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(kù)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(kù)都不是開(kāi)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(kù)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)及存在的問(wèn)題

三維模型庫(kù)或稱為3D虛擬模型庫(kù)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(lái)，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(kù)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(kù)還有豐富實(shí)踐性教學(xué)素材庫(kù)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(kù)還客觀存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）不完全開(kāi)放，修改及更新能力差。目前絕大多數(shù)虛擬三維模型庫(kù)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(kù)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(kù)，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(kù)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(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)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(kù)的積極性。

（3）非網(wǎng)絡(luò)化，共享性差。三維模型庫(kù)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(kù)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(guò)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(kù)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(wèn)的工具。教師和學(xué)生只需通過(guò)Web瀏覽器，并安裝一個(gè)簡(jiǎn)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(wú)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(kù)與擴(kuò)展工具等。

（3）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)庫(kù)是三維模型共享平臺(tái)的支撐，而三維模型資源庫(kù)是最重要的數(shù)據(jù)來(lái)源。依據(jù)其來(lái)源不同分為基礎(chǔ)模型庫(kù)、擴(kuò)展模型庫(kù)和用戶模型庫(kù)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(guò)接口予以連接，并以服務(wù)的形式來(lái)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(kù)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(kù)分為3類：基礎(chǔ)模型庫(kù)、擴(kuò)展模型庫(kù)和用戶模型庫(kù)。三維模型資源庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

擴(kuò)展模型庫(kù)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(kù)和擴(kuò)展工具，按需求對(duì)基礎(chǔ)庫(kù)進(jìn)行的適時(shí)擴(kuò)展和調(diào)整。用戶模型庫(kù)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(kù)的一種有效擴(kuò)充。學(xué)生在校園網(wǎng)上打開(kāi)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(kù)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(kāi)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(guò)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(wèn)首頁(yè)或系統(tǒng)管理頁(yè)。在課堂教學(xué)時(shí)，教師通過(guò)訪問(wèn)系統(tǒng)來(lái)瀏覽已有的三維模型輔助教學(xué)，通過(guò)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)各種圖形的感性認(rèn)識(shí)來(lái)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(guò)改變模型尺寸來(lái)更形象地展示圖形的變化情況，如通過(guò)在線改變圓柱直徑大小來(lái)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(kù)與擴(kuò)展工具，對(duì)基礎(chǔ)庫(kù)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(kù)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(wèn)首頁(yè)，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(yè)，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(guò)查看習(xí)題模型庫(kù)，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(yǔ)

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(guò)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(yáng)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(kù)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(kù)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.