基于Web3D技術(shù)的三維CAD教學(xué)應(yīng)用研究

李福送 王文軍 林偉健 秦臻 尹帥

摘要：文章探討了三維CAD課程傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的問題，分析了Web3D技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用；提出了基于Web3D技術(shù)進(jìn)行三維CAD相關(guān)教學(xué)改革和研究實(shí)踐，涉及課程教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)內(nèi)容建設(shè)及教學(xué)實(shí)施過程等方面，并將信息化技術(shù)手段融入線上、線下混合式教學(xué)中。實(shí)例證明，基于Web3D技術(shù)的教學(xué)改革研究具有積極意義，在三維CAD等課程的實(shí)踐應(yīng)用中教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞：三維CAD? 3D教學(xué)? Web3D技術(shù)? 教學(xué)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：This paper discusses the problems existing in the traditional teaching mode of 3D CAD courses，? analyzes the application of Web3D technology in education and teaching， and puts forward the teaching reform and research practice of 3D CAD based on Web3D technology， involving the course teaching platform， teaching content construction and teaching implementation process， and integrates information technology? into online and offline blended teaching. Examples show that the teaching reform and research based on Web3D technology is of positive significance， and the teaching effect is good in the practical application of 3D CAD and other courses.

Key Words：3D CAD; 3D teaching; Web3D technology; Teaching platform

1 課程概述

《三維CAD基礎(chǔ)》課程作為機(jī)械類專業(yè)一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課，其主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)用三維軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)，包括有基本的零件建模、零件裝配及生成工程圖樣及運(yùn)用軟件解決工程實(shí)際問題的能力[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造已被廣泛應(yīng)用于我國的各個(gè)領(lǐng)域，利用相關(guān)的三維造型軟件可以直接繪制出零件的三維圖形，對產(chǎn)品的表現(xiàn)更加具體和直接；同時(shí)，三維軟件和數(shù)控中心無縫對接，可以對三維產(chǎn)品進(jìn)行直接加工[2-3]。因此，能夠熟練應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維繪圖軟件是工科學(xué)生特別是機(jī)械專業(yè)學(xué)生最基本的技能。

三維CAD基礎(chǔ)課程的主要教學(xué)目標(biāo)如下。

（1）知識(shí)目標(biāo)方面：掌握三維設(shè)計(jì)的基本理論、用戶操作界面和基本功能；熟悉三維軟件設(shè)計(jì)流程，熟悉掌握三維建模、裝配和工程圖設(shè)計(jì)。

（2）能力目標(biāo)方面：具有熟練利用三維軟件進(jìn)行中等復(fù)雜程度的三維零件建模、裝配的能力；具有三維模型轉(zhuǎn)換為二維工程圖的能力；熟練運(yùn)用三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和解決工程實(shí)踐問題的能力。

（3）素質(zhì)目標(biāo)方面：培養(yǎng)解決實(shí)際問題、獨(dú)立學(xué)習(xí)新知識(shí)、實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力；培養(yǎng)學(xué)生具有愛崗敬業(yè)的敬業(yè)精神，建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和科學(xué)的工作態(tài)度；增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量、成本的意識(shí)，明確產(chǎn)品質(zhì)量對企業(yè)生存發(fā)展的重要性。

2 三維CAD傳統(tǒng)教學(xué)模式

三維CAD課程近年來經(jīng)過不斷教學(xué)改革探索，基本形成了相對成熟的教學(xué)思路和方法，主要采用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式、線上線下混合式教學(xué)模式等方式；但是由于本課程區(qū)別于理論課程，屬于軟件上機(jī)課程，注重培養(yǎng)學(xué)生的基本操作能力和實(shí)踐運(yùn)用能力。因此，在教學(xué)過程和教學(xué)反饋中存在以下方面問題。

2.1 傳統(tǒng)教學(xué)模式分析

傳統(tǒng)教學(xué)模式將教師與學(xué)生形成主客對立的關(guān)系，在授課中，學(xué)生的差異性被忽略，很難培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索的能力，不能滿足學(xué)生的不同的個(gè)性化要求，具體主要體現(xiàn)在以下幾方面：一是學(xué)生學(xué)習(xí)完后，知識(shí)掌握不牢固，特別是從學(xué)生各專業(yè)課的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中明顯體現(xiàn)出來；二是從參加工作的畢業(yè)生反饋情況來看，所教所學(xué)與工程實(shí)際問題不能有效結(jié)合起來；三是課堂學(xué)習(xí)時(shí)間有限，軟件應(yīng)用課程又需要學(xué)生在課余時(shí)間多學(xué)多練，但自主學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，不能體會(huì)到3D設(shè)計(jì)的魅力。

