提高教學質量的目的。

二、虛擬模型庫的開發

1.模型庫總體框架設置

第一，用戶登錄模塊。系統將用戶按級別分為學生、教師和系統管理員，應用數據庫管理系統將用戶的信息分類，存儲用戶的信息。

第二，三維模型庫模塊。該部分是系統設計的重點和難點。設計重點在于如何實現模型庫對三維模型資源的有效管理。三維模型庫的主要功能是實現用戶對三維模型的在線瀏覽。通過三維模型庫網站對三維模型及其內部結構特征進行全方位多角度的觀看與學習，并可對三維模型進行放大、縮小、旋轉、平移和剖切等一系列操作。

第三，模型動畫演示模塊。本部分利用虛擬現實技術制作動畫，用二維和三維動畫的形式展示機械零部件內部結構及工作原理。

第四， 二維視圖表達模塊。二維視圖即三維模型的三視圖包括主視圖、俯視圖和左視圖。有jpg的圖片格式和dwg格式的矢量圖。

第五，模型的上傳模塊。該部分模塊根據系統設置的用戶級別對模型的操作進行權限分配，一般用戶只享有上傳的權限，系統管理員是最高管理者，享有對模型增加和刪除等系統管理權限。

第六，課后討論區和教師答疑功能模塊。討論區的主要功能是為學生提供一個課后學習交流的網絡平臺，學生用戶可以在討論區里發表留言，提出問題，教師針對學生提出的疑點難點回復留言等。

2.三維軟件的選取與使用

為了實現這些系統模塊的功能，針對本校的教學實際，本模型庫采用Inventor造型軟件。Inventor具有強大的三維造型能力，有良好的設計表達能力。Inventor還自帶Autodesk Design Review軟件可方便地進行模型的觀察和一些功能的操作。具體的軟件功能詳見下表。

3.模型庫主頁設置思路

該庫將中職教本《機械識圖》分成三個小庫，分別為教學庫、助學庫和評價庫。模型庫中三維模型以《機械識圖》中的機械模型為原型，按書中章節將模型分為學習導讀、制圖基本知識與基本技能、基本題的表達與識讀、組合體的表達與識讀、機械圖樣的識讀、典型零件圖的識讀、零件的測繪、裝配圖的識讀等八個部分。教學庫主要以二維視圖、三維模型和模型動畫的形式展現；助學庫主要提供練習冊的答案和參考模型；而評價庫所涉視圖和模型均由課任教師自主開發。

三、虛擬模型庫的應用

1.虛擬模型庫的主頁介紹

虛擬模型庫的網址是10.40.185.186，最上面是網頁的標題，標題部分的背景是學校的風景圖片。標題下面是導航欄，方便快速地找到模型位置。對于模型庫網站劃分了三個功能區塊分別為教學庫——學習區模塊，助學庫——進行課堂練習和評價庫——進行考試練習。進入到導航目錄后，可見圖庫的采用的形式是jpg預覽圖片，預覽圖片能大致反應模型的結構。還可以點擊【視圖】進入標準視圖進行局部放大清楚地觀察細節部分。同時還可以點擊【模型】進入三維模型的觀察。這些視圖和模型都是dwf格式的，通過Autodesk Design Review顯示。用戶登錄后可以進行模型的上傳，系統管理員是模型庫的最高管理者，享有對模型增加和刪除等系統管理權限。

2.教學庫的應用

在教學庫中的模型主要有三種格式的：二維視圖、三維模型和動畫。二維視圖是以dwg格式顯示的，動畫是wmv格式。再重點介紹一下，dwf格式的模型、dwf格式的文件用Autodesk Design Review軟件打開。具體功能操作介紹如下。

（1）基本視圖的觀察。模型打開后在屏幕圖形窗口顯示，可以通過右上角的ViewCube方位控制，這個方位控制共有26個方位，分別是6個面、12條邊和8個角，只要移動鼠標去點擊這些面、邊和角就可以得到所要的視向視圖。

（2）剖切視圖的觀察。對模型進行剖切視圖的觀察，以當前模型為例，鼠標在屏幕空白處右擊出現快捷菜單，選擇“橫截面”—“xz平面”。該橫截面的位置還可以編輯，選中y軸，可以上下移動xz平面；選中原點可以移動平面坐標系的位置；選中x或z軸頭部可以旋轉xz平面。

（3）移動、旋轉模型。在Autodesk Design Review中，有兩種移動和旋轉。一種是動態觀察中的平移和轉盤命令對模型的移動和旋轉，但與ViewCube一起運動，它們之間的相對位置不發生變化；另一種移動和旋轉在右擊的快捷菜單中，移動和旋轉模型之后，模型的基本視圖與之前的視圖將發生變化。

（4）裝配模型的觀察。對于裝配模型的觀察，我們可以通過上述命令移動和旋轉各個零部件，進行個別觀察。要使各個零部件恢復到初始位置，只要雙擊各個零件即可。還可以通過對模型的隱藏或透明處理，進行觀察裝配模型。

3.助學庫的應用

助學庫中的內容是本教材配套練習冊的答案，只要學生注冊后，登陸即可顯示練習冊的答案。答案是以圖片格式顯示的，幫助學生們在課后隨時隨地進行校對，滿足學習需求。

4.評價庫的應用

對于本教材的每個項目，模型庫都建立了相應的評價測試題。測試題題型是選擇題，每題有四個選項。選擇答題后，會出現相應的提示，表明選擇結果的正確與否。評價庫的測試也需要學生用戶登錄后，才能正常使用。

筆者針對中職教材《機械識圖》的圖形模型庫做了詳細的研究，論述了三維模型庫建模的各種關鍵技術，研究并實現了三維模型庫系統。該系統實現了二維視圖的觀看、三維模型的瀏覽及三維模型動畫展示等功能，具有一定的創新性和實用性。

目前筆者學校的虛擬模型庫建設已涉及機械專業的很多課程，尤其是在機械制圖的教學中已得到了廣泛應用。相信隨著教學改革的深入與計算機在學校的普及應用，虛擬模型庫的應用前景將更加廣闊。我們期待著將來能與更多學校的虛擬模型庫共享資源、校際間互通信息，集中多方面豐富多彩的虛擬模型庫，為現代化教學提供更多的方便。

參考文獻：

[1]馮睿.基于Web2.0的三維模型庫的開發研究[D].廣東工業大學，2010（12）.

[2]肖春英.基于inventor的工程制圖虛擬模型室的構建[J].牡丹江師范學院學報，2009（4）.

（作者單位：寧海縣高級職業技術中心學校）