汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫及其管理系統(tǒng)的開發(fā)

王鵬飛，王 琳，業(yè)紅玲，范恒亮

(蚌埠學(xué)院 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

汽車構(gòu)造實驗課程和汽車拆裝實習(xí)課程作為本科院校汽車類專業(yè)必開的專業(yè)課程，其實踐性較強(qiáng)，對動手能力要求較高，在應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程中起著十分重要的作用[1]。目前，本校在開展的教學(xué)活動中，教師普遍采用“理論知識講解+動手操作示范+指導(dǎo)動手操作”的模式，即教師先使用PPT講解需要拆裝的汽車部件結(jié)構(gòu)和工作原理等知識，再動手操作示范，告知拆裝過程中的注意事項，最后學(xué)生再分組動手進(jìn)行拆裝，教師同步進(jìn)行補(bǔ)充指導(dǎo)。經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)這種教學(xué)模式存在較多弊端，主要有硬件和軟件兩方面。硬件方面的問題有實際操作的設(shè)備臺套數(shù)少、分組人數(shù)多，部分同學(xué)拆裝不規(guī)范致使零部件和拆裝工具丟損嚴(yán)重，實踐成本較高且容易出現(xiàn)安全事故等；軟件方面的問題有教師理論講授枯燥，學(xué)生知識攝入差，理論知識難以順利過渡到實踐動手環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，課程教學(xué)效率較低等[2]。

隨著計算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到教育教學(xué)過程，采用虛實結(jié)合的混合式教學(xué)方式逐漸成為高校教學(xué)改革和研究的重要方向，越來越多高校對虛擬仿真實驗技術(shù)進(jìn)行了研究[3-5]。徐曉等進(jìn)行了基于VRML的發(fā)動機(jī)虛擬拆裝人機(jī)交互設(shè)計，實現(xiàn)了拆裝的順序約束、視點(diǎn)切換和自動演示等功能[6]。李躍等基于Cult3D平臺設(shè)計了無級變速器虛擬拆裝實驗，開發(fā)了零部件交互拆裝、視頻動畫和電子資源等[7]。張麗媛等構(gòu)建混合式學(xué)習(xí)方法，基于Unity3D軟件研究開發(fā)了自動變速器虛擬教學(xué)軟件[8]。

為減少現(xiàn)存教學(xué)模式的弊端，在研究虛擬仿真技術(shù)及管理系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)上，以某款典型轎車為樣車，對其零部件進(jìn)行實際拆裝，使用3DMAX、Cult3D、Photoshop等軟件開發(fā)具有交互式和沉浸式的虛擬拆裝教學(xué)資源，制作視頻、電子掛圖等，構(gòu)建汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫。使用Visual Studio工具和Access數(shù)據(jù)庫，設(shè)計開發(fā)汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫管理系統(tǒng)，方便虛擬拆裝資源的學(xué)習(xí)和使用管理，改善教學(xué)過程中遇到的問題，更好地提高實踐教學(xué)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)開發(fā)方案設(shè)計

1.1 虛擬拆裝教學(xué)資源庫管理系統(tǒng)的總體框架

根據(jù)實踐教學(xué)的需求，設(shè)計了汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫管理系統(tǒng)的總體框架。系統(tǒng)總體框架劃分為功能界面層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和平臺支持層[9-10]。用戶在用戶功能界面選擇不同選項，通過應(yīng)用層調(diào)用數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)資源來實現(xiàn)三維模型的交互顯示、交互虛擬拆裝、視頻動畫播放、電子掛圖資料瀏覽和資源文件管理等功能。應(yīng)用層功能的實現(xiàn)需要資源文件、數(shù)據(jù)庫和裝有Windows操作系統(tǒng)的電腦支持。汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫管理系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

1.2 虛擬拆裝教學(xué)資源庫及其管理系統(tǒng)開發(fā)流程

汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫及其管理系統(tǒng)是以汽車主要零部件為研究對象，將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)汽車拆裝實踐課程內(nèi)容相結(jié)合，構(gòu)建虛擬拆裝教學(xué)資源庫，開發(fā)虛擬拆裝教學(xué)資源庫管理系統(tǒng)，最終實現(xiàn)汽車主要部件虛擬拆裝交互式學(xué)習(xí)和資源管理等功能。

汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫及其管理系統(tǒng)的開發(fā)包括虛擬拆裝教學(xué)資源庫的構(gòu)建和資源庫管理系統(tǒng)的開發(fā)兩部分。虛擬拆裝教學(xué)資源庫的構(gòu)建包括創(chuàng)建三維模型，處理模型，制作視頻動畫和圖片，設(shè)計交互步驟與發(fā)布等；資源庫管理系統(tǒng)的開發(fā)則是使用Visual Studio工具進(jìn)行編程和窗體界面設(shè)計，使用Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫及其管理系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖2所示。

圖1 汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫管理系統(tǒng)的總體框架

圖2 汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫及其管理系統(tǒng)的開發(fā)流程

2 虛擬拆裝教學(xué)資源庫的構(gòu)建

2.1 虛擬拆裝教學(xué)資源類型

汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫的資源類型豐富、直觀易懂，占用儲存空間小，可增加學(xué)習(xí)的趣味性。該資源庫集成了三維模型、交互虛擬拆裝文件、視頻動畫以及相關(guān)文檔和圖片等類型資源，這些資源的檢索和調(diào)用需要聯(lián)合數(shù)據(jù)庫完成。汽車虛擬拆裝教學(xué)資源類型如表1所示。

表1 汽車虛擬拆裝教學(xué)資源類型

2.2 虛擬拆裝教學(xué)資源的開發(fā)

2.2.1創(chuàng)建三維模型

首先需要拆解汽車部件實物，使用測量工具測量得到尺寸數(shù)據(jù)，再使用CATIA軟件的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠和布爾運(yùn)算等命令，創(chuàng)建各零部件的數(shù)字化三維模型，并將其另存為*.stl格式文件，為下一階段處理三維模型做準(zhǔn)備。

2.2.2處理模型

將得到的*.stl格式的三維模型文件導(dǎo)入3DMAX中，對其進(jìn)行處理。處理三維模型主要包括修補(bǔ)簡化模型、模型貼圖分組、調(diào)整模型坐標(biāo)和移動裝配模型。

(1)修補(bǔ)簡化模型

將模型導(dǎo)入3DMAX后，查看三維模型，如果發(fā)現(xiàn)有缺失的面元素，則需要對其進(jìn)行修補(bǔ)。如果發(fā)現(xiàn)模型的邊線和曲面過于復(fù)雜，則需要對其精簡處理。修補(bǔ)和簡化模型可以提高用戶交互體驗的效果和響應(yīng)速度。

(2)模型貼圖分組

對模型修補(bǔ)簡化處理后，為了顯示美觀和后續(xù)設(shè)計交互步驟方便，需要對其進(jìn)行貼圖、賦予材質(zhì)和分組操作。一般使用材質(zhì)球和貼圖命令對模型進(jìn)行渲染處理，零部件模型的顏色盡量選擇深色，并且相鄰模型的顏色要有區(qū)分度。為突出顯示模型，需將場景背景顏色設(shè)置為淺色。

模型渲染處理完成后，還需對其分組，分組原則是按照裝配邏輯關(guān)系將一次拆裝動作中同步移動的模型分為同一組。例如，某次拆卸動作需要拆除某部件上的四顆相同螺栓，并且這四顆螺栓的拆卸動作和方向一致，那么就將這四顆螺栓設(shè)置為同一組。這樣在虛擬交互操作時，點(diǎn)擊任何一顆螺栓執(zhí)行拆卸動作，四顆螺栓一起同步移動。

(3)調(diào)整模型坐標(biāo)

為方便設(shè)計虛擬交互拆裝時零件的移動動作，需要對模型的坐標(biāo)原點(diǎn)位置和坐標(biāo)軸方向進(jìn)行調(diào)整。坐標(biāo)原點(diǎn)位置的調(diào)整遵循一定原則，固定的零部件調(diào)整到固定處，旋轉(zhuǎn)的零部件調(diào)整到該零部件實際的旋轉(zhuǎn)中心處，滑動零部件調(diào)整到滑動最小位置處[10]。坐標(biāo)軸方向在調(diào)整時，零部件虛擬拆裝的平移方向盡量與坐標(biāo)軸X、Y和Z軸中的一個方向保持一致。

