移動(dòng)虛擬工程圖學(xué)模型庫(kù)的開發(fā)與應(yīng)用

陳功 孫海波 李艾民 趙啦啦

摘要：基于OBE的人才培養(yǎng)理念，在工程圖學(xué)課程中充分融入三維數(shù)字化、移動(dòng)互聯(lián)、虛擬交互等綜合信息處理技術(shù)，運(yùn)用Creo Parametric、圖紙通等軟件技術(shù)平臺(tái)，系統(tǒng)完成了模型庫(kù)規(guī)劃、模型構(gòu)建、模型管理、成員組織、學(xué)生管理、學(xué)習(xí)交流等設(shè)計(jì)研發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)虛擬工程圖學(xué)模型庫(kù)的開發(fā)。初步應(yīng)用實(shí)踐表明，模型庫(kù)可有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生合理利用學(xué)習(xí)時(shí)間和空間，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)生的三維空間想象能力和綜合創(chuàng)新能力。論文闡述了該項(xiàng)研究中的實(shí)踐應(yīng)用部分。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)互聯(lián);虛擬交互;工程圖學(xué);模型庫(kù)

中圖分類號(hào)：TP391? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）51-0120-03

本論文的工作是基于“移動(dòng)虛擬工程圖學(xué)模型庫(kù)的開發(fā)與應(yīng)用”教學(xué)改革成果的前一篇論文基礎(chǔ)上展開的，必要時(shí)讀者可參閱本刊前面的論文，移動(dòng)虛擬工程圖學(xué)模型庫(kù)的開發(fā)與應(yīng)用——理論方法篇。

一、三維建模與模型處理

（一）三維建模的軟件工具

Creo Parametric的前身是號(hào)稱“震撼業(yè)界的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件和世紀(jì)最強(qiáng)大的模局設(shè)計(jì)軟件”Pro/Engineer，由美國(guó)PTC（Parametric Technology Corporation，參數(shù)技術(shù)公司）推出的集成CAD/CAM/CAE于一體的全方位3D產(chǎn)品開發(fā)軟件，也是目前世界上最為流行的三維軟件之一，廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車制造、航空航天、家電等各個(gè)行業(yè)[1]。因Creo Parametric軟件平臺(tái)具有先進(jìn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于特征的實(shí)體造型等特點(diǎn)，足以滿足工程圖學(xué)虛擬模型庫(kù)中三維模型的開發(fā)需要，同時(shí)Creo Parametric軟件所開發(fā)的零件及裝配模型無(wú)須轉(zhuǎn)換，便可直接在“圖紙通”移動(dòng)App中查看與處理，與本文移動(dòng)模型庫(kù)的應(yīng)用無(wú)縫對(duì)接，因而本文主要使用Creo Parametric軟件進(jìn)行移動(dòng)虛擬工程圖學(xué)模型庫(kù)中三維模型的建立和處理。

（二）三維建模的典型方法

根據(jù)模型庫(kù)中各類模型的規(guī)劃和特點(diǎn)，模型庫(kù)中主要模型的建模方法如下。

1.點(diǎn)線面及簡(jiǎn)單形體。點(diǎn)可以通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)、線面求交等方式創(chuàng)建，用小球?qū)嶓w化顯示;線可以通過(guò)草繪、各類曲線、面面求交等方式創(chuàng)建，通過(guò)圓形截面拉伸或掃描實(shí)體化顯示;面可以通過(guò)點(diǎn)、線、拉伸曲面、填充曲面等方式創(chuàng)建，并對(duì)面著色顯示。簡(jiǎn)單形體主要通過(guò)添加和去除材料的拉伸特征創(chuàng)建。

2.平面立體及截切體。主要通過(guò)添加及去除材料的拉伸、混合特征完成。平面立體表面取點(diǎn)線主要通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)線、草繪、線在面上的投影、面面求交等方式完成。

3.回轉(zhuǎn)體及截切體、相貫體。主要通過(guò)旋轉(zhuǎn)特征完成。回轉(zhuǎn)體表面取點(diǎn)線主要通過(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)曲線、曲線在曲面上的投影、曲面求交等方式完成。

4.組合體、常用機(jī)件。綜合點(diǎn)線面、平面立體、回轉(zhuǎn)體的創(chuàng)建方法，同時(shí)通過(guò)孔、筋板等構(gòu)造特征及特征復(fù)制、鏡像、陣列等操作，完成組合體、常用機(jī)件的創(chuàng)建。通過(guò)各類剖截面的創(chuàng)建，可以查看到模型的內(nèi)部特征，在工程圖中可進(jìn)一步生成各種視圖、剖視圖、尺寸標(biāo)注等。

