“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下交互式模型庫的開發(fā)和應用
——以“機械制圖”課程為例＊

周蘇潔，伍玲密

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學院，浙江 溫州325016）

1 引言

“機械制圖”是工科類高等職業(yè)院校一門十分重要的必修技術(shù)基礎(chǔ)課，課程主要以培養(yǎng)學生繪制和識讀機械圖樣的基本技能為基本目標[1]。同時“機械制圖”是一門理實并重的學科，需要學生抓住“物”“圖”之間的轉(zhuǎn)化方法和規(guī)律進行讀圖和繪圖，對空間想象能力有很高的要求。高職學生空間想象能力普遍薄弱，而傳統(tǒng)教學以課堂教學為主，多采用PPT、板書等教學形式，利用掛圖或?qū)嶓w模型等教學工具加以輔助。但是，PPT 課件展示模型大多以二維圖形為主，立體感不強，加上實體模型不足和課時的縮減，整個教學過程缺乏互動體驗，枯燥乏味，學生學習難度大，導致教學效率低下，教學效果不佳。

隨著三維CAD 建模技術(shù)日益成熟，三維應用軟件的廣泛使用，建立三維模型庫替代實物模型充當教學輔助工具成為可能[2]。此外，“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，教學手段不斷更新，大量線上學習平臺不斷涌現(xiàn)，豐富了教學資源，打破了教學課時和場地的局限。因此，本文提出了利用三維CAD建模軟件建立交互式模型庫輔助課堂教學，同時利用線上學習平臺，進行模型庫資源以及三維建模微課的發(fā)布和管理，可以有效地提高學生的空間想象能力，降低學習和授課的難度，同時對提升學生的自主學習能力、激發(fā)學生的學習興趣有一定積極作用。

2 三維建模軟件的選擇

SolidWorks 相比于Pro/E、UG、CATIA 等三維建模軟件，具有界面友好、易學易用等特點。特別是針對初學者，也可以較快上手。其強大的基于參數(shù)化和實體建模的功能尤其適合創(chuàng)建三維模型庫。綜上所述，本文選擇SolidWorks軟件來完成三維模型的創(chuàng)建。

3 交互式模型庫的建立

機械制圖交互式模型庫就是利用計算機建模技術(shù)實現(xiàn)對實體模型的虛擬化，創(chuàng)建出來的模型具有形象逼真、多樣化、可修改擴充等特點，在一定程度上可以替代傳統(tǒng)模型的制作、管理和使用[3]。交互式模型庫主要由三維虛擬模型庫、二維視圖庫和運動仿真及三維建模視頻庫三部分組成[4]。

3.1 交互式模型庫的創(chuàng)建思路

交互式模型庫的創(chuàng)建思路如圖1 所示。

圖1 交互式模型庫的創(chuàng)建思路

3.2 三維虛擬模型庫的建立和應用

傳統(tǒng)的“機械制圖”教學中，針對相貫線及截交線的理解，組合體的形體分析過程（疊加、切割），剖切體的假想剖切面位置以及裝配體的拆裝過程原理等一直是教師和學生都比較頭疼的問題。因此，針對“機械制圖”中的重難點知識點進行輔助建模，內(nèi)容主要包括相貫體及截交體、組合體、剖切體以及裝配體。三維虛擬模型庫創(chuàng)建的主要有以下2 個步驟：①首先在SolidWorks 草圖工具中繪制二維草圖，再經(jīng)過拉伸、拉伸切除、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)切除、掃描、特征陣列以及打孔等特征操作完成三維實體的創(chuàng)建。此外，Solid-Works 草圖中的幾何約束和智能尺寸功能，可以對三維模型尺寸大小實現(xiàn)實時修改，從而使創(chuàng)建的模型更加精確。②將SolidWorks 創(chuàng)建好的三維模型源文件導入CADbro 軟件，通過CADbro 軟件轉(zhuǎn)化成*.html 格式，同時生成對應的二維碼圖片。在課堂教學中，可以將*.html 格式文件和二維碼圖片嵌入PPT，教師無需在計算機上安裝任何軟件即可通過瀏覽器打開*.html 文件，利用鼠標就可以實現(xiàn)模型的移動、旋轉(zhuǎn)及放大縮小，讓三維模型的內(nèi)外形狀結(jié)構(gòu)全方位地呈現(xiàn)在學生面前。對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復雜的模型，可以利用剖切工具對模型進行三維剖切，還可以選擇隱藏某些構(gòu)件來簡化模型。在講解到對應的模型案例時，學生也可以借助自己的手機，進行掃碼查看和操作三維模型。

軸承座的三維模型和爆炸圖如圖2 所示，通過CADbro內(nèi)置的爆炸圖功能，教師上課時，可直接演示一些簡單的基本體疊加形成組合體，有助于學生在提高空間構(gòu)圖能力的同時，鞏固理解組合體的視圖的分析方法和繪圖步驟。機件平面剖切圖如圖3 所示，灰色區(qū)域即為剖切平面，用戶可動態(tài)地對剖切平面進行調(diào)節(jié)，直觀地展示假想剖切平面的形狀和位置。這種直觀的交互式模型查看體驗，可有效地降低學習難度，提升課堂的趣味性和互動性。

