“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下交互式模型庫(kù)的開發(fā)和應(yīng)用
——以“機(jī)械制圖”課程為例＊

周蘇潔，伍玲密

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州325016）

1 引言

“機(jī)械制圖”是工科類高等職業(yè)院校一門十分重要的必修技術(shù)基礎(chǔ)課，課程主要以培養(yǎng)學(xué)生繪制和識(shí)讀機(jī)械圖樣的基本技能為基本目標(biāo)[1]。同時(shí)“機(jī)械制圖”是一門理實(shí)并重的學(xué)科，需要學(xué)生抓住“物”“圖”之間的轉(zhuǎn)化方法和規(guī)律進(jìn)行讀圖和繪圖，對(duì)空間想象能力有很高的要求。高職學(xué)生空間想象能力普遍薄弱，而傳統(tǒng)教學(xué)以課堂教學(xué)為主，多采用PPT、板書等教學(xué)形式，利用掛圖或?qū)嶓w模型等教學(xué)工具加以輔助。但是，PPT 課件展示模型大多以二維圖形為主，立體感不強(qiáng)，加上實(shí)體模型不足和課時(shí)的縮減，整個(gè)教學(xué)過(guò)程缺乏互動(dòng)體驗(yàn)，枯燥乏味，學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，導(dǎo)致教學(xué)效率低下，教學(xué)效果不佳。

隨著三維CAD 建模技術(shù)日益成熟，三維應(yīng)用軟件的廣泛使用，建立三維模型庫(kù)替代實(shí)物模型充當(dāng)教學(xué)輔助工具成為可能[2]。此外，“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái)，教學(xué)手段不斷更新，大量線上學(xué)習(xí)平臺(tái)不斷涌現(xiàn)，豐富了教學(xué)資源，打破了教學(xué)課時(shí)和場(chǎng)地的局限。因此，本文提出了利用三維CAD建模軟件建立交互式模型庫(kù)輔助課堂教學(xué)，同時(shí)利用線上學(xué)習(xí)平臺(tái)，進(jìn)行模型庫(kù)資源以及三維建模微課的發(fā)布和管理，可以有效地提高學(xué)生的空間想象能力，降低學(xué)習(xí)和授課的難度，同時(shí)對(duì)提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有一定積極作用。

2 三維建模軟件的選擇

SolidWorks 相比于Pro/E、UG、CATIA 等三維建模軟件，具有界面友好、易學(xué)易用等特點(diǎn)。特別是針對(duì)初學(xué)者，也可以較快上手。其強(qiáng)大的基于參數(shù)化和實(shí)體建模的功能尤其適合創(chuàng)建三維模型庫(kù)。綜上所述，本文選擇SolidWorks軟件來(lái)完成三維模型的創(chuàng)建。

3 交互式模型庫(kù)的建立

機(jī)械制圖交互式模型庫(kù)就是利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體模型的虛擬化，創(chuàng)建出來(lái)的模型具有形象逼真、多樣化、可修改擴(kuò)充等特點(diǎn)，在一定程度上可以替代傳統(tǒng)模型的制作、管理和使用[3]。交互式模型庫(kù)主要由三維虛擬模型庫(kù)、二維視圖庫(kù)和運(yùn)動(dòng)仿真及三維建模視頻庫(kù)三部分組成[4]。

