基于虛擬模型的工程制圖教學(xué)改革研究

楊 平，趙秀婷

（廣東工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)制造學(xué)院，510000，廣東廣州）

為了適應(yīng)教育部對(duì)高等學(xué)校教育教學(xué)改革的要求，必須努力提高課程教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生學(xué)習(xí)水平。工程制圖課程是所有工科學(xué)生必須學(xué)習(xí)的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程在高等教育教學(xué)中占有重要地位。然而工程制圖的傳統(tǒng)教學(xué)方式存在一定的弊端，給初入大學(xué)的學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)一定困難，因此急需解決教學(xué)中面臨的各種問(wèn)題。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，開發(fā)適合工程制圖課程教學(xué)的虛擬模型庫(kù)，利用沉浸式教學(xué)方式，解決了學(xué)生通過(guò)平面模型難以想象出空間模型的問(wèn)題，對(duì)促進(jìn)和提高工程制圖類課程教學(xué)質(zhì)量至關(guān)重要。

1 工程制圖素養(yǎng)的培養(yǎng)

工程制圖是工程師之間進(jìn)行交流的語(yǔ)言表達(dá)工具。工科學(xué)生除了要掌握制圖標(biāo)準(zhǔn)之外，還要具有識(shí)圖能力和三維思維能力。然而能力的培養(yǎng)離不開各種手段的支撐，利用各種先進(jìn)手段能夠使教學(xué)達(dá)到事半功倍的效果。隨著教學(xué)內(nèi)容的不斷擴(kuò)展，要循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的工程制圖素養(yǎng)。學(xué)習(xí)內(nèi)容從最簡(jiǎn)單的點(diǎn)、線、面投影開始，逐步增加難度，到平面、曲面、空間投影及簡(jiǎn)單的相貫。在學(xué)習(xí)過(guò)程中由二維擴(kuò)展到三維，模型高度復(fù)雜和抽象化，使學(xué)生學(xué)習(xí)難度越來(lái)越大。如果沒(méi)有好的教學(xué)方法，會(huì)造成很多學(xué)生對(duì)后續(xù)內(nèi)容失去學(xué)習(xí)興趣，對(duì)于與生產(chǎn)實(shí)際相聯(lián)系的標(biāo)準(zhǔn)件、常用件繪制及裝配圖繪制等部分重要內(nèi)容知難而退，使其在今后的實(shí)際工作發(fā)展中受到很大的局限；因此，針對(duì)學(xué)生工程制圖素養(yǎng)的培養(yǎng)，傳統(tǒng)教學(xué)方式改革勢(shì)在必行。

2 教學(xué)現(xiàn)狀

工程制圖課程是大一新生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課[1]，該課程對(duì)學(xué)生的空間想象能力要求較高，而傳統(tǒng)的PPT教學(xué)模式，很難使學(xué)生理解具體的教學(xué)內(nèi)容。因此，在課堂教學(xué)中需要大量的教學(xué)模型來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，使學(xué)生具有一定的識(shí)圖和繪圖能力。要讓學(xué)生完成從二維平面到三維立體空間的相互轉(zhuǎn)換，需要大量的實(shí)物模型供學(xué)生觀察，但傳統(tǒng)的教學(xué)模型由于體積大、攜帶不便，且需要專門的管理者進(jìn)行保管和維護(hù)，無(wú)論教師還是學(xué)生使用都不方便。為了克服這些困難，現(xiàn)階段我國(guó)高校廣泛采用多媒體CAI 課件，如利用三維建模軟件構(gòu)建工程制圖模型庫(kù)，而自主開發(fā)的工程制圖電子教學(xué)資源大多采用flc、mov、avi 等媒體格式，使用這些媒體格式播放的三維圖形都不能隨意地移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，交互性不強(qiáng)，學(xué)生不能對(duì)圖形任意操作，不利于培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力。

3 教學(xué)改革

以課堂提質(zhì)增效為主渠道，落實(shí)教學(xué)改革。采用虛擬模型，使學(xué)生與模型之間可以進(jìn)行交互，通過(guò)交互極大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，改變學(xué)生的學(xué)習(xí)意識(shí)，由原來(lái)的被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，通過(guò)交互功能來(lái)完全掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

3.1 技術(shù)支撐——HTML5 和WebGL 技術(shù)

隨著前端網(wǎng)頁(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)頁(yè)上展示三維模型備受青睞，HTML5 是構(gòu)建Web 內(nèi)容的一種語(yǔ)言描述方式，通過(guò)編程在網(wǎng)頁(yè)上展示三維模型。網(wǎng)頁(yè)上展示三維模型，可以避免利用三維軟件展示模型對(duì)電腦配置要求高及不同軟件之間格式不兼容問(wèn)題的出現(xiàn)，不受建模軟件的限制，通過(guò)操作鼠標(biāo)打開網(wǎng)頁(yè)即出現(xiàn)三維模型。利用WebGL 的第三方庫(kù)three.js 建立的虛擬三維模型[2]，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的想象力，在網(wǎng)頁(yè)或手機(jī)屏幕上操作實(shí)現(xiàn)交互，使學(xué)生沉浸在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)過(guò)程中，以克服傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端，提高教學(xué)質(zhì)量。

three.js 通過(guò)創(chuàng)建所需的基本元素，如點(diǎn)、線、面、矩陣等，將相機(jī)（Cameras）、物體（Objects）、光線（Lights）等添加到場(chǎng)景（Scene）中，借助渲染器（Renderer）進(jìn)行場(chǎng)景渲染，即可實(shí)現(xiàn)基本的網(wǎng)頁(yè)三維模型展示[3]。

