三维模型库电子教具设计

韩玉腾，　薛小雯，　王奇安

(江南大学 机械工程学院， 江苏　无锡　214122)



三维模型库电子教具设计

韩玉腾，薛小雯，王奇安

(江南大学 机械工程学院， 江苏无锡214122)

工程制图是高等工科类课程中的一门重要基础课，主要研究工程图样的阅读和绘制。在培养学生创造性思维、空间想象力和促进工业化进程等方面发挥着重要的作用。在计算机技术普及的今天，电子制图已经非常成熟，效果以及效率远高于传统的方法。因此，我们希望结合现在先进的三维软件及网络技术制作一款方便实用的电子教具来提高工程制图的教学效果。通过三维软件UG建模，导出立体不同角度的图片，经过Photoshop处理得到背景透明的图片，再通过Flash进行制作立体成型动画。动画通过Dreamweaver编写的网页和Visual Basic编写的单机播放器的媒介进行演示。

三维模型; 电子教具; 演示动画; 网页; 工程制图

传统的机械制图教学主要以直尺、圆规、图板为工具，以黑板、木模、挂图为媒介，直观性强、学生能够实际动手操作，但互动性差，上课效率低，也不方便携带[1]。目前，部分教师主要采用课件加挂图、实体模型的方式进行教学，这种方法可以直观地反映立体的结构，课件可以在有效时间内更多地展示教学的内容。但是挂图和普通的工程图的图片都是二维图，需要读者有较强的读图能力，而且二维图形学起来比较枯燥，考验学生的耐心，同时二维图形不能形象地表达模型的动态成型过程，对于刚接触机械制图的同学来说难以理解[2]。实体模型可以较好地演示几何形体，但往往体积巨大，携带不方便，也不能灵活变动，同时实体模型在数量和表达能力上也受限制，只能演示固定的立体[3]。若要使学生更多地理解工程制图的学习内容，需要制作很多模型体。

随着计算机技术的发展，多媒体教具的兴起，使用电子教具的优越性不言而喻，越来越多的制图基础课教师开始尝试使用三维软件来展示模型。三维软件制作的立体模型立体感强，可以从不同角度演示立体形状，也可以大致演示立体形成过程，但是往往打开速度缓慢，需要安装专门软件，展示时对于计算机的要求也较高，从不同角度观察立体时往往需要手动控制，此外电脑间切换还有兼容性的问题。目前随着三维软件的不断发展和网络技术的普及，为三维模型电子教具的制作带来技术保障和便利性。虽然近几年三维教具已经兴起，但是目前市场上的三维教具仍然难以购买并且大部分都是属于学校私有，制作出的模型也依赖三维软件进行展示，不方便制图课的使用。为更广泛推广三维模型教具，同时考虑到互联网思维的优越性，本设计首先采用了基于网站的网页版本，只要有能上网的浏览器即可打开教具使用，目前大部分高校教室都配有电脑和网络，极大地方便了教师使用，不需要再携带体积巨大的实体模型或者处理三维软件遇到的各种bug，同时本三维教具还附带单机版本在网络不畅的情况下离线使用，方便教学。

1　三维模型库电子教具设计基本流程

本设计主要基于本校教材，教师可以根据自己使用的教材制作配套的三维模型库电子教具，开发的周期也较短。考虑到其他高校的使用本设计已经开源，接口丰富，自定义度高可以根据各高校的不同情况选择不同的配套教材来自定义内容，使教具更加符合教学大纲，使学生学习内容更加丰富。本设计主要提供两种使用方式，第一，将立体模型制作成三维模型库，通过网页整合起来，可挂到校内网络上，可以使教学不再受限制，提供网络的教室和寝室里可以随时调用三维模型的信息，方便教师课上教学和学生课下练习学习[4]。第二，提供离线版，单独的播放器可以在离线状态下播放动画和视频文件。

图1教具设计流程

并且也开放所有接口和代码，可以使用VB自定义增减功能来满足不同情况下的使用，方便教师根据教学情况来更改内容或者增加学生课下练习功能。

制作的流程如图1所示，选取配套教程，将所需要制作动画的立体分类，用UG分别进行实体建模；用UG自带的导出图片的功能，或截图工具对实体截图，并对形成立体的过程中的实体截图成文件；用Photoshop对其进行去除背景处理，在Flash中制作成型动画；最终将Flash动画汇总在html文件中，完成三维模型库的电子教具制作。

