Web3D虛擬仿真技術在機械類實踐教學中的應用

摘 要：針對傳統機械類實踐教學中實驗儀器套數限制、實驗操作風險以及試驗場地不足等問題，提出將虛擬仿真技術應用于實踐教學中。文中以機械類專業中工程力學和單片機原理及應用實踐課程為例，采用Web3D建模引擎，構建虛擬仿真實驗平臺，大大提升了實踐教學效果。基于Web3D引擎的虛擬仿真技術作為一種先進的教學手段，擁有廣闊的應用前景。

關鍵詞：機械類;Web3D引擎;虛擬仿真;實踐教學

中圖分類號：TP399??????? 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.09.055

1 機械類實踐教學的現狀

傳統教學模式中的機械類課程教學，理論課與實踐課是相互分離的，學生在理論課中理解不到位的地方也無法及時通過實踐課加以理解，再到上實踐課的時候，學生早已把之前理論課學習的知識遺忘，導致學生知識掌握不扎實。機械類實踐課程相對于理論課程，主要的優勢有教學方式直觀，容易提升學生學習興趣，發揮學生的主觀能動性，增強學生的動手能力等。近年來，機械類課程實踐教學環節隨著課時量的增加，往往伴隨著實驗室建造、改造，實踐基地的建設等硬件投入，對辦學能力是一個考驗，若實驗器械的質量及數量達不到要求或者實驗操作有一定的風險性，進而會影響學生的學習效果。因此，本文提出將基于Web3D引擎的虛擬仿真技術應用于機械類實踐教學中，以提升實踐教學水平。

2 Web3D引擎虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術即用一個虛擬的系統模仿一個真實系統的技術[1]。該技術以高性能計算機技術為基礎，通過先進的圖像生成技術、動畫技術及三維感知技術將現實場景再現于計算機環境中，擁有浸入性、人機交互性和構想性等多種特征，且內容豐富，可以根據用戶需求進行響應。

虛擬仿真技術核心是建模引擎，目前常用的建模引擎為Web3D建模引擎。該引擎涉及的技術種類繁多，主流的技術包括VRML、Java3D和Cult3D[2、3]。下面從3D建模方式及應用特點對幾種技術進行對比。

對比得出，VRML技術和Java3D技術是以編寫繁瑣的程序代碼為基礎來構建三維模型和交互設計，而Cult3D技術是將建模和交互設計分開進行，并通過Java先進技術的支持來提高交互和擴展能力，同時還可以實現高質量的三維建模、渲染及網絡傳輸速度。因此，在機械類實踐教學中利用Cult3D技術作為Web3D建模引擎，教師可將多年來傳統實踐教學中積累的實驗數據樣本導入計算機系統中，為學生提供優質的教學資源。

3 實踐教學應用實例

3.1 Web3D虛擬仿真技術在工程力學中的應用

在機械類等大多數工科專業中，工程力學是一門重要的專業基礎課，是從基礎課到專業課過渡的一個橋梁，工程力學的實踐教學環節可以加深學生對于構件運動規律的理解和對材料性能、工程安全的認識。實踐教學是課程中重要的有機組成部分。現將基于Web3D引擎的虛擬仿真技術應用于工程力學實踐教學中，以下為具體實例介紹。

以一個典型的工程力學實驗——“金屬材料的拉伸”為例，該實驗目的是比較兩種材料低碳鋼（塑性材料）與鑄鐵（脆性材料）的力學性能特點與觀察試件的斷口情況，從而確定其機械性能。傳統實驗課程中，實驗流程一般為：第一，測量試件尺寸;第二，在實驗機上將試件拉斷并記錄力變形曲線;第三，測量斷后試件變形量;最后，撰寫實驗報告。實驗中，觀察試件的拉伸過程是教學重點，但由于試件的破壞過程較快，多數同學對于實驗結果只能留下一個粗淺的直觀印象，對其后隱藏的力學知識不能很好的領會。另一方面，因為實驗儀器套數和試件數目的限制，很難在教學過程中通過不同試件破壞過程的比較來向學生說明材料本身力學性能的重要性及材料各種力學參數對構件制造的影響。很多機械制造專業的學生，在學習后期進行課程設計及畢業設計的過程中，往往對材料的選擇沒有自己的理解，只是單純的按照設計指導書“照方抓藥”，對于為何要選擇該種材料茫然不知。