(4)移動裝配模型

將處理后的模型進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)等移動操作，按照實物的裝配位置關(guān)系進(jìn)行裝配。裝配完成后，通過Cult3D exporter for 3DSMax 插件，將處理完成的零部件三維模型以*.c3d 的格式文件導(dǎo)出，此文件包含三維模型的幾何形狀、相互位置和顏色等信息[7]。處理完成的發(fā)動機(jī)氣缸體三維模型如圖3所示。

圖3 處理完成的發(fā)動機(jī)氣缸體三維模型

2.2.3制作視頻動畫和圖片

制作視頻動畫是在3DMAX軟件里完成的。當(dāng)三維模型處理完成后，可以通過設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)和調(diào)整動畫線性的方法來制作視頻動畫。制作的視頻動畫主要用來演示汽車主要零部件的結(jié)構(gòu)和工作原理。

制作圖片則是先通過3DMAX對處理完成的三維模型渲染后導(dǎo)出圖片，再將圖片導(dǎo)入Photoshop中進(jìn)行添加文字、設(shè)置圖層等處理。制作完成的圖片即為電子掛圖資源，可清晰顯示汽車主要部件的組成和結(jié)構(gòu)。制作完成的發(fā)動機(jī)總成電子掛圖如圖4所示。

圖4 制作完成的發(fā)動機(jī)總成電子掛圖

2.2.4設(shè)計交互步驟與發(fā)布

設(shè)計交互步驟和發(fā)布是開發(fā)虛擬拆裝資源的最后環(huán)節(jié)，是在完成的*.c3d 格式文件基礎(chǔ)上進(jìn)行的。將在3DMAX中導(dǎo)出的*.c3d 格式文件，導(dǎo)入到Cult3D Designer中，進(jìn)行交互步驟的設(shè)計和交互資源文件的發(fā)布。

(1)交互步驟的設(shè)計

在設(shè)計交互步驟前，需要分析部件和總成的真實拆裝過程，依據(jù)真實拆裝步驟和拆裝順序進(jìn)行設(shè)計。交互步驟的設(shè)計是按照“對象-動作-事件”的模式在事件規(guī)劃圖窗口中逐步設(shè)計完成的，其中，“對象”是指需要選擇的零部件模型；“動作”是指零部件模型進(jìn)行虛擬交互拆裝時的移動樣式，主要有平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、復(fù)位、隱藏和顯示；“事件”為控制動作的事件，主要有鍵盤按鍵的按下或釋放、鼠標(biāo)的左中右鍵點(diǎn)擊和計時器等。“對象-動作-事件”模式是指先從場景圖表窗口選擇要設(shè)計動作的零部件對象，將其拖入事件規(guī)劃圖窗口，再在動作窗口選擇要設(shè)計的模型拆裝動作以及觸發(fā)該動作的事件，最后將三者分別相連[9]。另外，拆裝過程還要求邏輯順序正確，一般通過時間線索來控制對象動作的先后順序，使用觸發(fā)事件、激活事件和解除激活事件控制拆裝的步驟，使用計時器設(shè)置動作快慢和相鄰拆裝步驟之間的時間間隔。

(2)交互資源文件的發(fā)布

交互步驟設(shè)計完成后，可以將設(shè)計完成的交互步驟方案保存為*.c3p文件，還可以發(fā)布*.co 格式和*.html格式交互資源文件。發(fā)布的交互資源文件靈活小巧，可以通過代碼嵌入到網(wǎng)頁或PPT中，也可以編程集成在應(yīng)用程序中進(jìn)行瀏覽與交互操作。

3 虛擬拆裝教學(xué)資源庫管理系統(tǒng)的開發(fā)

3.1 管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫管理系統(tǒng)可將制作完成的各類虛擬拆裝教學(xué)資源集成在一起，方便學(xué)生學(xué)習(xí)和教師管理各類教學(xué)資源。汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

管理系統(tǒng)主要有，三維模型交互顯示、主要總成虛擬拆裝、視頻動畫、電子資源瀏覽、資源文件管理、測試題和用戶管理功能模塊，每個模塊又包括不同的子模塊。用戶通過系統(tǒng)界面選擇點(diǎn)擊模塊功能菜單，系統(tǒng)通過程序從數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)庫和資源庫中調(diào)用對應(yīng)數(shù)據(jù)與資源文件，來實現(xiàn)不同模塊的功能。

