移動虛擬工程圖學(xué)模型庫的開發(fā)與應(yīng)用

陳功 孫海波 李艾民 趙啦啦

摘要：基于OBE的人才培養(yǎng)理念，在工程圖學(xué)課程中充分融入三維數(shù)字化、移動互聯(lián)、虛擬交互等綜合信息處理技術(shù)，運(yùn)用Creo Parametric、圖紙通等軟件技術(shù)平臺，系統(tǒng)完成了模型庫規(guī)劃、模型構(gòu)建、模型管理、成員組織、學(xué)生管理、學(xué)習(xí)交流等設(shè)計(jì)研發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)了移動虛擬工程圖學(xué)模型庫的開發(fā)。初步應(yīng)用實(shí)踐表明，模型庫可有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、幫助學(xué)生合理利用學(xué)習(xí)時間和空間、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率、提升學(xué)生的三維空間想象能力和綜合創(chuàng)新能力。本篇論文闡述了該項(xiàng)研究中的理論方法部分。

關(guān)鍵詞：移動互聯(lián)；虛擬交互；工程圖學(xué)；模型庫

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）24-0003-03

工程圖學(xué)是工科類各專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力、工程圖樣的閱讀與表達(dá)能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。我校工程圖學(xué)課程自1951年開設(shè)以來已有60多年的歷史，是一門面向研究型大學(xué)建設(shè)的工科各專業(yè)重要的公共基礎(chǔ)課程，經(jīng)過了幾代人艱苦執(zhí)著的努力，特別是近十幾年的辛勤耕耘，形成了自己的傳統(tǒng)和特色，課程先后被評為國家級精品課程、國家級精品資源共享課程、江蘇省高等學(xué)校在線開放課程。

一、信息技術(shù)與圖學(xué)改革

傳統(tǒng)工程圖學(xué)教學(xué)中，為了反映由二維圖形到三維形體、再由三維形體回到二維圖形這個思維轉(zhuǎn)換過程，老師們往往通過黑板上繪制的軸測圖、模型掛圖和實(shí)物模型等進(jìn)行輔助，這些教學(xué)方法與教學(xué)手段很難生動、便捷、清楚、高效地完成模型的展示，且模型、掛圖數(shù)量有限，容易損壞，管理效率低下，難以滿足教師課堂教學(xué)和學(xué)生課后學(xué)習(xí)的需要。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展有效促進(jìn)了工程圖學(xué)教學(xué)方法和手段的改革，不少老師都開發(fā)出了計(jì)算機(jī)三維模型和三維動畫[1]，使工程圖學(xué)課程的教學(xué)更加形象直觀，易于學(xué)生理解、記憶。但這些三維模型往往依賴于一些PC端大型三維軟件才能交互查看，其使用時空受到了很大局限；三維動畫一般也只能按照預(yù)先設(shè)定的一些模型方位進(jìn)行查看，失去了對模型查看及處理的互動性，使學(xué)生的思維發(fā)展受到一定限制。

隨著移動互聯(lián)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展，邱龍輝、時曉明等[2-5]基于OpenGL ES、lib GDX開發(fā)了基于Android平臺的工程圖學(xué)助教助學(xué)系統(tǒng)，使得學(xué)生可以使用手機(jī)等移動終端自由查看模型，突破了模型庫的使用時空限制。但這類虛擬模型庫系統(tǒng)往往存在以下問題：（1）不同移動終端的適應(yīng)性不好，如基于Android系統(tǒng)開發(fā)的模型庫應(yīng)用很難移植到IOS系統(tǒng)上的I Phone手機(jī)、I Pad平板電腦等移動終端；（2）系統(tǒng)開發(fā)工作量大，模型查看、處理功能單一；（3）模型處理效果不好，使用中必須將CAD系統(tǒng)構(gòu)建的三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為VRML、OBJ、STL等中間格式，導(dǎo)致模型數(shù)據(jù)量增加、顯示效果下降。正是基于上述原因，這些模型庫系統(tǒng)在實(shí)際的推廣應(yīng)用中還存在較大困難。

互聯(lián)網(wǎng)/移動互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)的融合已經(jīng)勢不可擋，隨著國家對工業(yè)4.0、智能制造、中國制造2025等一批規(guī)劃戰(zhàn)略的提出與實(shí)施，移動互聯(lián)、虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬仿真等與現(xiàn)代工程圖學(xué)密切相關(guān)的技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。將這些最新的技術(shù)平臺和開發(fā)成果及時、有效地運(yùn)用到工程圖學(xué)課程教學(xué)改革中，是切實(shí)可行且十分必要的。

“圖紙通”是由新迪數(shù)字工程系統(tǒng)有限公司于2018年9月正式推出的一款云端看圖、分享圖紙、批注圖紙、溝通圖紙的技術(shù)交流軟件，可有效應(yīng)用到產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、售后服務(wù)環(huán)節(jié)的技術(shù)交流工作中，軟件全面支持IOS、Android系統(tǒng)下的多種手機(jī)、平板電腦等移動終端，可以無須轉(zhuǎn)換而直接打開30多種3D模型和2D圖紙，圖紙通領(lǐng)先在全球開啟了互聯(lián)網(wǎng)+制造業(yè)的新紀(jì)元?！皥D紙通”免費(fèi)開放的功能，可以滿足移動工程圖學(xué)虛擬模型庫的開發(fā)與使用要求?！皥D紙通”所具有的不同移動平臺的適應(yīng)性、交互方式的一致性、模型查看處理的多功能性，可以有效克服本文前述的工程圖學(xué)虛擬模型庫開發(fā)應(yīng)用中所出現(xiàn)的若干問題。

