Web3D虛擬仿真技術(shù)在機械類實踐教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：針對傳統(tǒng)機械類實踐教學(xué)中實驗儀器套數(shù)限制、實驗操作風險以及試驗場地不足等問題，提出將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)中。文中以機械類專業(yè)中工程力學(xué)和單片機原理及應(yīng)用實踐課程為例，采用Web3D建模引擎，構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺，大大提升了實踐教學(xué)效果。基于Web3D引擎的虛擬仿真技術(shù)作為一種先進的教學(xué)手段，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：機械類;Web3D引擎;虛擬仿真;實踐教學(xué)

中圖分類號：TP399??????? 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.09.055

1 機械類實踐教學(xué)的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)教學(xué)模式中的機械類課程教學(xué)，理論課與實踐課是相互分離的，學(xué)生在理論課中理解不到位的地方也無法及時通過實踐課加以理解，再到上實踐課的時候，學(xué)生早已把之前理論課學(xué)習的知識遺忘，導(dǎo)致學(xué)生知識掌握不扎實。機械類實踐課程相對于理論課程，主要的優(yōu)勢有教學(xué)方式直觀，容易提升學(xué)生學(xué)習興趣，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，增強學(xué)生的動手能力等。近年來，機械類課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)隨著課時量的增加，往往伴隨著實驗室建造、改造，實踐基地的建設(shè)等硬件投入，對辦學(xué)能力是一個考驗，若實驗器械的質(zhì)量及數(shù)量達不到要求或者實驗操作有一定的風險性，進而會影響學(xué)生的學(xué)習效果。因此，本文提出將基于Web3D引擎的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于機械類實踐教學(xué)中，以提升實踐教學(xué)水平。

2 Web3D引擎虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬仿真技術(shù)即用一個虛擬的系統(tǒng)模仿一個真實系統(tǒng)的技術(shù)[1]。該技術(shù)以高性能計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，通過先進的圖像生成技術(shù)、動畫技術(shù)及三維感知技術(shù)將現(xiàn)實場景再現(xiàn)于計算機環(huán)境中，擁有浸入性、人機交互性和構(gòu)想性等多種特征，且內(nèi)容豐富，可以根據(jù)用戶需求進行響應(yīng)。

虛擬仿真技術(shù)核心是建模引擎，目前常用的建模引擎為Web3D建模引擎。該引擎涉及的技術(shù)種類繁多，主流的技術(shù)包括VRML、Java3D和Cult3D[2、3]。下面從3D建模方式及應(yīng)用特點對幾種技術(shù)進行對比。

對比得出，VRML技術(shù)和Java3D技術(shù)是以編寫繁瑣的程序代碼為基礎(chǔ)來構(gòu)建三維模型和交互設(shè)計，而Cult3D技術(shù)是將建模和交互設(shè)計分開進行，并通過Java先進技術(shù)的支持來提高交互和擴展能力，同時還可以實現(xiàn)高質(zhì)量的三維建模、渲染及網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。因此，在機械類實踐教學(xué)中利用Cult3D技術(shù)作為Web3D建模引擎，教師可將多年來傳統(tǒng)實踐教學(xué)中積累的實驗數(shù)據(jù)樣本導(dǎo)入計算機系統(tǒng)中，為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源。

3 實踐教學(xué)應(yīng)用實例

3.1 Web3D虛擬仿真技術(shù)在工程力學(xué)中的應(yīng)用

在機械類等大多數(shù)工科專業(yè)中，工程力學(xué)是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是從基礎(chǔ)課到專業(yè)課過渡的一個橋梁，工程力學(xué)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)可以加深學(xué)生對于構(gòu)件運動規(guī)律的理解和對材料性能、工程安全的認識。實踐教學(xué)是課程中重要的有機組成部分?，F(xiàn)將基于Web3D引擎的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于工程力學(xué)實踐教學(xué)中，以下為具體實例介紹。

以一個典型的工程力學(xué)實驗——“金屬材料的拉伸”為例，該實驗?zāi)康氖潜容^兩種材料低碳鋼（塑性材料）與鑄鐵（脆性材料）的力學(xué)性能特點與觀察試件的斷口情況，從而確定其機械性能。傳統(tǒng)實驗課程中，實驗流程一般為：第一，測量試件尺寸;第二，在實驗機上將試件拉斷并記錄力變形曲線;第三，測量斷后試件變形量;最后，撰寫實驗報告。實驗中，觀察試件的拉伸過程是教學(xué)重點，但由于試件的破壞過程較快，多數(shù)同學(xué)對于實驗結(jié)果只能留下一個粗淺的直觀印象，對其后隱藏的力學(xué)知識不能很好的領(lǐng)會。另一方面，因為實驗儀器套數(shù)和試件數(shù)目的限制，很難在教學(xué)過程中通過不同試件破壞過程的比較來向?qū)W生說明材料本身力學(xué)性能的重要性及材料各種力學(xué)參數(shù)對構(gòu)件制造的影響。很多機械制造專業(yè)的學(xué)生，在學(xué)習后期進行課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計的過程中，往往對材料的選擇沒有自己的理解，只是單純的按照設(shè)計指導(dǎo)書“照方抓藥”，對于為何要選擇該種材料茫然不知。