3.2 管理系統(tǒng)的窗體設(shè)計

管理系統(tǒng)的窗體是使用Visual Studio工具進(jìn)行設(shè)計的，因篇幅所限，以幾個主要窗體為例簡要介紹，其它窗體在此不再贅述。系統(tǒng)主窗體是基于windows系統(tǒng)風(fēng)格的菜單式界面，各功能按層次分布于菜單，點(diǎn)擊菜單打開對應(yīng)的功能窗體，如圖6所示。虛擬交互拆裝窗體使用WebBrowser控件打開與*.co 格式文件對應(yīng)生成的*.html格式資源文件，來瀏覽查看和交互拆裝部件總成，如圖7所示。視頻動畫窗體使用UUFlv控件來播放視頻文件資源，如圖8所示。結(jié)構(gòu)電子掛圖瀏覽窗體可用來瀏覽學(xué)習(xí)制作完成的結(jié)構(gòu)電子掛圖資源，如圖9所示。

圖6 系統(tǒng)主窗體

圖7 虛擬交互拆裝窗體

圖8 視頻動畫窗體

圖9 結(jié)構(gòu)電子掛圖瀏覽窗體

3.3 管理系統(tǒng)的使用

管理系統(tǒng)的用戶有學(xué)生和教師兩類，兩者權(quán)限不同，學(xué)生僅可使用系統(tǒng)部分功能，教師則可使用所有功能。在日常實踐教學(xué)活動中，學(xué)生使用學(xué)號密碼登陸管理系統(tǒng)，可以進(jìn)行汽車主要部件的瀏覽、虛擬交互拆裝，相關(guān)視頻圖片資源瀏覽和知識測試等學(xué)習(xí)活動。教師使用用戶名密碼登錄管理系統(tǒng)，除了能進(jìn)行學(xué)生的學(xué)習(xí)活動外，還可以進(jìn)行加密、增刪、導(dǎo)出資源文件，修改用戶名、權(quán)限及密碼，收集學(xué)生知識測試結(jié)果等教學(xué)管理活動。

管理系統(tǒng)集成了汽車虛擬拆裝相關(guān)的各類教學(xué)資源，為學(xué)生的實踐學(xué)習(xí)和教師的教學(xué)活動提供了方便。學(xué)生可以在指導(dǎo)教師“理論知識講解”和“動手操作示范”環(huán)節(jié)后，登陸管理系統(tǒng)多次瀏覽學(xué)習(xí)和虛擬交互拆裝操作，待通過測試后再進(jìn)行實際拆裝操作。教師登陸管理系統(tǒng)可查看參加測試學(xué)生的測試結(jié)果，了解學(xué)生的知識掌握程度和學(xué)習(xí)效果。另外，教師可以對新建資源進(jìn)行加密、增添操作，對已有資源進(jìn)行刪除、導(dǎo)出操作，還可以對學(xué)生的學(xué)號、權(quán)限和密碼進(jìn)行管理。

4 結(jié)論

以某款典型轎車零部件為樣本，使用3DMAX、Cult3D、Photoshop等軟件開發(fā)具有沉浸式的交互虛擬拆裝教學(xué)資源和視頻、圖片、文檔等相關(guān)資源，構(gòu)建了汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫。為方便教師管理資源和學(xué)生學(xué)習(xí)資源，使用Visual Studio工具和Access數(shù)據(jù)庫，設(shè)計開發(fā)了汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫管理系統(tǒng)。

開發(fā)完成的虛擬拆裝資源庫及其管理系統(tǒng)可作為實踐教學(xué)的輔助工具，輔助學(xué)生的實踐操作學(xué)習(xí)，也可作為教師管理教學(xué)資源的工具，方便教師管理各類教學(xué)資源文件。開發(fā)的汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫管理系統(tǒng)通用性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)，能有序高效安全地管理各類資源文件。汽車虛擬拆裝教學(xué)資源庫能有效改善拆裝設(shè)備和場地不足、實踐損耗大成本高、教學(xué)枯燥和學(xué)生操作危險等問題，開發(fā)的虛擬拆裝資源直觀形象、內(nèi)容豐富、有良好的沉浸感且交互性好，能較好地增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與度，提高實踐教學(xué)質(zhì)量。