二、系統(tǒng)規(guī)劃與模型管理

1.模型庫開發(fā)與應(yīng)用的總體思路?；诔晒麑?dǎo)向教育（Outcome Based Education，OBE）理念在1981年由Spady率先提出后，以驚人的速度獲得了廣泛重視和應(yīng)用[6，7]，美國工程教育認(rèn)證協(xié)會全面接受了OBE的理念，并將其貫穿于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的始終，2013年6月我國被接納為“華盛頓協(xié)議”簽約成員。用OBE成果導(dǎo)向教育理念引導(dǎo)大學(xué)工程類專業(yè)教學(xué)改革，具有現(xiàn)實(shí)意義。2018年5月，我校機(jī)械工程專業(yè)接受并順利通過了OBE工程認(rèn)證，筆者作為本次工程認(rèn)證工作組的主要成員，在專業(yè)認(rèn)證工作過程中積累了一定的OBE認(rèn)知和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。工程圖學(xué)移動虛擬模型庫的開發(fā)與應(yīng)用是基于OBE的工程圖學(xué)教育改革中的一個重要環(huán)節(jié)。

本文移動虛擬工程圖學(xué)模型庫開發(fā)與應(yīng)用的總體思路是：充分解讀專業(yè)人才的培養(yǎng)需求，以專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，以學(xué)生空間思維能力、圖樣閱讀與表達(dá)能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)，以工程圖學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，以提高教師課堂教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生課后學(xué)習(xí)效率為抓手，“四位一體”科學(xué)合理地規(guī)劃模型庫的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)模型庫的有效利用，并不斷接受學(xué)生、教師、社會對學(xué)生能力素質(zhì)培養(yǎng)的反饋信息，持續(xù)改進(jìn)移動虛擬模型庫的開發(fā)。

為了滿足專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和課程能力點(diǎn)培養(yǎng)，我們認(rèn)真查閱并參考了機(jī)械工程類、安全工程類、礦物加工類、電氣工程類、材料工程類、土木工程類等大類專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方案，將各專業(yè)典型裝備的零部件及中等難度的裝配體加入虛擬模型庫，如機(jī)械工程類專業(yè)加入齒輪泵、安全閥模型，安全工程類專業(yè)加入井下風(fēng)機(jī)、風(fēng)門模型，礦物加工類專業(yè)加入球磨機(jī)模型等，與各專業(yè)工程實(shí)踐密切聯(lián)系，綜合培養(yǎng)學(xué)生工程圖樣閱讀繪制及空間思維能力，提高工程素質(zhì)，增強(qiáng)創(chuàng)新意識。

2.模型庫中的模型管理。為了滿足教師課堂教學(xué)和學(xué)生課后學(xué)習(xí)的需要，從工程圖學(xué)課程體系入手，充分查閱、理解并遵循工程圖學(xué)課程教學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，模型庫內(nèi)容以李愛軍、陳國平等[8，9]編寫的普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材為主要參考，包括點(diǎn)線面及簡單形體、平面立體及截切體、回轉(zhuǎn)體及截切體、相貫體、組合體、常用機(jī)件、典型零件、典型裝配體等。

為了提高模型庫中模型的查閱效率，我們同時對模型庫內(nèi)眾多模型按照教學(xué)形式進(jìn)行了分類與編碼，主要分為教材類模型（按照章節(jié)進(jìn)行編碼，如JC-01-01-**.PRT）、多媒體課件類模型（按照章節(jié)進(jìn)行編碼，如KJ-03-02-**.PRT）、習(xí)題類模型（按照頁碼和題號進(jìn)行編碼，如XT-P30-3-2-3.PRT）及綜合實(shí)訓(xùn)類模型（按照綜合實(shí)訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行編碼，ZH-03-**.ASM、ZH-03-**.PRT）。

3.模型庫的系統(tǒng)架構(gòu)。根據(jù)模型庫的總體開發(fā)思路，結(jié)合模型庫功能、性能、安全、管理等方面的需求分析，本文系統(tǒng)地、科學(xué)地規(guī)劃了移動虛擬工程圖學(xué)模型庫的系統(tǒng)架構(gòu)，從數(shù)據(jù)層、軟件層、設(shè)備層、功能層、用戶層五個層面對系統(tǒng)的架構(gòu)和邏輯關(guān)系進(jìn)行布置，如圖1所示。

三、總結(jié)

本論文闡述了“移動虛擬工程圖學(xué)模型庫的開發(fā)與應(yīng)用”教學(xué)改革成果的第一部分，主要探討了人才培養(yǎng)理念、三維數(shù)字化、移動互聯(lián)、虛擬交互等綜合信息處理技術(shù)在工程圖學(xué)課程中的應(yīng)用，構(gòu)建了移動虛擬工程圖學(xué)模型庫系統(tǒng)架構(gòu)，為下一步實(shí)踐應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。進(jìn)一步的內(nèi)容可參閱本刊后續(xù)論文，移動虛擬工程圖學(xué)模型庫的開發(fā)與應(yīng)用——實(shí)踐應(yīng)用篇。

參考文獻(xiàn)：

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