2　UG建模及模型图片处理

2.1UG建模

根据目标的教材，确定要进行动画制作的立体范围和数目。立体可分切割体、相贯体、组合体和常用零件等类别[5]。制作切割体时需要绘制切割前和切割后的立体，并需要能单独显示切掉的部分。制作相贯体时需要单独绘制各几何体独立部分的模型，或者在建模时通过布尔运算，使各部分单独显示。组合体和其他立体也是同样，需要制作合适的图片为动画准备。制作模型时，注意将UG背景和模型设为统一的模式。

2.2图片导出及处理

模型显示调整到合适位置，常用的方位是正等轴测图，调整到合适大小，后续图片处理不再进行旋转和移动操作。导出PNG格式图片。以六棱柱切割为例，导出切割前六棱柱的图片、切割后的图片和被截取部分的图片，如图2，前后操作不能进行旋转和缩放操作。在UG草图模块里，也将几何体的工程图导出，处理截图。

图2截取图片示例

照片导入到Photoshop中，选中魔术橡皮擦工具，然后点击图片背景部分，背景即被去除，得到背景透明的图片。选中裁剪工具，将图片裁剪到刚刚包围实体模型大小，方便在Flash中制作动画。另存为PNG格式照片，按照图片顺序命名。

图3　Photoshop工具

3　Flash动画的制作

3.1动画制作

动画分为切割体、相贯体和组合体动画。视图的前后位置关系是通过图层的上下遮挡关系表现的。图层是含有文字或图形等元素的胶片，一张张按顺序叠放在一起。在各图层的同一位置，上面的图层中的元素遮挡下面图层的元素，组合起来形成页面的最终效果。根据此原理，将立体分解为多个图层，不同图层的上下位置和在时间轴上的位置就展示了立体模型的形成过程。

以六棱柱的切割体动画为例，介绍制作动画的原理和流程。首先分析形成切割立体需要的图层素材：完整的六棱柱、最终的图片、被截取的部分。将处理得到的三张PNG图片导入到Flash的库中作为3个元件。新建两个图层，分别布置切割后的部分，被切掉的部分，前者在上，在变形选项卡中进行缩放设置，缩放到适合画面的大小，并保持两图层中的图形对齐。新建两个图层放置截面，绘制相应的截面1和截面2，如图4所示。两截面图层位置在上层的被截取部分和下层最终几何体之间[6]。

图4　图层的布置与帧的安放

将三个截面移动到首个关键帧和结束关键帧的合适位置，再选中截面的两个关键帧之间任意一帧，右键创建传统补间，会出现一条由初始关键帧指向终点关键帧的方向线。修改帧速率为12帧每秒。在截取部分图层中，同样创建传统补间动画，使被切掉的部分垂直移动到舞台画面外，如图5。

图5动画移动效果

3.2按钮插入及代码

新建按钮图层，将自定义的按钮元件拖放到按钮图层中，播放、暂停和停止按钮的实例名称分别命名为play_btn, pause_btn, stop_btn.选中第一帧，打开动作窗口，播放控制代码如下：

stop();play_btn.addEventListener(MouseEvent.CLICK,yuanzhuqie1 );

functionyuanzhuqie1 (event:MouseEvent):void{ play( );}

其他代码类似,将yuanzhuqie1改为动画名称，play()改为pause( )和stop( ).

3.3全角度展示部分及导出动画

在UG中调整视图，导出截图，沿着一个方向旋转，每转过一定角度导出一张截图。在Flash中新建一个展示部分图层，紧跟动画结束的后一帧，隔几帧插入一关键帧，依次导入不同视角的图片，连续播放时即形成旋转动画。相比三维软件直接导出的演示视频，此方法略复杂，但得到的文件小，画面质量高。最后测试影片，播放时检查按钮作用。发布设置中选择Flash(.swf)类型，进行发布，完成动画制作。

4　动画汇总到网络版和单机版课件中

当模型库建立起来，就要有适当的载体来整理动画。杂乱无章的一堆模型不仅不利于进行系统学习，而且消磨学生的学习兴趣，但是如果仅靠资源管理器进行管理和学习，效率并不高，不方便文件的分类管理。在互联网思维的启示下，我们选择网页作为整合的框架，这将具有很大的优势。首先网页具有很好的兼容性，超文本标记语言html可以在不同终端甚至不同的操作系统中通用，而且较为简单的网页能在绝大部分的浏览器中运行，对于浏览器的要求非常低，不会出现类似于大型三维软件的兼容性或者配置问题。其次，网页的超链接功能，可以快速地定位到指定的模型，方便浏览和教师讲课，例如在目录列表中，要跳转到包含模型的某一个网页，可以直接通过改变超链接的位置实现，同样可以实现返回上一模型位置。最后当动画嵌入到网页中后，是通过网页播放器打开，不需要另外安装单独的播放器，避免了另外安装播放器的烦琐。

