3D交互式軟件在車輛工程機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課中的應(yīng)用

湯勇

摘要：針對(duì)車輛工程機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課中圖紙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、直觀性差、原理難理解等缺點(diǎn)，在教學(xué)中研究引入3D模型和交互式軟件輔助教學(xué)。本文以變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)CAD模型為例，在Composer軟件基礎(chǔ)上制作互動(dòng)式教學(xué)三維動(dòng)畫，在傳統(tǒng)PPT課件中插入動(dòng)畫資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件進(jìn)行標(biāo)注、總成的組裝拆卸、視圖的任意切換等功能。通過新型互動(dòng)式教學(xué)課件的開發(fā)，可加深學(xué)生對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和原理的直觀性理解，避免教師枯燥的講解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，最終提升上課效率。

關(guān)鍵詞：車輛工程；機(jī)械專業(yè)課；3D互動(dòng)軟件；Composer軟件

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）44-0082-02

一、引言

車輛工程專業(yè)要求學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)和掌握機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)理論，具有機(jī)械和車輛產(chǎn)品設(shè)計(jì)、繪圖等實(shí)踐知識(shí)能力[1]。在目前車輛工程教學(xué)培養(yǎng)體系中，機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課，如《機(jī)械原理》《汽車構(gòu)造》《汽車設(shè)計(jì)》等都是各高校車輛工程專業(yè)課程中的必修課程，對(duì)提高學(xué)生對(duì)于機(jī)械以及車輛的了解和認(rèn)知起到關(guān)鍵作用。在上述機(jī)械類基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)過程中，教師在授課時(shí)難以通過板書、PPT以及語(yǔ)言描述去表達(dá)一些復(fù)雜零件和機(jī)械總成，這就會(huì)造成學(xué)生對(duì)機(jī)械構(gòu)造和原理缺乏感性認(rèn)識(shí)，課程顯得抽象和枯燥，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[2]。當(dāng)然，在該類課程中可以結(jié)合實(shí)物進(jìn)行輔助教學(xué)，但是同時(shí)也面臨以下問題：部分實(shí)物機(jī)械零件尺寸和重量太大，無法在課堂上進(jìn)行展現(xiàn)；部分實(shí)物模型屬于精密安裝或不可拆卸，難以展示；實(shí)物模型成本偏高、實(shí)物更新?lián)Q代速度較慢。因此，在機(jī)械類專業(yè)基礎(chǔ)課程中如何運(yùn)用新式教學(xué)手段提高教學(xué)質(zhì)量、豐富教學(xué)過程一直是廣大教師的研究課題[3]。

本文結(jié)合最新的計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)，探討3D模型以及互動(dòng)式軟件在車輛工程機(jī)械類專業(yè)課程中的應(yīng)用，提升教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

二、開發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介

3DVIA Composer是由達(dá)索公司開發(fā)的互動(dòng)式圖形軟件[4]，可用于幫助研究機(jī)構(gòu)或者企業(yè)創(chuàng)建并維護(hù)其產(chǎn)品電子文檔，如創(chuàng)建用戶手冊(cè)的數(shù)字化圖解說明、制作培訓(xùn)資料、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)修理指導(dǎo)、裝配指導(dǎo)說明、在線文檔和客戶服務(wù)，以及其他能夠描述企業(yè)產(chǎn)品和流程的應(yīng)用，可以方便地創(chuàng)建三維動(dòng)畫，并且可輸出多種標(biāo)準(zhǔn)文件格式。Composer所用到的素材模型可以通過主流的CAD建模軟件，如CATIA、Solidworks、ProE進(jìn)行創(chuàng)建[5]。通過3DVIA Composer中的3D動(dòng)畫插件，可將制作好的交互式動(dòng)畫無縫插入融合到PPT，可以使其直接在教學(xué)過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)瀏覽和操作。

三、交互式3D課件制作流程

（一）開發(fā)流程

1.根據(jù)授課內(nèi)容制定課件開發(fā)任務(wù)，明確授課內(nèi)容和需求。

2.編寫動(dòng)畫腳本，定義流程、鏡頭、動(dòng)畫內(nèi)容、動(dòng)作順序和交互性事件等。

3.制作3D模型，用CAD建模軟件根據(jù)工程圖或?qū)嵨飫?chuàng)建機(jī)械產(chǎn)品的3D模型，然后導(dǎo)出為Composer支持的文件格式。

4.根據(jù)腳本在Composer中制作裝配展示動(dòng)畫。為機(jī)械元件添加顏色、材質(zhì)。對(duì)零件進(jìn)行剖切或透明處理，并添加名稱、尺寸標(biāo)注、文字說明等。

5.導(dǎo)出動(dòng)畫，制作好的交互式動(dòng)畫課導(dǎo)出為多種格式，如可執(zhí)行程序exe、PDF、網(wǎng)頁(yè)、視頻文件等。

