基于虛擬模型的工程制圖教學改革研究

楊 平，趙秀婷

（廣東工業大學 先進制造學院，510000，廣東廣州）

為了適應教育部對高等學校教育教學改革的要求，必須努力提高課程教學質量，提高學生學習水平。工程制圖課程是所有工科學生必須學習的專業基礎課，該課程在高等教育教學中占有重要地位。然而工程制圖的傳統教學方式存在一定的弊端，給初入大學的學生學習帶來一定困難，因此急需解決教學中面臨的各種問題。利用計算機技術，開發適合工程制圖課程教學的虛擬模型庫，利用沉浸式教學方式，解決了學生通過平面模型難以想象出空間模型的問題，對促進和提高工程制圖類課程教學質量至關重要。

1 工程制圖素養的培養

工程制圖是工程師之間進行交流的語言表達工具。工科學生除了要掌握制圖標準之外，還要具有識圖能力和三維思維能力。然而能力的培養離不開各種手段的支撐，利用各種先進手段能夠使教學達到事半功倍的效果。隨著教學內容的不斷擴展，要循序漸進地培養學生的工程制圖素養。學習內容從最簡單的點、線、面投影開始，逐步增加難度，到平面、曲面、空間投影及簡單的相貫。在學習過程中由二維擴展到三維，模型高度復雜和抽象化，使學生學習難度越來越大。如果沒有好的教學方法，會造成很多學生對后續內容失去學習興趣，對于與生產實際相聯系的標準件、常用件繪制及裝配圖繪制等部分重要內容知難而退，使其在今后的實際工作發展中受到很大的局限；因此，針對學生工程制圖素養的培養，傳統教學方式改革勢在必行。

2 教學現狀

工程制圖課程是大一新生必修的專業基礎課[1]，該課程對學生的空間想象能力要求較高，而傳統的PPT教學模式，很難使學生理解具體的教學內容。因此，在課堂教學中需要大量的教學模型來培養學生的空間想象能力，使學生具有一定的識圖和繪圖能力。要讓學生完成從二維平面到三維立體空間的相互轉換，需要大量的實物模型供學生觀察，但傳統的教學模型由于體積大、攜帶不便，且需要專門的管理者進行保管和維護，無論教師還是學生使用都不方便。為了克服這些困難，現階段我國高校廣泛采用多媒體CAI 課件，如利用三維建模軟件構建工程制圖模型庫，而自主開發的工程制圖電子教學資源大多采用flc、mov、avi 等媒體格式，使用這些媒體格式播放的三維圖形都不能隨意地移動和旋轉，交互性不強，學生不能對圖形任意操作，不利于培養學生的空間想象能力。

3 教學改革

以課堂提質增效為主渠道，落實教學改革。采用虛擬模型，使學生與模型之間可以進行交互，通過交互極大提高了學生學習的積極性，改變學生的學習意識，由原來的被動學習轉變為主動學習，通過交互功能來完全掌握學習內容，從而提高教學質量。

3.1 技術支撐——HTML5 和WebGL 技術

隨著前端網頁技術的快速發展，網頁上展示三維模型備受青睞，HTML5 是構建Web 內容的一種語言描述方式，通過編程在網頁上展示三維模型。網頁上展示三維模型，可以避免利用三維軟件展示模型對電腦配置要求高及不同軟件之間格式不兼容問題的出現，不受建模軟件的限制，通過操作鼠標打開網頁即出現三維模型。利用WebGL 的第三方庫three.js 建立的虛擬三維模型[2]，可以充分調動學生的想象力，在網頁或手機屏幕上操作實現交互，使學生沉浸在整個教學活動過程中，以克服傳統教學模式的弊端，提高教學質量。

three.js 通過創建所需的基本元素，如點、線、面、矩陣等，將相機（Cameras）、物體（Objects）、光線（Lights）等添加到場景（Scene）中，借助渲染器（Renderer）進行場景渲染，即可實現基本的網頁三維模型展示[3]。

3.2 教學形式改革

改變傳統的只采用PPT 的教學模式，避免學生生搬硬套地學習和課后練習，鍛煉了學生識圖和建模的能力。在課堂內利用虛擬模型和PPT 相結合的教學方式，當講到具體模型時，學生可以利用電腦或手機端打開虛擬模型庫中的文件，對模型進行放大、縮小及旋轉操作，從而對三維模型的每個細節都完全掌握。

在長期的教學實踐中，對于根據兩個視圖補全第三視圖的這類練習，學生往往很難想象出組合體的立體圖，而不能正確作出第三視圖，教師對照PPT 講解很難使學生想象出模型的立體圖。這種傳統教學方法教師費力，學生難懂，達不到事半功倍的效果。但是有了虛擬模型庫，教師則可以結合立體圖形和二維視圖給學生講解，學生能夠快速地掌握所學的內容，對每一個細節都能深入體會。

再比如有切挖等形式的復雜模型，需要想出內部結構和立體形狀，這部分內容會使學生感到非常困難，對于有些細節部分很難想象。同時在裝配體部分教學過程中，學生也對裝配模型不能理解。但是有了three.js 技術將虛擬模型引入課堂，學生通過自己動手去拆分和裝配模型，可以對模型有深入的了解，從而很好地培養學生的識圖能力和空間思維能力。

3.3 教學改革實施方法

為了改變傳統的PPT 教學模式，需要建立虛擬模型庫。為了方便學生學習，建立與教材配套的模型庫，學生通過在課本上掃描模型對應的二維碼就可以打開此模型，從而在手機端或電腦端縮放、旋轉、移動此模型，極大地提高了教學效果，同時節省了購買實物模型的成本及保管維護的費用。

3.3.1 用戶端three.js 編程

利用three.js 編程[4]，建立工程制圖模型庫。首先利用三維建模軟件建立相應的模型，將模型保存為OBJ 和MTL 格式[5]，供編程使用。為了在手機端使用需要定義Android 和iOS 系統及微信端，如下所示。通過編程，可以在安卓手機、蘋果手機及微信端打開虛擬模型庫。

3.3.2 三維模型創建及編程

為了建立與教材配套的模型，利用三維建模軟件Solid Works 或UG 等建立三維模型，將模型導入到3DS MAX 中，然后將模型導出為OBJ 格式，導出后的模型包括OBJ 和MTL 格式，用three.js 編程打開模型。具體命令如下。

3.3.3 虛擬場景創建

為了將三維模型建立在虛擬環境中，需要創建虛擬環境場景、相機及光線等，這樣利用三維建模軟件創建的模型在虛擬環境中可以更真實地展現模型，具體程序如下[6]。

3.3.4 模型庫維護

模型庫的維護主要涉及根據課程內容調整模型的內容，可以很方便地增加三維模型，將三維模型導入已經編好的程序中，即可以增加虛擬模型庫的內容，具有極好的模型可維護性。相比實物模型來說，省去了購買模型的經費及模型存放、保管的費用。因此虛擬模型庫對于上課所需模型具有非常好的替代作用，利用虛擬模型進行教學能達到省經費、省地方、省保管的效果。

4 結論

為了能在工程制圖這門專業基礎課的教學中提高學生的工程制圖識圖作圖能力，使學生達到工程師的培養水平要求，需要改進教學手段，利用虛擬模型庫與PPT 結合的方式教學，以達到事半功倍的效果，同時也節省了大量經費用于購買模型，以及解決模型難于攜帶、維護、存放等問題。通過在教學中使用虛擬模型庫，降低學生學習難度。虛擬模型庫采用three.js 語言編程，可以實現手機和電腦端操作，為需要利用模型上課的課程的教學改革提供了技術支撐。