在“材料的拉伸”實驗中應(yīng)用Web3D引擎虛擬仿真技術(shù)，虛擬仿真實驗在Clut3D技術(shù)的支持下，將基于Java的傳統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)樣本庫導(dǎo)入，供后續(xù)人機交互選用。人機交互過程中，首先，學(xué)生可以在實驗平臺上自由地選擇實驗動畫速度，隨時暫停拉伸過程，觀察力變形曲線;其次，學(xué)生也可以選擇不同的加載速度和加載方式，觀察試件在不同受力環(huán)境下性能的變化;最后，通過數(shù)據(jù)庫中大量實驗數(shù)據(jù)樣本的支持，學(xué)生可以在有限的教學(xué)課時內(nèi)觀察到多種材料和多種形狀試件在受到拉伸時的變形過程及破壞情況，大大提升了學(xué)習效果。

可以看出，實踐教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)后，教學(xué)過程可以從傳統(tǒng)的固定實驗流程中解放出來，學(xué)生可以通過虛擬仿真實驗平臺輔助得到更多的操作方向、背景知識、試錯空間以及細節(jié)數(shù)據(jù)等。

3.2 Web3D虛擬仿真技術(shù)在單片機原理及教學(xué)中的應(yīng)用

單片機課程作為機械專業(yè)的實踐性學(xué)科，對培養(yǎng)中職學(xué)生的動手能力具有重要意義，能夠促進學(xué)生對理論知識的理解，本部分將基于Web3D引擎的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于單片機課程實踐教學(xué)中，以下為具體實例介紹。

以綜合性設(shè)計性實驗——萬年歷為例，該實驗思路為使用Proteus軟件繪制電路圖，再使用Keil軟件編寫程序，最后使用Web3D引擎進行虛擬仿真，檢測萬年歷的日期、時間是否準確，并在此基礎(chǔ)上適時引導(dǎo)學(xué)生填加新的功能，如溫度顯示和鬧鐘提醒等。

3.2.1 硬件電路圖

硬件電路圖是按照S2～S5的順序進行設(shè)計的，以AT89C51型號的單片機為主控制器，計時采用DS1302時鐘電路，使用DS18B20傳感器采集溫度，顯示屏為LCD1602液晶顯示屏。從設(shè)計圖中各項設(shè)備的使用來看以及設(shè)計圖的設(shè)計思路來看，運用的是模擬電路和數(shù)字電路的相關(guān)知識，學(xué)生對該部分知識的理解存在缺陷，不理解或者理解不到位的學(xué)生人數(shù)占比較多，采用Proteus軟件進行電路圖的繪制易于讓學(xué)生在繪制電路圖的過程中掌握設(shè)計思路，了解各設(shè)備的作用，進而對模擬電路與數(shù)字電路的相關(guān)知識得到進一步理解，幫助學(xué)生加深記憶。

3.2.2 軟件程序

在采用Proteus軟件繪制完萬年歷原理圖后，啟動Keil軟件編寫程序編寫萬年歷仿真程序，學(xué)生在編寫程序的過程中，教師應(yīng)在一旁加以指導(dǎo)，確保學(xué)生將程序中的位定義與硬件電路相對應(yīng)。具體流程如下：（1）添加合適單片機型號項目文件;（2）根據(jù)電路的實際功能進行源程序編寫;（3）運行源程序。

3.2.3 電路仿真

將編譯好的源程序添加到Proteus軟件的項目文件，點擊開始按鈕進行仿真模擬，從仿真圖中可以看到萬年歷顯示的日期、時間、溫度等信息。

通過本次仿真模擬，不僅能夠讓學(xué)生掌握萬年歷的虛擬仿真技術(shù)，還能幫助學(xué)生理解在理論課學(xué)習中存疑的知識，加深學(xué)生的學(xué)習印象，使教學(xué)內(nèi)容更直觀、豐富和生動，符合學(xué)生的學(xué)習特點，易于學(xué)生接受。

除工程力學(xué)、單片機原理及應(yīng)用實踐課程外，對于諸如機械設(shè)計等其它機械類專業(yè)課程，虛擬仿真實驗技術(shù)也有廣闊的應(yīng)用前景，通過引入模塊化和參數(shù)化模型，可以使學(xué)生在傳統(tǒng)實驗基礎(chǔ)上實現(xiàn)零件的自由設(shè)計、裝配及調(diào)試，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。另外，由于仿真實踐教學(xué)處于虛擬環(huán)境，當學(xué)生出現(xiàn)操作失誤時，不至于出現(xiàn)事故和損失，提高了教學(xué)安全性。

4 結(jié)論

基于web3D引擎的虛擬仿真實驗技術(shù)作為一種先進的教學(xué)手段，在成本、維護、操控性、分享性及可升級性等方面有著明顯的優(yōu)勢，是提升機械類專業(yè)學(xué)生實踐能力的有力工具，應(yīng)用前景廣闊。通過虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以突破實驗室現(xiàn)有條件的束縛，顯著提升地方院校的教學(xué)水平，為培養(yǎng)大量的應(yīng)用型人才提供助力。

參考文獻：

[1] 周洪旭.虛擬仿真技術(shù)在航空教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（1）：89.

[2] 申蔚，曾文琪.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3] 黃金棟.基于Web3D技術(shù)的大學(xué)物理虛擬實驗的構(gòu)建與教學(xué)應(yīng)用研究[J].電腦知識與技術(shù)，2018，14（24）：96-100.

作者簡介：劉彩花（1989-），女，山西晉中人，研究生，助教，研究方向：機電一體化設(shè)計。