Web 三維模型共享平臺(tái)在工程制圖教學(xué)中的應(yīng)用?

何 麗，孫文磊，朱 穎

（新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(shù)基礎(chǔ)課程［1］。而傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)物模型因價(jià)格昂貴、數(shù)量有限、攜帶不便、易損且不能修改、共享性差等缺點(diǎn)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代教學(xué)的需求［2］。隨著三維建模技術(shù)的日益成熟及三維CAD軟件的普及，數(shù)字化的三維模型庫也隨之引入工程制圖課程教學(xué)中，在教學(xué)中起到了替代傳統(tǒng)實(shí)物模型、充當(dāng)教學(xué)輔助工具的作用。然而目前絕大多數(shù)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(kuò)充或刪減；又或者基于某種三維CAD軟件，不能網(wǎng)絡(luò)化、輕便化地應(yīng)用，更不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)共享和交互，所以不能滿足不同教師、教學(xué)對(duì)象及教學(xué)內(nèi)容等多方面的復(fù)雜要求。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及Web 3D技術(shù)的出現(xiàn)，為改革《工程制圖》這一傳統(tǒng)課程的教學(xué)提供了新的技術(shù)手段。應(yīng)用三維CAD軟件（如UG、Pro/E、SolidWorks、Solid Edge、CATIA等），并結(jié)合Web 3D等新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立網(wǎng)絡(luò)化三維模型共享平臺(tái)，不僅可以克服傳統(tǒng)教具的缺點(diǎn)，成為有效的教學(xué)輔助工具，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)的便利，讓這些虛擬三維模型資源成為教師與學(xué)生實(shí)時(shí)交流互動(dòng)的重要載體，可取得更好的教學(xué)效果。

1 三維模型庫的教學(xué)優(yōu)勢(shì)及存在的問題

三維模型庫或稱為3D虛擬模型庫具有經(jīng)濟(jì)性、靈活性、直觀性、可復(fù)制性等優(yōu)點(diǎn)［3］。其在《工程制圖》中的教學(xué)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

（1）替代并擴(kuò)充傳統(tǒng)的實(shí)物模型。它不僅可以完全取代傳統(tǒng)的實(shí)物模型，消除實(shí)物模型攜帶不便的缺點(diǎn)，還可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的更新，及時(shí)擴(kuò)充新的三維教學(xué)模型，克服傳統(tǒng)教學(xué)模型數(shù)量有限、不能修改等缺點(diǎn)。

（2）是教與學(xué)的輔助工具，師生互動(dòng)的載體。不僅能在課堂上將教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)形象地表現(xiàn)出來，更有益于教師對(duì)知識(shí)的講授及學(xué)生的理解，以及師生的互動(dòng)和討論；三維模型庫可作為一種載體將教學(xué)從課堂延伸到課后，以輔助學(xué)生完成課后練習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)效率。

另外，三維模型庫還有豐富實(shí)踐性教學(xué)素材庫等諸多優(yōu)勢(shì)，然而目前大多數(shù)應(yīng)用于教學(xué)中的三維模型庫還客觀存在以下幾個(gè)問題：

（1）不完全開放，修改及更新能力差。目前絕大多數(shù)虛擬三維模型庫一般是不能隨意修改、擴(kuò)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(xué)的需要，針對(duì)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(yīng)的虛擬三維模型庫，在制圖教學(xué)上也起到了提高教學(xué)效果的作用。但這類三維模型庫最大的缺點(diǎn)是基于某一種CAD軟件的，對(duì)不能熟練掌握該軟件的教師來說大大提高了其應(yīng)用難度［4］；另一方面，學(xué)生在使用這些三維模型時(shí)需要安裝專業(yè)化的軟件，而對(duì)于還未接觸三維CAD軟件的學(xué)生來說也是非常有難度的，這就大大降低了學(xué)生學(xué)習(xí)這類三維模型庫的積極性。

（3）非網(wǎng)絡(luò)化，共享性差。三維模型庫大多在單機(jī)環(huán)境下運(yùn)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(wǎng)絡(luò)共學(xué)生瀏覽，但這仍舊只是單一的傳授模式，在信息技術(shù)高度發(fā)展和應(yīng)用的今天，還缺乏一個(gè)教師實(shí)時(shí)發(fā)布與之教學(xué)及課后輔導(dǎo)內(nèi)容高度一致的三維模型的通道，缺乏一個(gè)師生間實(shí)時(shí)互動(dòng)與交流、三維模型資源高度共享的公共網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

綜上所述，建立一種基于Web及異構(gòu)三維CAD軟件的三維模型資源共享平臺(tái)是很有必要的，通過網(wǎng)絡(luò)，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(gè)互動(dòng)平臺(tái)，支持遠(yuǎn)程教育、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)。

2 Web三維模型共享平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

為克服目前模型庫在工程制圖教學(xué)中存在的缺點(diǎn)，Web三維模型共享平臺(tái)采用了B/S模式，其總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)大體設(shè)置了5個(gè)層次：用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯/功能層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用程序服務(wù)層和接口層。

圖1 Web三維模型共享平臺(tái)總體架構(gòu)

（1）用戶界面層：用戶界面為終端用戶（教師和學(xué)生）提供對(duì)系統(tǒng)訪問的工具。教師和學(xué)生只需通過Web瀏覽器，并安裝一個(gè)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(tái)中的各類三維模型，而無需安裝專業(yè)化的軟件。

（2）業(yè)務(wù)邏輯/功能層：業(yè)務(wù)處理層是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理三維模型共享平臺(tái)的核心功能，包括：三維模型的在線預(yù)覽、在線參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、三維模型發(fā)布與知識(shí)交流、三維模型快速建庫與擴(kuò)展工具等。