5.典型零件。綜合組合體、常用機(jī)件的創(chuàng)建方法，還可通過(guò)螺旋掃描、變截面掃描、掃描混合、環(huán)形折彎等創(chuàng)建彈簧、齒輪及含有復(fù)雜曲面的零件。同時(shí)通過(guò)族表、自定義特征、參數(shù)與關(guān)系、Pro/Program等實(shí)現(xiàn)零件模型的快速派生[1，2]。

6.典型裝配體。主要通過(guò)Creo Parametric的裝配模塊、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模塊、產(chǎn)品爆炸圖編輯生成模塊等完成。重點(diǎn)表達(dá)裝配體或產(chǎn)品內(nèi)部零部件組成、裝配連接關(guān)系、工作原理等。

（三）三維模型的后期處理

為了突出截切平面的形狀及位置，后期模型處理中將不同截平面賦予不同的顏色;為了突出裝配模型中不同零部件之間的裝配連接關(guān)系，后期模型處理中將不同零件賦予不同材質(zhì)。顏色、材質(zhì)的適當(dāng)處理，一方面可以使學(xué)生重點(diǎn)關(guān)注到各個(gè)點(diǎn)線面、結(jié)構(gòu)特征、典型零件等，另一方面可以提升模型的視覺(jué)效果，激發(fā)大家的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)效率。工程圖學(xué)模型庫(kù)中典型零部件的創(chuàng)建結(jié)果如圖1所示。

模型創(chuàng)建處理完成后，系統(tǒng)管理員可以在“圖紙通”PC端創(chuàng)建圖紙項(xiàng)目、上傳圖紙模型，并通過(guò)微信群、QQ群或發(fā)布分享網(wǎng)址等方式分享發(fā)布模型共享信息，以便下一環(huán)節(jié)教師和學(xué)生通過(guò)“圖紙通”PC端或移動(dòng)端查看這些模型。根據(jù)需要，系統(tǒng)管理員也可以很方便地在“圖紙通”PC端或移動(dòng)端刪除已經(jīng)上傳的模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型庫(kù)的有效管理。

二、成員組織與學(xué)習(xí)管理

（一）模型庫(kù)的成員組織

模型庫(kù)創(chuàng)建完成并由系統(tǒng)管理員網(wǎng)上發(fā)布后，需要使用模型庫(kù)的師生在Android和IOS系統(tǒng)移動(dòng)端，通過(guò)手機(jī)或平板電腦等下載、安裝并注冊(cè)“圖紙通”移動(dòng)App。注冊(cè)時(shí)只需要通過(guò)輸入手機(jī)號(hào)、獲取驗(yàn)證碼，然后填寫姓名、院系、班級(jí)等基本信息，設(shè)置系統(tǒng)登錄密碼即可完成App注冊(cè)。移動(dòng)端App安裝注冊(cè)后，師生需要通過(guò)系統(tǒng)管理員發(fā)布的項(xiàng)目模型分享信息，申請(qǐng)加入移動(dòng)虛擬工程圖學(xué)模型庫(kù)。系統(tǒng)管理員可以通過(guò)手機(jī)短信、圖紙通App中“我的消息”等渠道及時(shí)收到師生們的申請(qǐng)信息，核對(duì)信息無(wú)誤后，審核通過(guò)師生的加入申請(qǐng)。系統(tǒng)管理員根據(jù)需要，也可以在“項(xiàng)目成員”列表中刪除部分或全部項(xiàng)目成員（參與項(xiàng)目的師生），被刪除的師生將失去瀏覽模型庫(kù)的機(jī)會(huì)。系統(tǒng)管理員對(duì)項(xiàng)目加入申請(qǐng)審核通過(guò)后，師生便可以在“圖紙通”移動(dòng)端“我參與的項(xiàng)目”列表中看到模型庫(kù)中的各類模型，并可查看、分享、批注這些模型。

