Web 三維模型共享平臺在工程制圖教學中的應用?

何 麗，孫文磊，朱 穎

（新疆大學 機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

《工程制圖》是工科類本科生必修的一門重要的技術基礎課程［1］。而傳統的教學實物模型因價格昂貴、數量有限、攜帶不便、易損且不能修改、共享性差等缺點已經不能滿足現代教學的需求［2］。隨著三維建模技術的日益成熟及三維CAD軟件的普及，數字化的三維模型庫也隨之引入工程制圖課程教學中，在教學中起到了替代傳統實物模型、充當教學輔助工具的作用。然而目前絕大多數虛擬三維模型庫都不是開放性的，三維模型不能隨意修改、擴充或刪減；又或者基于某種三維CAD軟件，不能網絡化、輕便化地應用，更不能實現實時共享和交互，所以不能滿足不同教師、教學對象及教學內容等多方面的復雜要求。

隨著網絡技術的迅速發展，特別是虛擬現實技術及Web 3D技術的出現，為改革《工程制圖》這一傳統課程的教學提供了新的技術手段。應用三維CAD軟件（如UG、Pro/E、SolidWorks、Solid Edge、CATIA等），并結合Web 3D等新型網絡技術建立網絡化三維模型共享平臺，不僅可以克服傳統教具的缺點，成為有效的教學輔助工具，同時利用網絡的便利，讓這些虛擬三維模型資源成為教師與學生實時交流互動的重要載體，可取得更好的教學效果。

1 三維模型庫的教學優勢及存在的問題

三維模型庫或稱為3D虛擬模型庫具有經濟性、靈活性、直觀性、可復制性等優點［3］。其在《工程制圖》中的教學優勢體現在：

（1）替代并擴充傳統的實物模型。它不僅可以完全取代傳統的實物模型，消除實物模型攜帶不便的缺點，還可以根據教學內容的更新，及時擴充新的三維教學模型，克服傳統教學模型數量有限、不能修改等缺點。

（2）是教與學的輔助工具，師生互動的載體。不僅能在課堂上將教學內容生動形象地表現出來，更有益于教師對知識的講授及學生的理解，以及師生的互動和討論；三維模型庫可作為一種載體將教學從課堂延伸到課后，以輔助學生完成課后練習，提高學生學習興趣及學習效率。

另外，三維模型庫還有豐富實踐性教學素材庫等諸多優勢，然而目前大多數應用于教學中的三維模型庫還客觀存在以下幾個問題：

（1）不完全開放，修改及更新能力差。目前絕大多數虛擬三維模型庫一般是不能隨意修改、擴充或刪減的，這就大大地降低了這類三維模型庫的利用率。

（2）基于單一三維CAD軟件，通用性差。為滿足教學的需要，針對教師熟練掌握的某種三維CAD軟件，如UG、Pro/E、SolidWorks、CATIA、SolidEdge等，紛紛建立了相應的虛擬三維模型庫，在制圖教學上也起到了提高教學效果的作用。但這類三維模型庫最大的缺點是基于某一種CAD軟件的，對不能熟練掌握該軟件的教師來說大大提高了其應用難度［4］；另一方面，學生在使用這些三維模型時需要安裝專業化的軟件，而對于還未接觸三維CAD軟件的學生來說也是非常有難度的，這就大大降低了學生學習這類三維模型庫的積極性。

（3）非網絡化，共享性差。三維模型庫大多在單機環境下運行，其共享廣度和方便程度是非常有限的。雖然也可將三維模型庫載入網絡共學生瀏覽，但這仍舊只是單一的傳授模式，在信息技術高度發展和應用的今天，還缺乏一個教師實時發布與之教學及課后輔導內容高度一致的三維模型的通道，缺乏一個師生間實時互動與交流、三維模型資源高度共享的公共網絡平臺。

綜上所述，建立一種基于Web及異構三維CAD軟件的三維模型資源共享平臺是很有必要的，通過網絡，不僅能提供大量的模型資源，整合教育資源，而且還為師生交流提供了一個互動平臺，支持遠程教育、網絡化教學。

2 Web三維模型共享平臺的設計與實現

2.1 總體架構設計

為克服目前模型庫在工程制圖教學中存在的缺點，Web三維模型共享平臺采用了B/S模式，其總體架構如圖1所示。系統大體設置了5個層次：用戶界面層、業務邏輯/功能層、數據層、應用程序服務層和接口層。

圖1 Web三維模型共享平臺總體架構

（1）用戶界面層：用戶界面為終端用戶（教師和學生）提供對系統訪問的工具。教師和學生只需通過Web瀏覽器，并安裝一個簡單的支持Web 3D的三維模型可視化插件（如BS Contact VRML）即可在線瀏覽平臺中的各類三維模型，而無需安裝專業化的軟件。

