用于網(wǎng)絡教學的虛擬仿真交互式課件研究

谷艷華， 朱艷萍， 楊得軍， 付 恒

(1. 吉林大學機械學院，吉林 長春 130012；2. 吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130012)

用于網(wǎng)絡教學的虛擬仿真交互式課件研究

谷艷華1， 朱艷萍1， 楊得軍2， 付 恒1

(1. 吉林大學機械學院，吉林 長春 130012；2. 吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130012)

網(wǎng)絡教學急需交互式課件。利用CATIA建立機械產(chǎn)品的虛擬模型，實現(xiàn)機器拆裝和工作過程的虛擬仿真。將虛擬仿真制作動畫視頻后嵌于具有交互性的 Flash軟件中，生成可在網(wǎng)絡上使用的虛擬仿真網(wǎng)絡課件。也可以將CATIA虛擬模型直接導入到3DVIA Composer軟件中，制作虛擬仿真課件。兩種方法制作的課件方便學生在網(wǎng)絡上自主學習。

機械設計；網(wǎng)絡交互課件；虛擬仿真動畫；Flash；3DVIA Composer

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，不斷涌現(xiàn)的共享課程、網(wǎng)絡課程、慕課、微課等網(wǎng)絡教學的形式深受教師和學生的喜愛。如何將包含抽象思維和形象思維的工程圖學課程實現(xiàn)網(wǎng)絡教學[1]；如何引導學生自主學習，從尺寸、時間和成本 3個方面培養(yǎng)學生立體構(gòu)型過程的創(chuàng)新思維[2]；教師在工程圖學網(wǎng)絡教學中如何進行教學設計和教學資源準備等，都值得每位師者深思，除了準備優(yōu)質(zhì)視頻資源之外，制作網(wǎng)絡交互式課件是網(wǎng)絡教學迫切的任務[3]。開發(fā)網(wǎng)絡教學的虛擬仿真交互式課件的目的是呈現(xiàn)機械產(chǎn)品的虛擬仿真過程和實現(xiàn)學生自主操作學習內(nèi)容。

CATIA軟件功能強大，除了可實現(xiàn)虛擬三維建模外，內(nèi)嵌的DMU模塊還可實現(xiàn)虛擬拆卸和裝配、虛擬運動仿真等功能，并可生成虛擬動畫以展示產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、拆裝過程、工作原理等。新穎直觀、全方位的展示，幫助缺乏實際經(jīng)驗的學生建立起零部件空間的形狀，并在沒有實體或

實體展現(xiàn)不清楚的情況下，通過虛擬動畫理解零部件內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、裝配關系以及工作原理等內(nèi)容。但目前的現(xiàn)狀是工科院校老師更多地將其應用于課件之外，單獨的由桌面打開CATIA軟件來進行演示。該現(xiàn)場演示的方式費時費力，操作繁復，不便于課堂與網(wǎng)絡教學。因此本文重點討論CATIA內(nèi)嵌于Flash制作網(wǎng)絡交互課件和CATIA導入 3DVIA Composer后制作的網(wǎng)絡交互課件的制作方法。

1 CATIA嵌入 Flash交互課件的必要性

Flash制作的交互課件越來越多地應用于教學中。Flash擁有強大的人機交互功能，通過其按鈕、腳本等功能可實現(xiàn)課件中文本、圖片、音頻、視頻之間的任意跳轉(zhuǎn)，方便交互使用。其次，F(xiàn)lash可設計出精美的UI界面，制作者可通過背景選取、頁面編輯、頁面排版等設計出符合美學標準的課件界面。Flash雖擁有強大的制作動畫功能，但三維動畫的制作與達索公司開發(fā)的CATIA軟件相比操作過于繁瑣，且制作出的三維立體動畫無論從尺寸精確、材料渲染還是整體效果上都不及CATIA生成的動畫方便和生動。

通過CATIA制作的三維虛擬仿真動畫，并充分發(fā)揮CATIA制作三維立體、虛擬仿真的優(yōu)勢。將錄制或輸出的動畫經(jīng)過剪輯修飾后輸出視頻，直接加載于Flash中，與按鈕和動作腳本相結(jié)合可制作交互式課件[4]。這種展示三維虛擬仿真動畫的交互式課件利于師生在網(wǎng)絡教學模式下使用。