隨著新技術(shù)的發(fā)展，課堂教學(xué)與信息技術(shù)的不斷融合，“線上+線下”混合式教學(xué)模式作為教學(xué)改革方式的一種全新視角，能完全顛覆傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，能培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主探索新知的能力，滿足學(xué)生不同的個(gè)性化需求?；旌鲜浇虒W(xué)模式比單純的線上或者線下教學(xué)模式學(xué)習(xí)效果更好，并且常態(tài)化疫情防控更是要求擁有更靈活、高效和便捷的學(xué)習(xí)模式。但是常規(guī)的“線上+線下”混合式教學(xué)模式的學(xué)習(xí)環(huán)境單一，線上學(xué)習(xí)以視頻微課、PPT為主，教學(xué)資源不夠豐富，教學(xué)互動(dòng)方式比較單一，學(xué)生自我約束能力和自我成就感直接影響到學(xué)習(xí)的質(zhì)量；而線下學(xué)習(xí)仍以教師講授為主，雖然能夠完成互動(dòng)，但不能很好地實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)目標(biāo)。另外，線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)不能支持3D效果，只能以圖片或視頻等平面媒體的方式說明，這些平面媒體不能形象、立體地描述出知識(shí)內(nèi)容，容易形成知識(shí)盲點(diǎn)，因此需要結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，特別是Web3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，引入到線上線下混合式教學(xué)過程中，構(gòu)建出立體化、可交互操作的教學(xué)新模式，使學(xué)生能更形象地獲取知識(shí)、激發(fā)思維。

2.2 課程教學(xué)主要問題總結(jié)

綜上所述，三維CAD課程教學(xué)存在一些問題，亟需進(jìn)行教學(xué)改革和研究進(jìn)行解決。

（1）教學(xué)內(nèi)容、教材方面：教材內(nèi)容更新緩慢、內(nèi)容形式單一，理論與實(shí)踐有脫節(jié)。

（2）教學(xué)方法方面：傳統(tǒng)教學(xué)模式效率低，教師講授為主，學(xué)生參與度不高，學(xué)習(xí)延展性有限。

（3）教學(xué)評價(jià)方面：單一試卷考核區(qū)分度低、偶然性高，過程性考核評價(jià)欠缺；挑戰(zhàn)度、實(shí)戰(zhàn)性低。

3 基于Web3d技術(shù)的教學(xué)改革與實(shí)踐

3.1 課程教學(xué)平臺(tái)改革

傳統(tǒng)線上教學(xué)平臺(tái)不能滿足3D交互教學(xué)的需要，因此，可利用“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+信息化技術(shù)”搭建專屬課堂教學(xué)平臺(tái)，同時(shí)創(chuàng)新融入了Web3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

3.1.1 Web3d虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）是一種基于三維立體效果的虛擬環(huán)境，具有沉浸、多感知和可交互等特性，是仿真技術(shù)的發(fā)展方向之一[4-5]，進(jìn)一步準(zhǔn)確地說，就是采用成熟的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)生成逼真的視覺、聽覺等多感知的三維立體虛擬環(huán)境，在這樣的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，體驗(yàn)者可以身臨其境般，不受約束地對虛擬對象進(jìn)行交互操作和感知交流。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，為人們提供了更為真實(shí)的人機(jī)交互方式，特別是在教育教學(xué)中提供了更為先進(jìn)的方式。Web3D技術(shù)是傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)分支，是一種在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上，充分利用互聯(lián)網(wǎng)，在網(wǎng)頁上顯示三維立體模型并可互動(dòng)瀏覽操作的技術(shù)[6-7]。Web3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，它不需要傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中必備的頭盔顯示器等支持沉浸感的硬件，基于基本的計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境，僅依靠軟件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)[8-10]，大幅度降低了實(shí)現(xiàn)成本，因此在產(chǎn)品展示、虛擬場景和教學(xué)展示等方面有著廣泛的應(yīng)用。