用Dreamweaver创建网页，通过超链接的方式链接各个网页[7]。在目录列表网页创建目录，目录链接到包含各动画的网页，成树形结构，如图6。将教材中配套几何体进行分类整理，每一类立体单独列在一个目录网页中，目录网页分别链接到具体的每一个模型，形成一个三维模型库。目录列表的网页为框架，同类的动画集中在一起，方便进行系统学习。要在网页中直接加上必要的超链接，例如返回目录和翻页功能的链接，相似模型之间的类比学习时，教师也可以按照需要自行添加。此外，如有余力，还可以添加一些高级代码来美化网页，增加学生的学习兴趣。

图6　网页框架

单机版采用Visul Basic编程，同样源于互联网分享精神本设计共享源文件，方便修改配套的教材和模型，作为一个单机版程序，还能够增加功能，变成一个对于教师来说更加个性化的教学软件，提高教师上课效率[8]。添加播放器控制按钮，如图7所示，编程将其编译成可执行文件，可方便离线状态下在电脑上播放需要的文件。

图7　单机播放器界面

5　总结

本三维模型库电子教具与工程制图教材配合度高，主要用于《工程制图》教学，同时单机版和网页版均留有接口可供不同高校根据教材删减和增加内容，只需要兼容Dreamweaver即可，方便根据教材内容灵活调整，提高教具使用效率。本教具的动画均使用Flash制作，形象生动，成型动画立体感强，使工程制图初学者容易想象三维立体的形状，有利于培养其空间想象能力，提升对制图课程学习的兴趣，避免了学生因为识图的枯燥而对工程制图产生恐惧。同时本设计结合网络技术，基于互联网应用，实现现代化教学，有利于提高教学质量。三维模型库整合到网页里，可以挂在校园网站内，可以在教室内的计算机直接访问，云端存储，方便灵活。即使在没有网络的状态下，可以将网页保存到本地，或者通过我们提供的独立播放器进行课程学习。

[1]刘丽娟,孙培先,赵海晖,等. 工程制图电子挂图的研制[J]. 山东科技大学学报,2002,21(4):23-24.

[2]陈光，杜微，刘小东，等. 面向画法几何教学的新型教具开发和应用研究[J]. 图学学报, 2015,36(6):828-833.

[3]贺健琪. “机械制图”仿真教具的开发与应用[J]. 西安航空技术高等专科学校学报, 2008,26(5):71-72.

[4]何萍. 如何在机械制图教学中运用现代化教学手段[J].中国职业技术教育(教学与教研), 2007(31):57-58.

[5]徐祖茂，陈立群，陈晓蕾，等. 机械制图习题集[M].北京：高等教育出版社,2006:5-7.

[6]ACAA专家委员会. ADOBE FLASH CC 标准培训教程[M].北京：人民邮电出版社,2014：2-9.

[7]ACAA专家委员会. ADOBE DREAMWEAVER CC 标准培训教程[M].北京：人民邮电出版社,2014:1-7.

[8]哈弗尔森. Visual Basic 2013从入门到精通[M].北京：清华大学出版社, 2012:2.

责任编辑陈桂梅

Electronic teaching aid design of 3D model library

HAN Yuteng,XUE Xiaowen,WANG Qian

(CollegeofMechanicalEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)

Engineering drawing is an important basic course in higher engineering course, mainly involing reading engineering drawings and drawing. It plays an important role in cultivating students' creative thinking, imagination and promoting industrialization. Today, in the popularization of computer technology, electronic mapping has been very mature. Its effectiveness as well as efficiency is much higher than the traditional method. Therefore, we want to combine advanced 3D software and network technology to make a handy electronic aid to improve the teaching effect of engineering drawing. Through the three-dimensional modeling software UG, export stereo pictures of different angles, Photoshop to obtain transparent background images, making solid molding via Flash animation. Animation is presented by websites made by Dreamweaver and single player made by Visual Basic.

three-dimensional model; electronic teaching aid; flash demo; website; engineering drawing

2016-06-15

项目来源：江南大学大学生创新训练计划资助(2015232Y)

韩玉腾(1995—)，男，山东日照人，本科生，研究方向：机械工程及其自动化；

薛小雯(1967—)，女，江苏无锡人，副教授，研究方向：工程图学机械设计；

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.05.014

G 436; TP 37

A

1671-7880(2016)05-0051-04

王奇安(1995—)，男，江苏常熟人，本科生，研究方向：机械工程及其自动化。