圖2 軸承座三維模型和爆炸圖（疊加型組合體）

圖3 機件平面的剖切圖

3.3 二維視圖的生成和應用

借助三維模型和二維視圖的關(guān)聯(lián)性，SolidWorks 很方便地可以由三維模型自動生成對應的二維工程圖。但是，在生成二維工程圖時，需要注意以下4 點：①需要選擇合適的機件表達方法，包括基本視圖、斜視圖以及各種剖視圖等來準確地表達模型結(jié)構(gòu)形狀[5]；②自動由三維模型尺寸生成二維尺寸時，需要適當?shù)卣{(diào)整視圖位置、尺寸標注及縮放比例；③需要對工程圖的表面粗糙度、尺寸公差、形位公差等技術(shù)要求進行標注；④需要對不符合國家標準的幾何元素進行修改，從而使輸出的工程圖符合設(shè)計要求。

以圖2 的軸承座組合體為例，生成的工程圖如圖4 所示。

圖4 軸承座工程圖

因此，創(chuàng)建好三維虛擬模型庫之后，可以很簡便地得到與之對應的二維視圖庫。

3.4 運動仿真、三維建模視頻的制作和應用

為了更清晰地展示裝配體的工作原理以及各零部件之間的裝拆過程，可以利用SolidWorks 的Motion 插件來模擬和捕捉裝配體的運動，最終生成動畫視頻。

利用屏幕捕捉功能，可以將三維模型的建模以及運動仿真過程進行錄制，形成三維建模教學視頻包。學生可以充分利用課余時間進行線上學習，初步掌握簡單立體的建模技能，能夠更好地理解三維模型和二維視圖之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，不斷提升自身的空間想象能力，培養(yǎng)自身的構(gòu)型思維能力，以增強個人工程素養(yǎng)，為后續(xù)深入學習三維建模相關(guān)課程奠定必要的學習基礎(chǔ)。

4 CADbro 在交互式模型展示中的應用

CADbro 是一款具備輕量化且功能強大的三維模型查看和分享軟件。CADbro 克服了常見三維設(shè)計軟件安裝過程復雜、占用空間大的缺點，是目前信息化教學資源自主開發(fā)的重要工具之一。常見的三維模型格式都可以導入CADbro，用戶可以根據(jù)工具欄不同的功能選項，方便地查看模型的各個視圖、剖視圖、爆炸圖。通過分享鏈接和二維碼的方式，或直接將格式轉(zhuǎn)換成*.html 格式進行保存，就可以在電腦端或者移動端全方面直觀地了解模型的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、裝配關(guān)系等信息。

5 “互聯(lián)網(wǎng)+”背景下交互式模型庫的線上應用

在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，多數(shù)院校都在借助線上學習平臺開展和探索線上線下、課內(nèi)課外混合式教學新模式。利用“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的優(yōu)勢，可以使課程內(nèi)容、課程組織、課程任務、課程資源、課程考核評價、課程討論和學情統(tǒng)計等教學活動進行有機融合，形成完整高效的線上學習和管理方案。“機械制圖”線上學習和管理方案如圖5 所示，本文提出的交互式模型庫，可以充分利用線上教學平臺，按照“機械制圖”課程內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系，將交互式模型庫中的三維模型、二維視圖以及運動仿真、三維建模視頻上傳到對應章節(jié)[6]，并在各章節(jié)前設(shè)置學習任務和學習目標，在章節(jié)后設(shè)置隨堂練習、課后作業(yè)及學習討論等教學活動。

圖5 “機械制圖”線上學習和管理方案

課前，學生可以事先對下發(fā)的學習任務進行預習，查看三維模型或機構(gòu)仿真視頻充分熟悉課堂中的模型案例；課后，可以觀察作業(yè)庫中的三維模型進行二維視圖的繪制，上交后可參照二維視圖庫進行自我檢查和訂正，同時可以觀看三維建模視頻，對三維模型的創(chuàng)建和二維視圖的生成進行反復訓練，不斷增強學生對“物”“圖”之間轉(zhuǎn)換規(guī)律的感性認識。總之，針對互動式模型庫而言，線上學習平臺的應用，彌補了教師自建網(wǎng)頁難度大、耗時長、管理差等缺點，極大地降低了教學難度，同時配合線下教學，為學生提供了個性化自主的學習空間，有效激了發(fā)學生自主學習的能力，提高其思維和創(chuàng)造能力。

6 結(jié)束語

實踐證明，借助線上學習平臺構(gòu)建的交互式模型庫，改變了傳統(tǒng)的“機械制圖”的教學模式，可以有效地提高教學質(zhì)量和效果。交互式模型庫能夠突出課程內(nèi)容的重點難點，不僅可以在課堂教學中發(fā)揮積極地輔助作用；同時，通過網(wǎng)絡(luò)學習，可以培養(yǎng)學生的自主學習能力，使學生可以根據(jù)自身的學情特點，不受時間和空間的限制，對互動式模型庫進行有針對性地學習，可以極大地激發(fā)學生的學習能動性。此外，還可以根據(jù)教學的實際需求，靈活地對交互式模型庫進行修改和補充。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，交互式模型庫的應用前景將變得更加廣闊。