Web3D虚拟仿真技术在机械类实践教学中的应用

摘 要：针对传统机械类实践教学中实验仪器套数限制、实验操作风险以及试验场地不足等问题，提出将虚拟仿真技术应用于实践教学中。文中以机械类专业中工程力学和单片机原理及应用实践课程为例，采用Web3D建模引擎，构建虚拟仿真实验平台，大大提升了实践教学效果。基于Web3D引擎的虚拟仿真技术作为一种先进的教学手段，拥有广阔的应用前景。

关键词：机械类;Web3D引擎;虚拟仿真;实践教学

中图分类号：TP399        文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.09.055

1 机械类实践教学的现状

传统教学模式中的机械类课程教学，理论课与实践课是相互分离的，学生在理论课中理解不到位的地方也无法及时通过实践课加以理解，再到上实践课的时候，学生早已把之前理论课学习的知识遗忘，导致学生知识掌握不扎实。机械类实践课程相对于理论课程，主要的优势有教学方式直观，容易提升学生学习兴趣，发挥学生的主观能动性，增强学生的动手能力等。近年来，机械类课程实践教学环节随着课时量的增加，往往伴随着实验室建造、改造，实践基地的建设等硬件投入，对办学能力是一个考验，若实验器械的质量及数量达不到要求或者实验操作有一定的风险性，进而会影响学生的学习效果。因此，本文提出将基于Web3D引擎的虚拟仿真技术应用于机械类实践教学中，以提升实践教学水平。

2 Web3D引擎虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术即用一个虚拟的系统模仿一个真实系统的技术[1]。该技术以高性能计算机技术为基础，通过先进的图像生成技术、动画技术及三维感知技术将现实场景再现于计算机环境中，拥有浸入性、人机交互性和构想性等多种特征，且内容丰富，可以根据用户需求进行响应。

虚拟仿真技术核心是建模引擎，目前常用的建模引擎为Web3D建模引擎。该引擎涉及的技术种类繁多，主流的技术包括VRML、Java3D和Cult3D[2、3]。下面从3D建模方式及应用特点对几种技术进行对比。

对比得出，VRML技术和Java3D技术是以编写繁琐的程序代码为基础来构建三维模型和交互设计，而Cult3D技术是将建模和交互设计分开进行，并通过Java先进技术的支持来提高交互和扩展能力，同时还可以实现高质量的三维建模、渲染及网络传输速度。因此，在机械类实践教学中利用Cult3D技术作为Web3D建模引擎，教师可将多年来传统实践教学中积累的实验数据样本导入计算机系统中，为学生提供优质的教学资源。

3 实践教学应用实例

3.1 Web3D虚拟仿真技术在工程力学中的应用

在机械类等大多数工科专业中，工程力学是一门重要的专业基础课，是从基础课到专业课过渡的一个桥梁，工程力学的实践教学环节可以加深学生对于构件运动规律的理解和对材料性能、工程安全的认识。实践教学是课程中重要的有机组成部分。现将基于Web3D引擎的虚拟仿真技术应用于工程力学实践教学中，以下为具体实例介绍。

以一个典型的工程力学实验——“金属材料的拉伸”为例，该实验目的是比较两种材料低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）的力学性能特点与观察试件的断口情况，从而确定其机械性能。传统实验课程中，实验流程一般为：第一，测量试件尺寸;第二，在实验机上将试件拉断并记录力变形曲线;第三，测量断后试件变形量;最后，撰写实验报告。实验中，观察试件的拉伸过程是教学重点，但由于试件的破坏过程较快，多数同学对于实验结果只能留下一个粗浅的直观印象，对其后隐藏的力学知识不能很好的领会。另一方面，因为实验仪器套数和试件数目的限制，很难在教学过程中通过不同试件破坏过程的比较来向学生说明材料本身力学性能的重要性及材料各种力学参数对构件制造的影响。很多机械制造专业的学生，在学习后期进行课程设计及毕业设计的过程中，往往对材料的选择没有自己的理解，只是单纯的按照设计指导书“照方抓药”，对于为何要选择该种材料茫然不知。