（二）應(yīng)用范例

本文以汽車變速器為例，構(gòu)建互動(dòng)式動(dòng)畫教學(xué)實(shí)例。

1.導(dǎo)入模型制作裝配動(dòng)畫。首先在CAD軟件中，如CATIA中建好機(jī)械總成裝配模型，導(dǎo)出為對(duì)應(yīng)Composer支持格式。打開3DVIA Composer，加載CAD模型。在Composer界面中可對(duì)模型各個(gè)元件的顏色及透明度進(jìn)行設(shè)置，對(duì)各零件名稱和尺寸進(jìn)行標(biāo)注。通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊、拖動(dòng)可以對(duì)視圖進(jìn)行變換，觀察模型不同部位以及細(xì)節(jié)，如圖1所示。在制作動(dòng)畫時(shí)，可以為同一裝配模型制作多個(gè)視圖動(dòng)畫，基本步驟如下：在軟件左側(cè)欄單擊“視圖”選項(xiàng)卡，再單擊最左邊的“創(chuàng)建視圖”按鈕，即可將每一次生成的爆炸圖都保存為一個(gè)視圖快照。根據(jù)腳本制作好動(dòng)畫后，可將創(chuàng)建好的3D動(dòng)畫文檔保存為smg文件供插件加載調(diào)用。

2.注冊(cè)控件，將動(dòng)畫資源插入PPT。首先在系統(tǒng)中注冊(cè)控件，將Composer Player ActiveX.ocx 拷貝到 c：＼Windows＼system32，執(zhí)行命令“regsvr32 c：＼Windows＼system32＼Composer Player ActiveX.ocx”。打開PPT，單擊菜單欄中的“開發(fā)工具”，點(diǎn)擊“其他控件”按鈕，在“其他控件”對(duì)話框中選擇“Composer Player ActiveX”，并單擊“確定”，當(dāng)前幻燈片中會(huì)出現(xiàn)矩形框容器，在矩形框上右鍵點(diǎn)擊，在菜單中選擇“Composer Player ActiveX”對(duì)象，再選擇“Properties”菜單。在彈出的對(duì)話框中，在“File”一欄中選擇需要加載的smg文件，保持默認(rèn)設(shè)置后單擊“確定”，完成動(dòng)畫文件導(dǎo)入。

3.3D模型動(dòng)畫的交互與互動(dòng)。授課時(shí)放映上面創(chuàng)建好的PPT就可以演示3D模型動(dòng)畫。通過交互式操作可以觀察模型細(xì)節(jié)，如通過右鍵旋轉(zhuǎn)模型，滾動(dòng)滾輪進(jìn)行放大縮小，按住中鍵拖動(dòng)平移模型。通過窗口上面的工具欄可以實(shí)現(xiàn)更多功能。比如，選中其中的單個(gè)零件（齒輪或者撥叉軸），如果想要重點(diǎn)顯示模型的某一部位，可以使用Digger工具來剝落（隱藏）上面的角色以顯示被遮擋的對(duì)象，形成“透視圖”效果。還可以點(diǎn)擊三角形播放按鈕，播放事先定義好的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫，如齒輪的旋轉(zhuǎn)等。

四、結(jié)語(yǔ)

充分利用3D模型和交互軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，具有直觀性強(qiáng)、互動(dòng)性好、成本低、學(xué)生容易理解等特點(diǎn)，可有效避免傳統(tǒng)車輛工程專業(yè)中機(jī)械類課程學(xué)習(xí)的抽象性、枯燥性，激發(fā)學(xué)生興趣，大大提高課堂效率和教學(xué)效果[6]。但是任何事物都具有兩面性，雖然應(yīng)用3D模型比純二維圖紙教學(xué)更加生動(dòng)、直觀和方便，但其畢竟不是實(shí)物模型，因此在真實(shí)感、認(rèn)知性等方面還是明顯不如實(shí)物。因此，3D模型和互動(dòng)軟件可以作為教學(xué)輔助和補(bǔ)充，而并不是有了3D模型和數(shù)字化手段，就可以完全不用依賴于實(shí)物進(jìn)行教學(xué)。教學(xué)過程中只有將3D數(shù)字化模型與實(shí)物模型融合使用，才能充分發(fā)揮各自特長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，最終提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]張新，李岳林，雷正保.車輛工程本科專業(yè)人才培養(yǎng)體系探索[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009，（26）：164-164.

[2]席平，楊洋，王春潔.機(jī)械類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27（7）：14-18.

[3]朱銀鋒.充分利用3D軟件提高機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量[J].科技信息，2010，（1）：87-87.

[4]張志利，褚識(shí)廣，龍勇等.基于CATIA和3DVIA Composer的液壓元件虛擬裝配仿真[C]全國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)高層論壇暨制造業(yè)自動(dòng)化與信息化技術(shù)研討會(huì)，2010.

[5]李大磊.3DVIA Composer工程應(yīng)用基礎(chǔ)與實(shí)例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[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.endprint