（3）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)庫是三維模型共享平臺(tái)的支撐，而三維模型資源庫是最重要的數(shù)據(jù)來源。依據(jù)其來源不同分為基礎(chǔ)模型庫、擴(kuò)展模型庫和用戶模型庫等。

（4）應(yīng)用程序服務(wù)與接口層：該系統(tǒng)是基于異構(gòu)三維CAD軟件系統(tǒng)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(wù)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(xué)的基礎(chǔ)模型庫建設(shè)與擴(kuò)展

針對(duì)不同教師、教學(xué)對(duì)象及教學(xué)內(nèi)容的多樣性和復(fù)雜性特點(diǎn)，并為滿足現(xiàn)代工程制圖教學(xué)的要求，將共享平臺(tái)中三維模型資源庫分為3類：基礎(chǔ)模型庫、擴(kuò)展模型庫和用戶模型庫。三維模型資源庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

擴(kuò)展模型庫是教師根據(jù)自身教學(xué)、所教班級(jí)學(xué)生及不同專業(yè)的特點(diǎn)和要求，利用平臺(tái)提供的快速建庫和擴(kuò)展工具，按需求對(duì)基礎(chǔ)庫進(jìn)行的適時(shí)擴(kuò)展和調(diào)整。用戶模型庫則是平臺(tái)各用戶為實(shí)現(xiàn)互動(dòng)交流而實(shí)時(shí)上傳至平臺(tái)中的豐富的三維模型資源，這也是對(duì)三維模型資源庫的一種有效擴(kuò)充。學(xué)生在校園網(wǎng)上打開瀏覽器即可從各角度觀察和控制三維模型，并針對(duì)模型進(jìn)行評(píng)論和交流，能有效地提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，并能實(shí)現(xiàn)模型資源高度共享，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，進(jìn)而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的［5－6］。

圖2 三維模型資源庫結(jié)構(gòu)

3 在工程制圖教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐

Web三維模型共享平臺(tái)是針對(duì)應(yīng)用于工程制圖教學(xué)中的大量三維模型資源進(jìn)行開發(fā)的，集用戶在線應(yīng)用和在線管理于一體。教與學(xué)是教師和學(xué)生共同參與的過程，Web三維模型共享平臺(tái)在工程制圖教學(xué)中的應(yīng)用如圖3所示。

（1）教師需以教師身份登錄至系統(tǒng)訪問首頁或系統(tǒng)管理頁。在課堂教學(xué)時(shí)，教師通過訪問系統(tǒng)來瀏覽已有的三維模型輔助教學(xué)，通過強(qiáng)化學(xué)生對(duì)各種圖形的感性認(rèn)識(shí)來提高課堂理論教學(xué)效果；利用平臺(tái)提供的在線參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)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(shì)；利用平臺(tái)提供的快速建庫與擴(kuò)展工具，對(duì)基礎(chǔ)庫中的模型進(jìn)行調(diào)整和擴(kuò)展，以滿足教師自身教學(xué)的特殊需求。而這些擴(kuò)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(chǔ)庫中的模型一樣被教師和學(xué)生查看及參數(shù)化再設(shè)計(jì)。

圖3 Web三維模型共享平臺(tái)在工程制圖教學(xué)中的應(yīng)用

（2）學(xué)生需以學(xué)生身份登錄至系統(tǒng)訪問首頁，依據(jù)自身需要選擇相應(yīng)的鏈接，而后進(jìn)入三維模型的預(yù)覽和參數(shù)化設(shè)計(jì)頁，實(shí)現(xiàn)模型的查看和操作。一方面可對(duì)課堂知識(shí)進(jìn)行溫習(xí)和補(bǔ)充；更重要的是，通過查看習(xí)題模型庫，可及時(shí)地校對(duì)所做練習(xí)的正確性，彌補(bǔ)了教師不能及時(shí)輔導(dǎo)的缺陷，也能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率。

4 結(jié)束語

這種利用資源共享、輔助教學(xué)、交流互動(dòng)、師生共建等指導(dǎo)思想建立的Web三維模型共享平臺(tái)同樣可應(yīng)用于機(jī)械原理及機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)中。利用Web 3D等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不受時(shí)間地點(diǎn)的限制，能夠準(zhǔn)確地展現(xiàn)出機(jī)械外形和結(jié)構(gòu)，演示機(jī)械的功能和原理，學(xué)生通過觀察和操作能夠?qū)C(jī)械有更加全面、深入的認(rèn)識(shí)和了解。網(wǎng)絡(luò)化三維模型共享平臺(tái)是順應(yīng)信息技術(shù)快速發(fā)展的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的工具之一。它對(duì)增強(qiáng)工科類學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課程興趣，提高教學(xué)效果，促進(jìn)專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革都有著重要的作用。

［1］大連理工大學(xué)工程圖學(xué)教研室.機(jī)械制圖［M］.第6版.北京：高等教育出版社，2007.

［2］馬惠仙.基于數(shù)字化技術(shù)的工程制圖教學(xué)系統(tǒng)研究［D］.上海：華東理工大學(xué)，2011：6-7.

［3］陳麗軍.三維CAD軟件在《機(jī)械制圖》教學(xué)中的應(yīng)用［J］.洛陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，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(xué)中的應(yīng)用［J］.藥學(xué)教育，2012，28（3）：42-45.

［5］段家現(xiàn)，黃燕鈞.Pro/E在機(jī)械制圖立體化教學(xué)中的應(yīng)用［J］.梧州學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20（3）：57-61.

［6］單鴻波，王曉紅，金怡，等.3D模型庫在機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用［J］.東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，37（4）：535-540.