在“材料的拉伸”实验中应用Web3D引擎虚拟仿真技术，虚拟仿真实验在Clut3D技术的支持下，将基于Java的传统实验数据样本库导入，供后续人机交互选用。人机交互过程中，首先，学生可以在实验平台上自由地选择实验动画速度，随时暂停拉伸过程，观察力变形曲线;其次，学生也可以选择不同的加载速度和加载方式，观察试件在不同受力环境下性能的变化;最后，通过数据库中大量实验数据样本的支持，学生可以在有限的教学课时内观察到多种材料和多种形状试件在受到拉伸时的变形过程及破坏情况，大大提升了学习效果。

可以看出，实践教学中应用虚拟仿真技术后，教学过程可以从传统的固定实验流程中解放出来，学生可以通过虚拟仿真实验平台辅助得到更多的操作方向、背景知识、试错空间以及细节数据等。

3.2 Web3D虚拟仿真技术在单片机原理及教学中的应用

单片机课程作为机械专业的实践性学科，对培养中职学生的动手能力具有重要意义，能够促进学生对理论知识的理解，本部分将基于Web3D引擎的虚拟仿真技术应用于单片机课程实践教学中，以下为具体实例介绍。

以综合性设计性实验——万年历为例，该实验思路为使用Proteus軟件绘制电路图，再使用Keil软件编写程序，最后使用Web3D引擎进行虚拟仿真，检测万年历的日期、时间是否准确，并在此基础上适时引导学生填加新的功能，如温度显示和闹钟提醒等。

3.2.1 硬件电路图

硬件电路图是按照S2～S5的顺序进行设计的，以AT89C51型号的单片机为主控制器，计时采用DS1302时钟电路，使用DS18B20传感器采集温度，显示屏为LCD1602液晶显示屏。从设计图中各项设备的使用来看以及设计图的设计思路来看，运用的是模拟电路和数字电路的相关知识，学生对该部分知识的理解存在缺陷，不理解或者理解不到位的学生人数占比较多，采用Proteus软件进行电路图的绘制易于让学生在绘制电路图的过程中掌握设计思路，了解各设备的作用，进而对模拟电路与数字电路的相关知识得到进一步理解，帮助学生加深记忆。

3.2.2 软件程序

在采用Proteus软件绘制完万年历原理图后，启动Keil软件编写程序编写万年历仿真程序，学生在编写程序的过程中，教师应在一旁加以指导，确保学生将程序中的位定义与硬件电路相对应。具体流程如下：（1）添加合适单片机型号项目文件;（2）根据电路的实际功能进行源程序编写;（3）运行源程序。

3.2.3 电路仿真

将编译好的源程序添加到Proteus软件的项目文件，点击开始按钮进行仿真模拟，从仿真图中可以看到万年历显示的日期、时间、温度等信息。

通过本次仿真模拟，不仅能够让学生掌握万年历的虚拟仿真技术，还能帮助学生理解在理论课学习中存疑的知识，加深学生的学习印象，使教学内容更直观、丰富和生动，符合学生的学习特点，易于学生接受。

除工程力学、单片机原理及应用实践课程外，对于诸如机械设计等其它机械类专业课程，虚拟仿真实验技术也有广阔的应用前景，通过引入模块化和参数化模型，可以使学生在传统实验基础上实现零件的自由设计、装配及调试，从而激发学生的创造力。另外，由于仿真实践教学处于虚拟环境，当学生出现操作失误时，不至于出现事故和损失，提高了教学安全性。

4 结论

基于web3D引擎的虚拟仿真实验技术作为一种先进的教学手段，在成本、维护、操控性、分享性及可升级性等方面有着明显的优势，是提升机械类专业学生实践能力的有力工具，应用前景广阔。通过虚拟仿真技术的应用，可以突破实验室现有条件的束缚，显著提升地方院校的教学水平，为培养大量的应用型人才提供助力。

参考文献：

[1] 周洪旭.虚拟仿真技术在航空教学中的应用研究[J].数字技术与应用，2011（1）：89.

[2] 申蔚，曾文琪.虚拟现实技术[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3] 黄金栋.基于Web3D技术的大学物理虚拟实验的构建与教学应用研究[J].电脑知识与技术，2018，14（24）：96-100.

作者简介：刘彩花（1989-），女，山西晋中人，研究生，助教，研究方向：机电一体化设计。