3.2 教學(xué)形式改革

改變傳統(tǒng)的只采用PPT 的教學(xué)模式，避免學(xué)生生搬硬套地學(xué)習(xí)和課后練習(xí)，鍛煉了學(xué)生識(shí)圖和建模的能力。在課堂內(nèi)利用虛擬模型和PPT 相結(jié)合的教學(xué)方式，當(dāng)講到具體模型時(shí)，學(xué)生可以利用電腦或手機(jī)端打開虛擬模型庫(kù)中的文件，對(duì)模型進(jìn)行放大、縮小及旋轉(zhuǎn)操作，從而對(duì)三維模型的每個(gè)細(xì)節(jié)都完全掌握。

在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)于根據(jù)兩個(gè)視圖補(bǔ)全第三視圖的這類練習(xí)，學(xué)生往往很難想象出組合體的立體圖，而不能正確作出第三視圖，教師對(duì)照PPT 講解很難使學(xué)生想象出模型的立體圖。這種傳統(tǒng)教學(xué)方法教師費(fèi)力，學(xué)生難懂，達(dá)不到事半功倍的效果。但是有了虛擬模型庫(kù)，教師則可以結(jié)合立體圖形和二維視圖給學(xué)生講解，學(xué)生能夠快速地掌握所學(xué)的內(nèi)容，對(duì)每一個(gè)細(xì)節(jié)都能深入體會(huì)。

再比如有切挖等形式的復(fù)雜模型，需要想出內(nèi)部結(jié)構(gòu)和立體形狀，這部分內(nèi)容會(huì)使學(xué)生感到非常困難，對(duì)于有些細(xì)節(jié)部分很難想象。同時(shí)在裝配體部分教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生也對(duì)裝配模型不能理解。但是有了three.js 技術(shù)將虛擬模型引入課堂，學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手去拆分和裝配模型，可以對(duì)模型有深入的了解，從而很好地培養(yǎng)學(xué)生的識(shí)圖能力和空間思維能力。

3.3 教學(xué)改革實(shí)施方法

為了改變傳統(tǒng)的PPT 教學(xué)模式，需要建立虛擬模型庫(kù)。為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)，建立與教材配套的模型庫(kù)，學(xué)生通過(guò)在課本上掃描模型對(duì)應(yīng)的二維碼就可以打開此模型，從而在手機(jī)端或電腦端縮放、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)此模型，極大地提高了教學(xué)效果，同時(shí)節(jié)省了購(gòu)買實(shí)物模型的成本及保管維護(hù)的費(fèi)用。

3.3.1 用戶端three.js 編程

利用three.js 編程[4]，建立工程制圖模型庫(kù)。首先利用三維建模軟件建立相應(yīng)的模型，將模型保存為OBJ 和MTL 格式[5]，供編程使用。為了在手機(jī)端使用需要定義Android 和iOS 系統(tǒng)及微信端，如下所示。通過(guò)編程，可以在安卓手機(jī)、蘋果手機(jī)及微信端打開虛擬模型庫(kù)。

3.3.2 三維模型創(chuàng)建及編程

為了建立與教材配套的模型，利用三維建模軟件Solid Works 或UG 等建立三維模型，將模型導(dǎo)入到3DS MAX 中，然后將模型導(dǎo)出為OBJ 格式，導(dǎo)出后的模型包括OBJ 和MTL 格式，用three.js 編程打開模型。具體命令如下。

3.3.3 虛擬場(chǎng)景創(chuàng)建

為了將三維模型建立在虛擬環(huán)境中，需要?jiǎng)?chuàng)建虛擬環(huán)境場(chǎng)景、相機(jī)及光線等，這樣利用三維建模軟件創(chuàng)建的模型在虛擬環(huán)境中可以更真實(shí)地展現(xiàn)模型，具體程序如下[6]。

3.3.4 模型庫(kù)維護(hù)

模型庫(kù)的維護(hù)主要涉及根據(jù)課程內(nèi)容調(diào)整模型的內(nèi)容，可以很方便地增加三維模型，將三維模型導(dǎo)入已經(jīng)編好的程序中，即可以增加虛擬模型庫(kù)的內(nèi)容，具有極好的模型可維護(hù)性。相比實(shí)物模型來(lái)說(shuō)，省去了購(gòu)買模型的經(jīng)費(fèi)及模型存放、保管的費(fèi)用。因此虛擬模型庫(kù)對(duì)于上課所需模型具有非常好的替代作用，利用虛擬模型進(jìn)行教學(xué)能達(dá)到省經(jīng)費(fèi)、省地方、省保管的效果。

4 結(jié)論

為了能在工程制圖這門專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)中提高學(xué)生的工程制圖識(shí)圖作圖能力，使學(xué)生達(dá)到工程師的培養(yǎng)水平要求，需要改進(jìn)教學(xué)手段，利用虛擬模型庫(kù)與PPT 結(jié)合的方式教學(xué)，以達(dá)到事半功倍的效果，同時(shí)也節(jié)省了大量經(jīng)費(fèi)用于購(gòu)買模型，以及解決模型難于攜帶、維護(hù)、存放等問(wèn)題。通過(guò)在教學(xué)中使用虛擬模型庫(kù)，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度。虛擬模型庫(kù)采用three.js 語(yǔ)言編程，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)和電腦端操作，為需要利用模型上課的課程的教學(xué)改革提供了技術(shù)支撐。