移動虛擬工程圖學模型庫的開發與應用

陳功 孫海波 李艾民 趙啦啦

摘要：基于OBE的人才培養理念，在工程圖學課程中充分融入三維數字化、移動互聯、虛擬交互等綜合信息處理技術，運用Creo Parametric、圖紙通等軟件技術平臺，系統完成了模型庫規劃、模型構建、模型管理、成員組織、學生管理、學習交流等設計研發工作，實現了移動虛擬工程圖學模型庫的開發。初步應用實踐表明，模型庫可有效激發學生的學習興趣，幫助學生合理利用學習時間和空間，提高學生的學習效率，提升學生的三維空間想象能力和綜合創新能力。論文闡述了該項研究中的實踐應用部分。

關鍵詞：移動互聯;虛擬交互;工程圖學;模型庫

中圖分類號：TP391? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）51-0120-03

本論文的工作是基于“移動虛擬工程圖學模型庫的開發與應用”教學改革成果的前一篇論文基礎上展開的，必要時讀者可參閱本刊前面的論文，移動虛擬工程圖學模型庫的開發與應用——理論方法篇。

一、三維建模與模型處理

（一）三維建模的軟件工具

Creo Parametric的前身是號稱“震撼業界的機械設計軟件和世紀最強大的模局設計軟件”Pro/Engineer，由美國PTC（Parametric Technology Corporation，參數技術公司）推出的集成CAD/CAM/CAE于一體的全方位3D產品開發軟件，也是目前世界上最為流行的三維軟件之一，廣泛應用于電子、機械、模具、工業設計、汽車制造、航空航天、家電等各個行業[1]。因Creo Parametric軟件平臺具有先進的參數化設計、基于特征的實體造型等特點，足以滿足工程圖學虛擬模型庫中三維模型的開發需要，同時Creo Parametric軟件所開發的零件及裝配模型無須轉換，便可直接在“圖紙通”移動App中查看與處理，與本文移動模型庫的應用無縫對接，因而本文主要使用Creo Parametric軟件進行移動虛擬工程圖學模型庫中三維模型的建立和處理。

（二）三維建模的典型方法

根據模型庫中各類模型的規劃和特點，模型庫中主要模型的建模方法如下。

1.點線面及簡單形體。點可以通過基準點、線面求交等方式創建，用小球實體化顯示;線可以通過草繪、各類曲線、面面求交等方式創建，通過圓形截面拉伸或掃描實體化顯示;面可以通過點、線、拉伸曲面、填充曲面等方式創建，并對面著色顯示。簡單形體主要通過添加和去除材料的拉伸特征創建。

2.平面立體及截切體。主要通過添加及去除材料的拉伸、混合特征完成。平面立體表面取點線主要通過基準點、基準線、草繪、線在面上的投影、面面求交等方式完成。

3.回轉體及截切體、相貫體。主要通過旋轉特征完成。回轉體表面取點線主要通過基準點、基準曲線、曲線在曲面上的投影、曲面求交等方式完成。

4.組合體、常用機件。綜合點線面、平面立體、回轉體的創建方法，同時通過孔、筋板等構造特征及特征復制、鏡像、陣列等操作，完成組合體、常用機件的創建。通過各類剖截面的創建，可以查看到模型的內部特征，在工程圖中可進一步生成各種視圖、剖視圖、尺寸標注等。

5.典型零件。綜合組合體、常用機件的創建方法，還可通過螺旋掃描、變截面掃描、掃描混合、環形折彎等創建彈簧、齒輪及含有復雜曲面的零件。同時通過族表、自定義特征、參數與關系、Pro/Program等實現零件模型的快速派生[1，2]。

6.典型裝配體。主要通過Creo Parametric的裝配模塊、機構運動仿真模塊、產品爆炸圖編輯生成模塊等完成。重點表達裝配體或產品內部零部件組成、裝配連接關系、工作原理等。

（三）三維模型的后期處理

為了突出截切平面的形狀及位置，后期模型處理中將不同截平面賦予不同的顏色;為了突出裝配模型中不同零部件之間的裝配連接關系，后期模型處理中將不同零件賦予不同材質。顏色、材質的適當處理，一方面可以使學生重點關注到各個點線面、結構特征、典型零件等，另一方面可以提升模型的視覺效果，激發大家的學習熱情，提高學習效率。工程圖學模型庫中典型零部件的創建結果如圖1所示。