CATIA和Flash的結(jié)合，避免了使用Flash制作動畫的繁瑣，借助于Flash中強大的功能命令使得CATIA三維虛擬仿真視頻資源得到高效、快捷的應用。Flash具有文件壓縮比高，文件所占內(nèi)存小，畫面質(zhì)量清晰、傳輸速度快等特點。例如1.62 M的WMV視頻文件在轉(zhuǎn)化為FLV格式后只占用512 K的空間，這樣的網(wǎng)絡交互式課件有利于教學資源的共享以及網(wǎng)絡教學的實施[5-6]。

2 制作減速器的虛擬仿真

CATIA中DMU模塊除制作虛擬拆裝外，還能做機構(gòu)工作原理的模擬仿真，這里以工程圖學教學中典型的機械產(chǎn)品減速器為例介紹其工作原理虛擬仿真的制作過程。

2.1 減速器零件建模

在CATIA零件設計模塊下，使用草圖和零件設計中的命令建立減速器包括標準件在內(nèi)共35個零件的虛擬模型，如圖 1所示。為后續(xù)減速器機構(gòu)的拆裝、工作原理虛擬仿真做準備。

圖1 減速器零件模型

2.2 減速器機構(gòu)建模

進入減速器裝配設計模塊，導入組成減速器的35個零件模型。使用操作和約束等命令實現(xiàn)零件間的裝配關系。圖2為減速器機構(gòu)。

圖2 減速器

2.3 齒輪副的設置

2.3.1 虛軸與齒輪

CATIA齒輪副運動時需各繞一個已存在的軸線旋轉(zhuǎn)，即先確定齒輪的旋轉(zhuǎn)軸。要求齒輪副的兩條軸線在一個零件幾何體下建立，兩軸線之間的距離等于兩齒輪間的中心距。這兩條線以直線元素存在，只做齒輪旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)軸，此軸線被稱為虛軸。實現(xiàn)齒輪嚙合運動虛擬仿真的條件，必須在裝配設計模塊下將兩虛軸分別與主動齒輪、從動齒輪軸線相合。

2.3.2 齒輪固連

在減速器機構(gòu)中，主動軸與主動齒輪是一體的，從動軸與從動齒輪之間通過鍵剛性連接。仿真前要求在從動齒輪與鍵之間，鍵與從動軸之間分別添加剛性結(jié)合。通過剛性結(jié)合命令，使從動軸與從動齒輪間實現(xiàn)固連。滿足從動齒輪與從動軸之間剛性連接后，主、從動軸之間方可實現(xiàn)動力的傳遞。

2.3.3 添加齒輪副

實現(xiàn)齒輪嚙合運動，必須在主動齒輪與從動齒輪之間添加齒輪副。齒輪副是指分別確定兩齒輪的旋轉(zhuǎn)軸，并且固定兩齒輪。指定齒輪旋轉(zhuǎn)軸，即分別將已定義好的虛軸(一個零件幾何體下的兩條直線)作為齒輪的旋轉(zhuǎn)軸。固定齒輪即固定齒輪與虛軸的位置，通過固定主、從動齒輪的基準平面與虛軸的基準平面的位置關系來保證。

2.3.4 定義兩齒輪傳動比和旋轉(zhuǎn)方向

通過選中主動齒輪與從動齒輪的分度圓，系統(tǒng)會自動生成兩分度圓半徑的值并計算出兩齒輪傳動的比率，即傳動比。實現(xiàn)齒輪嚙合運動，還需定義齒輪嚙合的旋轉(zhuǎn)方向，減速器機構(gòu)要求兩齒輪嚙合轉(zhuǎn)動方向設置為相反。

2.4 運動仿真及仿真視頻錄制

完成以上齒輪設置后，運動副也創(chuàng)建完成。這時虛軸的自由度為1，即自由度只有虛軸的旋轉(zhuǎn)角度。當在主動齒輪上施加驅(qū)動角度后，系統(tǒng)則會提示可以進行機械裝置的虛擬仿真。