3.1.2 專屬課程教學(xué)平臺(tái)

三維CAD課程專屬教學(xué)平臺(tái)主要包括課程中心、3D模型庫、3D作品展和管理中心這四個(gè)功能模塊，既可滿足普通課程教學(xué)管理的要求，又具有3D交互教學(xué)的功能特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

（1）教學(xué)平臺(tái)擴(kuò)展多種功能模塊達(dá)到教學(xué)目的和教學(xué)過程監(jiān)控，重點(diǎn)體現(xiàn)以學(xué)生為中心、教師為輔的引導(dǎo)式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)先學(xué)后教、以學(xué)定教的目的。

（2）教學(xué)平臺(tái)融入Web3D技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)手段，實(shí)現(xiàn)三維模型在瀏覽器中動(dòng)態(tài)展示、交互操控。三維模型無論在教師和學(xué)生的電腦端、手機(jī)端上均可實(shí)時(shí)交互，展現(xiàn)教學(xué)信息化手段的有效利用，提升教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)新型教學(xué)互動(dòng)。

（3）教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)考核管理模塊利用信息化手段實(shí)現(xiàn)教學(xué)考核自動(dòng)評價(jià)、評價(jià)管理數(shù)據(jù)化，教學(xué)考核管理功能架構(gòu)如圖1所示。

3.2 教學(xué)內(nèi)容建設(shè)改革

三維CAD課程在課程教學(xué)內(nèi)容方面的改革建設(shè)主要分為以下幾個(gè)部分。

（1）教師準(zhǔn)備教學(xué)內(nèi)容：以工程實(shí)踐案例為主，使得教學(xué)更加貼近實(shí)際，有效對接行業(yè)需求，并結(jié)合學(xué)生線上學(xué)習(xí)效果反饋，由教師進(jìn)行針對性的講解，強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

（2）學(xué)生準(zhǔn)備學(xué)習(xí)內(nèi)容：學(xué)生在課前學(xué)習(xí)階段，結(jié)合知識(shí)點(diǎn)，積極思考并提出感興趣的設(shè)計(jì)案例；教師課中、課后挑選有代表性的案例進(jìn)行講解分析。

（3）師生共建教學(xué)資源內(nèi)容：采用教師引導(dǎo)、學(xué)生為主的形式進(jìn)行師生共建課程教學(xué)資源，引入學(xué)生的實(shí)踐作品案例，將案例內(nèi)容中創(chuàng)新融入虛擬仿真技術(shù)，豐富線上課程資源，提高教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性、新穎性，改變傳統(tǒng)被動(dòng)學(xué)習(xí)模式。

（4）在課程教學(xué)案例中結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，將抽象的三維模型形象化，增強(qiáng)其應(yīng)用性和新穎性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生積極思考、舉一反三的能力。

3.3 教學(xué)實(shí)施過程改革

課程教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)以學(xué)生為中心，通過課程教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙向互動(dòng)，將課程教學(xué)資源與教學(xué)數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)與共享，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程化信息管理、教學(xué)效果可視化的教學(xué)活動(dòng)。

（1）課前：學(xué)生線上學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容形式為“電子課件+微課/視頻”，以作業(yè)完成情況評價(jià)學(xué)習(xí)效果。

（2）課中：教師講解演示，學(xué)生實(shí)踐操作，上傳作品，分組討論，學(xué)生匯報(bào)、互動(dòng)展示作品；在教學(xué)過程中，充分發(fā)揮教學(xué)平臺(tái)的虛擬仿真功能，增加形象性、交互性，如圖2所示。

（3）課后：知識(shí)鞏固強(qiáng)化，教師布置課后作業(yè)，學(xué)生課后練習(xí)、上傳作品。

（4）在課程教學(xué)中引入思政案例，如工程實(shí)踐案例——軸類零件、飛輪盤等；強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)尺寸標(biāo)注、公差選用的重要性，增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量、輕量化設(shè)計(jì)的意識(shí)，培養(yǎng)工匠精神。

整個(gè)教學(xué)實(shí)施過程按階梯式設(shè)計(jì)，形成課前、課中和課后三位一體的教學(xué)過程，同時(shí)在各階段都可輸出階段性成果，教學(xué)效果更直觀可視化、可評價(jià)化。