模型創建處理完成后，系統管理員可以在“圖紙通”PC端創建圖紙項目、上傳圖紙模型，并通過微信群、QQ群或發布分享網址等方式分享發布模型共享信息，以便下一環節教師和學生通過“圖紙通”PC端或移動端查看這些模型。根據需要，系統管理員也可以很方便地在“圖紙通”PC端或移動端刪除已經上傳的模型，實現對模型庫的有效管理。

二、成員組織與學習管理

（一）模型庫的成員組織

模型庫創建完成并由系統管理員網上發布后，需要使用模型庫的師生在Android和IOS系統移動端，通過手機或平板電腦等下載、安裝并注冊“圖紙通”移動App。注冊時只需要通過輸入手機號、獲取驗證碼，然后填寫姓名、院系、班級等基本信息，設置系統登錄密碼即可完成App注冊。移動端App安裝注冊后，師生需要通過系統管理員發布的項目模型分享信息，申請加入移動虛擬工程圖學模型庫。系統管理員可以通過手機短信、圖紙通App中“我的消息”等渠道及時收到師生們的申請信息，核對信息無誤后，審核通過師生的加入申請。系統管理員根據需要，也可以在“項目成員”列表中刪除部分或全部項目成員（參與項目的師生），被刪除的師生將失去瀏覽模型庫的機會。系統管理員對項目加入申請審核通過后，師生便可以在“圖紙通”移動端“我參與的項目”列表中看到模型庫中的各類模型，并可查看、分享、批注這些模型。

（二）模型庫的學習管理

移動端App的主要交互方式是手勢交互，目前手機、平板電腦移動終端幾乎都支持多點觸摸屏技術，觸控屏技術使得用戶對于移動產品體驗更加豐富。通過分析研究“圖紙通”App的移動端的交互方式和交互行為，本文移動模型庫中模型查看、模型處理、批注交流等主要功能的交互方式是一種典型的自然交互，Android和IOS端的交互界面、交互方式一致性很高，師生使用時上手快、學習成本低、技術復雜度低、用戶體驗好，他們幾乎不需要或者只需要做很少量的學習培訓，便可以將重點集中到模型的查看、學習和處理本身。對于內部結構復雜的零件或裝配模型，可以通過模型剖切功能，使原本抽象難懂的模型結構、裝配連接關系變得簡單、形象、易理解。通過模型的圖文批注功能，可以實現師生之間的互動交流，獲取模型中值得關注的圖文信息，答疑解惑、分享模型使用經驗和學習心得。同時系統管理員可以及時收到師生對于模型庫使用過程中的問題、建議等，持續對模型庫進行改進與優化，以更好地服務于工程圖學的教學工作。

使用移動虛擬工程圖學模型庫時的典型界面及場景如圖2所示。

水可載舟，亦可覆舟。利用好移動虛擬工程圖學模型庫可以使學生直觀、靈活地看到模型結構形狀，輔助空間思維能力的培養，如果學生在學習和練習過程中過度依賴三維模型，反而會失去空間想象能力的鍛煉，則結果有時會適得其反。為了充分發揮移動虛擬工程圖學模型庫的積極意義、克服消極影響，我們對模型發布時間進行了規劃：教材類模型，課前發布，方便同學們預習;課件類模型，老師上課時根據需要進行展示、處理，課后發布，方便同學們復習;習題類模型，學生作業完成并批閱后，進行發布，便于同學們訂正與復習。

三、積極實踐，效果初顯

本文所開發的移動虛擬工程圖學模型庫已經在我校機械工程專業2017級5、6班、電氣工程專業2018級10、11班、電子信息專業2018級9、10班等班級的同學們中廣泛使用，大家普遍反映模型全、效果好、功能強，大家學習變得輕松、成績提升明顯。逼真的虛擬三維模型，突破時空限制的使用，使學生對這門課程產生了濃厚的興趣，變被動接受為主動學習，鍛煉了學生的空間想象力和空間思維能力，提高了學生的學習效率。移動虛擬工程圖學模型庫的開發與應用，結合了信息技術發展的最新成果，豐富了現代教學方法，彰顯了教學改革成果。

本文開發實現的移動虛擬工程圖學模型庫具有科學性、系統性、全面性、新穎性、便攜性、易學習性、易獲得性、數據安全性、跨平臺一致性等優良特性，后期我們將在三維模型顯示與二維工程圖紙關聯上開展進一步的工作。希望本文的研究能夠給現代工程圖學及其他相關課程的教學改革帶來一定的理論參考和實踐經驗。

參考文獻：

[1]陳功，孫海波.Creo Parametric 2.0三維造型及應用[M].南京：東南大學出版社，2014.

[2]孫海波，陳功.Creo Parametric 2.0三維造型及應用實驗指導[M].南京：東南大學出版社，2014.