（2）業務邏輯/功能層：業務處理層是系統的核心，負責處理三維模型共享平臺的核心功能，包括：三維模型的在線預覽、在線參數化驅動設計、三維模型發布與知識交流、三維模型快速建庫與擴展工具等。

（3）數據層：數據庫是三維模型共享平臺的支撐，而三維模型資源庫是最重要的數據來源。依據其來源不同分為基礎模型庫、擴展模型庫和用戶模型庫等。

（4）應用程序服務與接口層：該系統是基于異構三維CAD軟件系統的，包括UG NX、Pro/E、SolidEdge、SolidWorks、CATIA等，它們通過接口予以連接，并以服務的形式來滿足屬于不同CAD軟件用戶的教師需求。

2.2 面向工程制圖教學的基礎模型庫建設與擴展

針對不同教師、教學對象及教學內容的多樣性和復雜性特點，并為滿足現代工程制圖教學的要求，將共享平臺中三維模型資源庫分為3類：基礎模型庫、擴展模型庫和用戶模型庫。三維模型資源庫結構如圖2所示。

擴展模型庫是教師根據自身教學、所教班級學生及不同專業的特點和要求，利用平臺提供的快速建庫和擴展工具，按需求對基礎庫進行的適時擴展和調整。用戶模型庫則是平臺各用戶為實現互動交流而實時上傳至平臺中的豐富的三維模型資源，這也是對三維模型資源庫的一種有效擴充。學生在校園網上打開瀏覽器即可從各角度觀察和控制三維模型，并針對模型進行評論和交流，能有效地提高學生主動學習的積極性，并能實現模型資源高度共享，擴展學生的知識面，進而達到提高教學質量的目的［5－6］。

圖2 三維模型資源庫結構

3 在工程制圖教學中的應用實踐

Web三維模型共享平臺是針對應用于工程制圖教學中的大量三維模型資源進行開發的，集用戶在線應用和在線管理于一體。教與學是教師和學生共同參與的過程，Web三維模型共享平臺在工程制圖教學中的應用如圖3所示。

（1）教師需以教師身份登錄至系統訪問首頁或系統管理頁。在課堂教學時，教師通過訪問系統來瀏覽已有的三維模型輔助教學，通過強化學生對各種圖形的感性認識來提高課堂理論教學效果；利用平臺提供的在線參數化驅動設計功能，通過改變模型尺寸來更形象地展示圖形的變化情況，如通過在線改變圓柱直徑大小來展示兩正交圓柱或圓柱與圓錐正交相貫線的趨勢；利用平臺提供的快速建庫與擴展工具，對基礎庫中的模型進行調整和擴展，以滿足教師自身教學的特殊需求。而這些擴展模型可以是任意一種三維CAD軟件建立的模型，且可同基礎庫中的模型一樣被教師和學生查看及參數化再設計。

圖3 Web三維模型共享平臺在工程制圖教學中的應用

（2）學生需以學生身份登錄至系統訪問首頁，依據自身需要選擇相應的鏈接，而后進入三維模型的預覽和參數化設計頁，實現模型的查看和操作。一方面可對課堂知識進行溫習和補充；更重要的是，通過查看習題模型庫，可及時地校對所做練習的正確性，彌補了教師不能及時輔導的缺陷，也能有效地提高學生的學習興趣和效率。

4 結束語

這種利用資源共享、輔助教學、交流互動、師生共建等指導思想建立的Web三維模型共享平臺同樣可應用于機械原理及機械設計等專業基礎課程教學中。利用Web 3D等網絡技術，不受時間地點的限制，能夠準確地展現出機械外形和結構，演示機械的功能和原理，學生通過觀察和操作能夠對機械有更加全面、深入的認識和了解。網絡化三維模型共享平臺是順應信息技術快速發展的產物，是計算機輔助教學的工具之一。它對增強工科類學生學習專業基礎課程興趣，提高教學效果，促進專業基礎課程教學改革都有著重要的作用。

［1］大連理工大學工程圖學教研室.機械制圖［M］.第6版.北京：高等教育出版社，2007.

［2］馬惠仙.基于數字化技術的工程制圖教學系統研究［D］.上海：華東理工大學，2011：6-7.

［3］陳麗軍.三維CAD軟件在《機械制圖》教學中的應用［J］.洛陽師范學院學報，2011，30（2）：120-122.

［4］林文，王志祥，于穎，等.虛擬三維模型庫在工程制圖教學中的應用［J］.藥學教育，2012，28（3）：42-45.

［5］段家現，黃燕鈞.Pro/E在機械制圖立體化教學中的應用［J］.梧州學院學報，2010，20（3）：57-61.

［6］單鴻波，王曉紅，金怡，等.3D模型庫在機械基礎課程教學實踐中的應用［J］.東華大學學報（自然科學版），2011，37（4）：535-540.