運動虛擬或編輯虛擬時，需選中齒輪作為設定完成的“機械裝置”，并編輯虛擬為自動插入，然后拖動運動虛擬對話框的滾動條，則減速器機構(gòu)內(nèi)部主、從動齒輪的嚙合運動過程即被記錄下來。完成編輯虛擬后，結(jié)構(gòu)樹上將生成“虛擬”特征。

對于減速器機構(gòu)嚙合運動過程的仿真視頻動畫可使用CATIA系統(tǒng)中自帶命令錄制完成，也可使用錄屏軟件完成。

3 仿真視頻嵌入Flash

3.1 CATIA視頻的導入

將CATIA軟件生成的減速器虛擬仿真視頻導入 Flash軟件中。Flash軟件對導入的視頻文件格式要求為FLV格式，文件導入前需使用轉(zhuǎn)碼器對視頻文件進行轉(zhuǎn)碼，將其轉(zhuǎn)換為FLV文件格式，再通過 Flash軟件中的文件導入導入視頻命令導入，其中在導入視頻界面中選擇“在 SWF中嵌入FLV并在時間軸中播放”選項。此種方式導入的視頻允許用戶后期編輯加工。

導入仿真視頻后通過對齊命令可對視頻界面進行大小和位置的修改。在對齊命令下選擇“與舞臺對齊”、“匹配寬和高”、“與舞臺居中對齊”命令可使視頻在播放時實現(xiàn)全屏顯示。

同樣音頻文件也可根據(jù)視頻的內(nèi)容嵌入到Flash軟件中。

3.2 添加控制按鈕

視頻導入到Flash中，以24幀/秒的速度置于時間軸上。若視頻中需要添加控制按鈕，需在關鍵幀上選用庫中的按鈕或定制按鈕，然后將動作腳本命令添加給按鈕實現(xiàn)控制動畫的播放。腳本如下：

on (release) {play();}；//播放

on (release) {stop();}；//暫停

on(release) gotoAndPlay();};//前進或后退到指定幀

3.3 添加文字

在時間軸的關鍵幀上添加文字實現(xiàn)視頻播放過程出現(xiàn)解釋文字。首先在時間軸的操作面板中新建圖層，注意文字圖層要置于視頻圖層的上方，然后通過移動時間軸指針預播放視頻，以找到開始添加文字的時間點，實現(xiàn)在對應的視頻時間點處、合適位置添加相應文字。零件模型及其文字效果如圖3所示。

圖3 Flash中的文字

3.4 添加畫中畫

教學過程中為了達到局部對比的效果常常需要多個視頻同時播放，或者整體播放的同時需要局部內(nèi)容放大播放，通過Flash軟件便可輕松實現(xiàn)。以局部放大圖為例，首先借助于CATIA軟件以及錄屏軟件錄制整體視頻和局部放大視頻，然后將兩視頻在編碼后加載到Flash界面中，再通過設置兩視頻界面的大小、位置，實現(xiàn)整體視頻全屏播放的同時，還播放局部放大視頻，從而達到畫中畫的效果。

4 制作齒輪油泵3DVIA Composer交互課件

3DVIA Composer 是桌面創(chuàng)建系統(tǒng)，其支持CATIA 和其他的三維模型的數(shù)據(jù)。3DVIA Composer具有方便創(chuàng)建生產(chǎn)過程所需的交互式文檔，同時可方便快速地創(chuàng)建裝配、拆卸以及工作過程模擬仿真。

4.1 建立3DVIA Composer模型

3DVIA Composer可讀取CATIA三維模型數(shù)據(jù)，包括裝配模型的數(shù)據(jù)。如圖4所示導入齒輪油泵零件和部件。在3DVIA Composer配選項中可在圖4對話框的左側(cè)進一步控制零部件顯示或隱藏。

圖4 齒輪油泵CATIA模型導入3DVIA Composer

4.2 動畫制作

在圖 5所示的時間軸上，按照預先設計好的腳本使用創(chuàng)建視圖命令創(chuàng)建關鍵幀的視圖。各關鍵幀的視圖是動畫中必須展示的內(nèi)容，如圖 6和圖7是時間軸上的視圖2和視圖3。時間軸上視圖2變化到視圖3的過程就是柔性拆卸平鍵的過程，拆卸的速度與時間軸上的時間長短有關，所以腳本設計應包括各鏡頭視圖的內(nèi)容和時間長短。