3.4 教學(xué)評價(jià)方法改革

考核評價(jià)在每一個(gè)教學(xué)過程中，不僅是檢測學(xué)生的學(xué)習(xí)成績和評價(jià)學(xué)生知識(shí)水平和能力狀況，而且是檢測教與學(xué)的綜合效果并為教學(xué)改革提供必要依據(jù)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)課程成績由過程性考核成績和終結(jié)性考核成績共同組成，構(gòu)成科學(xué)精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)分析、診斷與反饋的教學(xué)評價(jià)體系[11]。其中考核成績以學(xué)生實(shí)際完成的成果作品為考核依據(jù)，所有成果都上傳在教學(xué)平臺(tái)上，直接線上進(jìn)行交互展示作品，然后由教師點(diǎn)評、學(xué)生互評，使成績評價(jià)公平、公正，有依據(jù)。同時(shí)，將優(yōu)秀的學(xué)生作品成果在線上公開展示、分享，進(jìn)一步提高學(xué)生的成就感，提升主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

4 教學(xué)效果反饋及總結(jié)

基于Web3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的混合式教學(xué)改革已在《三維CAD基礎(chǔ)》課程教學(xué)中成功應(yīng)用，其教學(xué)效果大大提升，教學(xué)反饋和評價(jià)都得到好評。學(xué)生在課堂上快速掌握基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，教學(xué)交互手段更加豐富，課堂氣氛活躍；學(xué)習(xí)在線上學(xué)習(xí)時(shí)，不僅可以從3D資源庫中接收到更為全面的知識(shí)信息，而且能在與3D模型的互動(dòng)中體驗(yàn)到很多樂趣，因此更容易實(shí)現(xiàn)寓教于樂的教學(xué)目標(biāo)。

5 結(jié)語

基于Web3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的混合式教學(xué)改革不僅能應(yīng)用在三維CAD課程教學(xué)中，同時(shí)也可應(yīng)用于其他相關(guān)課程的教學(xué)中。該教學(xué)改革是深化教學(xué)改革、提高教學(xué)效果的有效手段，也是在教學(xué)中融入信息化技術(shù)的最直接方式，也是未來現(xiàn)代化教學(xué)領(lǐng)域發(fā)的發(fā)展方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 王文軍，林偉健，李福送.基于工程案例的三維CAD教學(xué)改革與實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2021（9）：85-87.

[2] 瞿暢，王君澤，曹紅蓓.Web3D技術(shù)及其在工程圖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2006（2）：150-154.

[3] 陳龍，仲梁維.基于Web3D技術(shù)的教學(xué)方法探討[J].科技信息，2011（22）：434-435.

[4] 張偉.Web3D技術(shù)在多媒體教學(xué)中的應(yīng)用[J].長春師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，29（2）：60-62.

[5] 姚震，仲梁維，陳彩鳳.基于Three.js的機(jī)械產(chǎn)品展示研究[J].軟件導(dǎo)刊，2018，17（5）：187-190.

[6] 何東琴，王聰華，龔嘯.基于Three.js無插件三維模型展示研究[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2018（3）18-19，23.

[7] 侯嚴(yán)庭.基于Three.js的機(jī)械產(chǎn)品自動(dòng)裝配演示[J].軟件工程，2018，21（3）：23-26.

[8] 蔣召召.基于WebGL的數(shù)據(jù)中心3D可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2019.

[9] 徐鵬.基于Unity3D開發(fā)平臺(tái)的Web3D技術(shù)的數(shù)字科技館展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作[J].科技與創(chuàng)新，2021（3）：51-52.

[10] 楊萍.基于三維虛擬環(huán)境的主題學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].重慶：西南大學(xué)，2019.

[11] 魏首柳，柯小玲.基于教考分離的課程試題庫建設(shè)的探討與實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2021（3）：100-103.

作者簡介：李福送（1981—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAM、信息化等。

基金項(xiàng)目：2021年柳州工學(xué)院教學(xué)改革研究和實(shí)踐項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2021JGC004）；2021年度柳州工學(xué)院校級(jí)一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2021YLKC012）；2022年柳州工學(xué)院課程思政示范課程（項(xiàng)目編號(hào)：2022KCSZ006）