（二）模型庫(kù)的學(xué)習(xí)管理

移動(dòng)端App的主要交互方式是手勢(shì)交互，目前手機(jī)、平板電腦移動(dòng)終端幾乎都支持多點(diǎn)觸摸屏技術(shù)，觸控屏技術(shù)使得用戶對(duì)于移動(dòng)產(chǎn)品體驗(yàn)更加豐富。通過(guò)分析研究“圖紙通”App的移動(dòng)端的交互方式和交互行為，本文移動(dòng)模型庫(kù)中模型查看、模型處理、批注交流等主要功能的交互方式是一種典型的自然交互，Android和IOS端的交互界面、交互方式一致性很高，師生使用時(shí)上手快、學(xué)習(xí)成本低、技術(shù)復(fù)雜度低、用戶體驗(yàn)好，他們幾乎不需要或者只需要做很少量的學(xué)習(xí)培訓(xùn)，便可以將重點(diǎn)集中到模型的查看、學(xué)習(xí)和處理本身。對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件或裝配模型，可以通過(guò)模型剖切功能，使原本抽象難懂的模型結(jié)構(gòu)、裝配連接關(guān)系變得簡(jiǎn)單、形象、易理解。通過(guò)模型的圖文批注功能，可以實(shí)現(xiàn)師生之間的互動(dòng)交流，獲取模型中值得關(guān)注的圖文信息，答疑解惑、分享模型使用經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)心得。同時(shí)系統(tǒng)管理員可以及時(shí)收到師生對(duì)于模型庫(kù)使用過(guò)程中的問(wèn)題、建議等，持續(xù)對(duì)模型庫(kù)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，以更好地服務(wù)于工程圖學(xué)的教學(xué)工作。

使用移動(dòng)虛擬工程圖學(xué)模型庫(kù)時(shí)的典型界面及場(chǎng)景如圖2所示。

水可載舟，亦可覆舟。利用好移動(dòng)虛擬工程圖學(xué)模型庫(kù)可以使學(xué)生直觀、靈活地看到模型結(jié)構(gòu)形狀，輔助空間思維能力的培養(yǎng)，如果學(xué)生在學(xué)習(xí)和練習(xí)過(guò)程中過(guò)度依賴三維模型，反而會(huì)失去空間想象能力的鍛煉，則結(jié)果有時(shí)會(huì)適得其反。為了充分發(fā)揮移動(dòng)虛擬工程圖學(xué)模型庫(kù)的積極意義、克服消極影響，我們對(duì)模型發(fā)布時(shí)間進(jìn)行了規(guī)劃：教材類模型，課前發(fā)布，方便同學(xué)們預(yù)習(xí);課件類模型，老師上課時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行展示、處理，課后發(fā)布，方便同學(xué)們復(fù)習(xí);習(xí)題類模型，學(xué)生作業(yè)完成并批閱后，進(jìn)行發(fā)布，便于同學(xué)們訂正與復(fù)習(xí)。

三、積極實(shí)踐，效果初顯

本文所開發(fā)的移動(dòng)虛擬工程圖學(xué)模型庫(kù)已經(jīng)在我校機(jī)械工程專業(yè)2017級(jí)5、6班、電氣工程專業(yè)2018級(jí)10、11班、電子信息專業(yè)2018級(jí)9、10班等班級(jí)的同學(xué)們中廣泛使用，大家普遍反映模型全、效果好、功能強(qiáng)，大家學(xué)習(xí)變得輕松、成績(jī)提升明顯。逼真的虛擬三維模型，突破時(shí)空限制的使用，使學(xué)生對(duì)這門課程產(chǎn)生了濃厚的興趣，變被動(dòng)接受為主動(dòng)學(xué)習(xí)，鍛煉了學(xué)生的空間想象力和空間思維能力，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。移動(dòng)虛擬工程圖學(xué)模型庫(kù)的開發(fā)與應(yīng)用，結(jié)合了信息技術(shù)發(fā)展的最新成果，豐富了現(xiàn)代教學(xué)方法，彰顯了教學(xué)改革成果。

本文開發(fā)實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)虛擬工程圖學(xué)模型庫(kù)具有科學(xué)性、系統(tǒng)性、全面性、新穎性、便攜性、易學(xué)習(xí)性、易獲得性、數(shù)據(jù)安全性、跨平臺(tái)一致性等優(yōu)良特性，后期我們將在三維模型顯示與二維工程圖紙關(guān)聯(lián)上開展進(jìn)一步的工作。希望本文的研究能夠給現(xiàn)代工程圖學(xué)及其他相關(guān)課程的教學(xué)改革帶來(lái)一定的理論參考和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳功，孫海波.Creo Parametric 2.0三維造型及應(yīng)用[M].南京：東南大學(xué)出版社，2014.

[2]孫海波，陳功.Creo Parametric 2.0三維造型及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2014.