在“材料的拉伸”實驗中應用Web3D引擎虛擬仿真技術，虛擬仿真實驗在Clut3D技術的支持下，將基于Java的傳統實驗數據樣本庫導入，供后續人機交互選用。人機交互過程中，首先，學生可以在實驗平臺上自由地選擇實驗動畫速度，隨時暫停拉伸過程，觀察力變形曲線;其次，學生也可以選擇不同的加載速度和加載方式，觀察試件在不同受力環境下性能的變化;最后，通過數據庫中大量實驗數據樣本的支持，學生可以在有限的教學課時內觀察到多種材料和多種形狀試件在受到拉伸時的變形過程及破壞情況，大大提升了學習效果。

可以看出，實踐教學中應用虛擬仿真技術后，教學過程可以從傳統的固定實驗流程中解放出來，學生可以通過虛擬仿真實驗平臺輔助得到更多的操作方向、背景知識、試錯空間以及細節數據等。

3.2 Web3D虛擬仿真技術在單片機原理及教學中的應用

單片機課程作為機械專業的實踐性學科，對培養中職學生的動手能力具有重要意義，能夠促進學生對理論知識的理解，本部分將基于Web3D引擎的虛擬仿真技術應用于單片機課程實踐教學中，以下為具體實例介紹。

以綜合性設計性實驗——萬年歷為例，該實驗思路為使用Proteus軟件繪制電路圖，再使用Keil軟件編寫程序，最后使用Web3D引擎進行虛擬仿真，檢測萬年歷的日期、時間是否準確，并在此基礎上適時引導學生填加新的功能，如溫度顯示和鬧鐘提醒等。

3.2.1 硬件電路圖

硬件電路圖是按照S2～S5的順序進行設計的，以AT89C51型號的單片機為主控制器，計時采用DS1302時鐘電路，使用DS18B20傳感器采集溫度，顯示屏為LCD1602液晶顯示屏。從設計圖中各項設備的使用來看以及設計圖的設計思路來看，運用的是模擬電路和數字電路的相關知識，學生對該部分知識的理解存在缺陷，不理解或者理解不到位的學生人數占比較多，采用Proteus軟件進行電路圖的繪制易于讓學生在繪制電路圖的過程中掌握設計思路，了解各設備的作用，進而對模擬電路與數字電路的相關知識得到進一步理解，幫助學生加深記憶。

3.2.2 軟件程序

在采用Proteus軟件繪制完萬年歷原理圖后，啟動Keil軟件編寫程序編寫萬年歷仿真程序，學生在編寫程序的過程中，教師應在一旁加以指導，確保學生將程序中的位定義與硬件電路相對應。具體流程如下：（1）添加合適單片機型號項目文件;（2）根據電路的實際功能進行源程序編寫;（3）運行源程序。

3.2.3 電路仿真

將編譯好的源程序添加到Proteus軟件的項目文件，點擊開始按鈕進行仿真模擬，從仿真圖中可以看到萬年歷顯示的日期、時間、溫度等信息。

通過本次仿真模擬，不僅能夠讓學生掌握萬年歷的虛擬仿真技術，還能幫助學生理解在理論課學習中存疑的知識，加深學生的學習印象，使教學內容更直觀、豐富和生動，符合學生的學習特點，易于學生接受。

除工程力學、單片機原理及應用實踐課程外，對于諸如機械設計等其它機械類專業課程，虛擬仿真實驗技術也有廣闊的應用前景，通過引入模塊化和參數化模型，可以使學生在傳統實驗基礎上實現零件的自由設計、裝配及調試，從而激發學生的創造力。另外，由于仿真實踐教學處于虛擬環境，當學生出現操作失誤時，不至于出現事故和損失，提高了教學安全性。

4 結論

基于web3D引擎的虛擬仿真實驗技術作為一種先進的教學手段，在成本、維護、操控性、分享性及可升級性等方面有著明顯的優勢，是提升機械類專業學生實踐能力的有力工具，應用前景廣闊。通過虛擬仿真技術的應用，可以突破實驗室現有條件的束縛，顯著提升地方院校的教學水平，為培養大量的應用型人才提供助力。

參考文獻：

[1] 周洪旭.虛擬仿真技術在航空教學中的應用研究[J].數字技術與應用，2011（1）：89.

[2] 申蔚，曾文琪.虛擬現實技術[M].北京：清華大學出版社，2009.

[3] 黃金棟.基于Web3D技術的大學物理虛擬實驗的構建與教學應用研究[J].電腦知識與技術，2018，14（24）：96-100.

作者簡介：劉彩花（1989-），女，山西晉中人，研究生，助教，研究方向：機電一體化設計。