3.1 交互式模型庫(kù)的創(chuàng)建思路

交互式模型庫(kù)的創(chuàng)建思路如圖1 所示。

圖1 交互式模型庫(kù)的創(chuàng)建思路

3.2 三維虛擬模型庫(kù)的建立和應(yīng)用

傳統(tǒng)的“機(jī)械制圖”教學(xué)中，針對(duì)相貫線及截交線的理解，組合體的形體分析過(guò)程（疊加、切割），剖切體的假想剖切面位置以及裝配體的拆裝過(guò)程原理等一直是教師和學(xué)生都比較頭疼的問題。因此，針對(duì)“機(jī)械制圖”中的重難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行輔助建模，內(nèi)容主要包括相貫體及截交體、組合體、剖切體以及裝配體。三維虛擬模型庫(kù)創(chuàng)建的主要有以下2 個(gè)步驟：①首先在SolidWorks 草圖工具中繪制二維草圖，再經(jīng)過(guò)拉伸、拉伸切除、旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)切除、掃描、特征陣列以及打孔等特征操作完成三維實(shí)體的創(chuàng)建。此外，Solid-Works 草圖中的幾何約束和智能尺寸功能，可以對(duì)三維模型尺寸大小實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修改，從而使創(chuàng)建的模型更加精確。②將SolidWorks 創(chuàng)建好的三維模型源文件導(dǎo)入CADbro 軟件，通過(guò)CADbro 軟件轉(zhuǎn)化成*.html 格式，同時(shí)生成對(duì)應(yīng)的二維碼圖片。在課堂教學(xué)中，可以將*.html 格式文件和二維碼圖片嵌入PPT，教師無(wú)需在計(jì)算機(jī)上安裝任何軟件即可通過(guò)瀏覽器打開*.html 文件，利用鼠標(biāo)就可以實(shí)現(xiàn)模型的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)及放大縮小，讓三維模型的內(nèi)外形狀結(jié)構(gòu)全方位地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的模型，可以利用剖切工具對(duì)模型進(jìn)行三維剖切，還可以選擇隱藏某些構(gòu)件來(lái)簡(jiǎn)化模型。在講解到對(duì)應(yīng)的模型案例時(shí)，學(xué)生也可以借助自己的手機(jī)，進(jìn)行掃碼查看和操作三維模型。

軸承座的三維模型和爆炸圖如圖2 所示，通過(guò)CADbro內(nèi)置的爆炸圖功能，教師上課時(shí)，可直接演示一些簡(jiǎn)單的基本體疊加形成組合體，有助于學(xué)生在提高空間構(gòu)圖能力的同時(shí)，鞏固理解組合體的視圖的分析方法和繪圖步驟。機(jī)件平面剖切圖如圖3 所示，灰色區(qū)域即為剖切平面，用戶可動(dòng)態(tài)地對(duì)剖切平面進(jìn)行調(diào)節(jié)，直觀地展示假想剖切平面的形狀和位置。這種直觀的交互式模型查看體驗(yàn)，可有效地降低學(xué)習(xí)難度，提升課堂的趣味性和互動(dòng)性。

圖2 軸承座三維模型和爆炸圖（疊加型組合體）

圖3 機(jī)件平面的剖切圖

3.3 二維視圖的生成和應(yīng)用

借助三維模型和二維視圖的關(guān)聯(lián)性，SolidWorks 很方便地可以由三維模型自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的二維工程圖。但是，在生成二維工程圖時(shí)，需要注意以下4 點(diǎn)：①需要選擇合適的機(jī)件表達(dá)方法，包括基本視圖、斜視圖以及各種剖視圖等來(lái)準(zhǔn)確地表達(dá)模型結(jié)構(gòu)形狀[5]；②自動(dòng)由三維模型尺寸生成二維尺寸時(shí)，需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整視圖位置、尺寸標(biāo)注及縮放比例；③需要對(duì)工程圖的表面粗糙度、尺寸公差、形位公差等技術(shù)要求進(jìn)行標(biāo)注；④需要對(duì)不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的幾何元素進(jìn)行修改，從而使輸出的工程圖符合設(shè)計(jì)要求。

以圖2 的軸承座組合體為例，生成的工程圖如圖4 所示。

圖4 軸承座工程圖

因此，創(chuàng)建好三維虛擬模型庫(kù)之后，可以很簡(jiǎn)便地得到與之對(duì)應(yīng)的二維視圖庫(kù)。

3.4 運(yùn)動(dòng)仿真、三維建模視頻的制作和應(yīng)用

為了更清晰地展示裝配體的工作原理以及各零部件之間的裝拆過(guò)程，可以利用SolidWorks 的Motion 插件來(lái)模擬和捕捉裝配體的運(yùn)動(dòng)，最終生成動(dòng)畫視頻。

利用屏幕捕捉功能，可以將三維模型的建模以及運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程進(jìn)行錄制，形成三維建模教學(xué)視頻包。學(xué)生可以充分利用課余時(shí)間進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，初步掌握簡(jiǎn)單立體的建模技能，能夠更好地理解三維模型和二維視圖之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，不斷提升自身的空間想象能力，培養(yǎng)自身的構(gòu)型思維能力，以增強(qiáng)個(gè)人工程素養(yǎng)，為后續(xù)深入學(xué)習(xí)三維建模相關(guān)課程奠定必要的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。