圖5 時間軸

圖6 視圖2

圖7 視圖3

3DVIA Composer中可編輯時間軸中關鍵幀的視圖。3DVIA Composer對導入的零件可進行材質(zhì)、剖切、透明處理、添加標識、文字說明等操作，當然也可創(chuàng)建交互事件，設置環(huán)境參數(shù)等。

當導入的源文件發(fā)生變化，3DVIA Composer可更新相應關鍵幀上的視圖及生成的動畫，無需再重新制作動畫，使制作變得容易。

5 網(wǎng)絡課件的生成

Flash和3DVIA Composer交互課件都可以輸出多種標準文件格式，其中 Flash可輸出 SWF、HTML、EXE等，3DVIA Composer可輸出PDF、HTML、EXE等。兩者所生成的.EXE文件是獨立的可執(zhí)行文件。圖8是Flash生成的千斤頂網(wǎng)絡交互課件，圖9是3DVIA Composer生成的齒輪油泵中齒輪和軸套配作加工油孔的網(wǎng)絡交互課件。圖8 是Flash輸出的SWF文件的一個界面，其中 “拆卸”、“裝配”、“工作原理”、“作圖易錯點”等文字是各單元的按鈕，學生可自己控制學習內(nèi)容。圖9 是3DVIA Composer輸出的.EXE交互文件，其中各視圖是演示各段動畫的按鈕，文件中也有控制整體動畫播放的命令按鈕。

圖8 Flash千斤頂課件

圖9 3DVIA Composer油孔加工課件

6 結(jié) 論

無論CATIA制作的三維虛擬仿真動畫內(nèi)嵌于Flash，還是CATIA模型輸入到3DVIA Composer，兩種方法制作的交互課件都可用于網(wǎng)絡教學，形象細致地展示學習內(nèi)容。交互課件既充分發(fā)揮了CATIA強大的三維建模、虛擬仿真功能，又發(fā)揮了Flash和3DVIA Composer強大的網(wǎng)絡交互功能。

吉林大學工程圖學慕課教學已經(jīng)運行近兩個學年，教師團隊根據(jù)網(wǎng)絡教學的特點，制作了包括千斤頂裝配和齒輪油泵工作原理在內(nèi)的多個網(wǎng)絡交互課件，深受學生的喜愛。網(wǎng)絡教學課件應用于教學實踐，取得了較好的教學效果。滿足了學生在時間和空間上自主選擇、控制學習內(nèi)容，激發(fā)了學生學習的主動性，滿足了學生個體差異性的需求。

[1] 孫 炯. 運用多媒體課件講授抽象數(shù)學課程的實踐與思考[J]. 中國大學教學, 2012, (2): 63-65.

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The Research on Interactive Courseware of 3D Simulation for Online Courses

Gu Yanhua1, Zhu Yanping1, Yang Dejun2, Fu Heng1

(1. The School of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun Jilin 130012, China; 2. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun Jilin 130012, China)

There is a great demand for interactive multimedia courseware for online courses. The CATIA is used to generate component models of mechanical products, and the assembling, disassembling and operating processes are simulated. The simulation animations are embedded into Flash programs to develop interactive courseware which can be controlled step-by-step by students on web. Another method is to import CATIA component models to 3DVIA Composer to create interactive animated courseware. Both methods are able to generate interactive online courseware that can be conveniently accessed and controlled by students to promote active and independent study.

mechanical design; interactive online courseware; simulation animation; Flash; 3DVIA Composer

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2016040545

A

2095-302X(2016)04-0545-05

2015-11-21；定稿日期：2016-01-06

吉林大學慕課建設項目；吉林大學網(wǎng)絡精品課建設項目；吉林大學虛擬仿真實驗中心建設項目

谷艷華(1963–)，女，吉林四平人，教授，本科。主要研究方向為三維建模、虛擬仿真。E-mail：guyh@jlu.edu.cn

楊得軍(1965–)，男，吉林長嶺人，研究員，碩士。主要研究方向為汽車動態(tài)仿真與控制。E-mail：yangdj@jlu.edu.cn