4 CADbro 在交互式模型展示中的應(yīng)用

CADbro 是一款具備輕量化且功能強(qiáng)大的三維模型查看和分享軟件。CADbro 克服了常見三維設(shè)計(jì)軟件安裝過(guò)程復(fù)雜、占用空間大的缺點(diǎn)，是目前信息化教學(xué)資源自主開發(fā)的重要工具之一。常見的三維模型格式都可以導(dǎo)入CADbro，用戶可以根據(jù)工具欄不同的功能選項(xiàng)，方便地查看模型的各個(gè)視圖、剖視圖、爆炸圖。通過(guò)分享鏈接和二維碼的方式，或直接將格式轉(zhuǎn)換成*.html 格式進(jìn)行保存，就可以在電腦端或者移動(dòng)端全方面直觀地了解模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、裝配關(guān)系等信息。

5 “互聯(lián)網(wǎng)+”背景下交互式模型庫(kù)的線上應(yīng)用

在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，多數(shù)院校都在借助線上學(xué)習(xí)平臺(tái)開展和探索線上線下、課內(nèi)課外混合式教學(xué)新模式。利用“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的優(yōu)勢(shì)，可以使課程內(nèi)容、課程組織、課程任務(wù)、課程資源、課程考核評(píng)價(jià)、課程討論和學(xué)情統(tǒng)計(jì)等教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行有機(jī)融合，形成完整高效的線上學(xué)習(xí)和管理方案?！皺C(jī)械制圖”線上學(xué)習(xí)和管理方案如圖5 所示，本文提出的交互式模型庫(kù)，可以充分利用線上教學(xué)平臺(tái)，按照“機(jī)械制圖”課程內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系，將交互式模型庫(kù)中的三維模型、二維視圖以及運(yùn)動(dòng)仿真、三維建模視頻上傳到對(duì)應(yīng)章節(jié)[6]，并在各章節(jié)前設(shè)置學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)目標(biāo)，在章節(jié)后設(shè)置隨堂練習(xí)、課后作業(yè)及學(xué)習(xí)討論等教學(xué)活動(dòng)。

圖5 “機(jī)械制圖”線上學(xué)習(xí)和管理方案

課前，學(xué)生可以事先對(duì)下發(fā)的學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行預(yù)習(xí)，查看三維模型或機(jī)構(gòu)仿真視頻充分熟悉課堂中的模型案例；課后，可以觀察作業(yè)庫(kù)中的三維模型進(jìn)行二維視圖的繪制，上交后可參照二維視圖庫(kù)進(jìn)行自我檢查和訂正，同時(shí)可以觀看三維建模視頻，對(duì)三維模型的創(chuàng)建和二維視圖的生成進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，不斷增強(qiáng)學(xué)生對(duì)“物”“圖”之間轉(zhuǎn)換規(guī)律的感性認(rèn)識(shí)?？傊槍?duì)互動(dòng)式模型庫(kù)而言，線上學(xué)習(xí)平臺(tái)的應(yīng)用，彌補(bǔ)了教師自建網(wǎng)頁(yè)難度大、耗時(shí)長(zhǎng)、管理差等缺點(diǎn)，極大地降低了教學(xué)難度，同時(shí)配合線下教學(xué)，為學(xué)生提供了個(gè)性化自主的學(xué)習(xí)空間，有效激了發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，提高其思維和創(chuàng)造能力。

6 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，借助線上學(xué)習(xí)平臺(tái)構(gòu)建的交互式模型庫(kù)，改變了傳統(tǒng)的“機(jī)械制圖”的教學(xué)模式，可以有效地提高教學(xué)質(zhì)量和效果。交互式模型庫(kù)能夠突出課程內(nèi)容的重點(diǎn)難點(diǎn)，不僅可以在課堂教學(xué)中發(fā)揮積極地輔助作用；同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生可以根據(jù)自身的學(xué)情特點(diǎn)，不受時(shí)間和空間的限制，對(duì)互動(dòng)式模型庫(kù)進(jìn)行有針對(duì)性地學(xué)習(xí)，可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性。此外，還可以根據(jù)教學(xué)的實(shí)際需求，靈活地對(duì)交互式模型庫(kù)進(jìn)行修改和補(bǔ)充。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，交互式模型庫(kù)的應(yīng)用前景將變得更加廣闊。