汽车虚拟拆装教学资源库及其管理系统的开发

王鹏飞，王 琳，业红玲，范恒亮

(蚌埠学院 机械与车辆工程学院，安徽 蚌埠 233030)

汽车构造实验课程和汽车拆装实习课程作为本科院校汽车类专业必开的专业课程，其实践性较强，对动手能力要求较高，在应用型人才培养过程中起着十分重要的作用[1]。目前，本校在开展的教学活动中，教师普遍采用“理论知识讲解+动手操作示范+指导动手操作”的模式，即教师先使用PPT讲解需要拆装的汽车部件结构和工作原理等知识，再动手操作示范，告知拆装过程中的注意事项，最后学生再分组动手进行拆装，教师同步进行补充指导。经过一段时间的运行，发现这种教学模式存在较多弊端，主要有硬件和软件两方面。硬件方面的问题有实际操作的设备台套数少、分组人数多，部分同学拆装不规范致使零部件和拆装工具丢损严重，实践成本较高且容易出现安全事故等；软件方面的问题有教师理论讲授枯燥，学生知识摄入差，理论知识难以顺利过渡到实践动手环节，学生学习积极性不高，课程教学效率较低等[2]。

随着计算机信息技术的发展，将虚拟仿真技术应用到教育教学过程，采用虚实结合的混合式教学方式逐渐成为高校教学改革和研究的重要方向，越来越多高校对虚拟仿真实验技术进行了研究[3-5]。徐晓等进行了基于VRML的发动机虚拟拆装人机交互设计，实现了拆装的顺序约束、视点切换和自动演示等功能[6]。李跃等基于Cult3D平台设计了无级变速器虚拟拆装实验，开发了零部件交互拆装、视频动画和电子资源等[7]。张丽媛等构建混合式学习方法，基于Unity3D软件研究开发了自动变速器虚拟教学软件[8]。

为减少现存教学模式的弊端，在研究虚拟仿真技术及管理系统开发的基础上，以某款典型轿车为样车，对其零部件进行实际拆装，使用3DMAX、Cult3D、Photoshop等软件开发具有交互式和沉浸式的虚拟拆装教学资源，制作视频、电子挂图等，构建汽车虚拟拆装教学资源库。使用Visual Studio工具和Access数据库，设计开发汽车虚拟拆装教学资源库管理系统，方便虚拟拆装资源的学习和使用管理，改善教学过程中遇到的问题，更好地提高实践教学质量。

1 系统开发方案设计

1.1 虚拟拆装教学资源库管理系统的总体框架

根据实践教学的需求，设计了汽车虚拟拆装教学资源库管理系统的总体框架。系统总体框架划分为功能界面层、应用层、数据层和平台支持层[9-10]。用户在用户功能界面选择不同选项，通过应用层调用数据层的数据资源来实现三维模型的交互显示、交互虚拟拆装、视频动画播放、电子挂图资料浏览和资源文件管理等功能。应用层功能的实现需要资源文件、数据库和装有Windows操作系统的电脑支持。汽车虚拟拆装教学资源库管理系统的总体框架如图1所示。

1.2 虚拟拆装教学资源库及其管理系统开发流程

汽车虚拟拆装教学资源库及其管理系统是以汽车主要零部件为研究对象，将虚拟仿真技术与传统汽车拆装实践课程内容相结合，构建虚拟拆装教学资源库，开发虚拟拆装教学资源库管理系统，最终实现汽车主要部件虚拟拆装交互式学习和资源管理等功能。

汽车虚拟拆装教学资源库及其管理系统的开发包括虚拟拆装教学资源库的构建和资源库管理系统的开发两部分。虚拟拆装教学资源库的构建包括创建三维模型，处理模型，制作视频动画和图片，设计交互步骤与发布等；资源库管理系统的开发则是使用Visual Studio工具进行编程和窗体界面设计，使用Access数据库进行数据存储。汽车虚拟拆装教学资源库及其管理系统的开发流程如图2所示。

图1 汽车虚拟拆装教学资源库管理系统的总体框架

图2 汽车虚拟拆装教学资源库及其管理系统的开发流程

2 虚拟拆装教学资源库的构建

2.1 虚拟拆装教学资源类型

汽车虚拟拆装教学资源库的资源类型丰富、直观易懂，占用储存空间小，可增加学习的趣味性。该资源库集成了三维模型、交互虚拟拆装文件、视频动画以及相关文档和图片等类型资源，这些资源的检索和调用需要联合数据库完成。汽车虚拟拆装教学资源类型如表1所示。

表1 汽车虚拟拆装教学资源类型

2.2 虚拟拆装教学资源的开发

2.2.1创建三维模型

首先需要拆解汽车部件实物，使用测量工具测量得到尺寸数据，再使用CATIA软件的拉伸、旋转、扫掠和布尔运算等命令，创建各零部件的数字化三维模型，并将其另存为*.stl格式文件，为下一阶段处理三维模型做准备。

2.2.2处理模型

将得到的*.stl格式的三维模型文件导入3DMAX中，对其进行处理。处理三维模型主要包括修补简化模型、模型贴图分组、调整模型坐标和移动装配模型。

(1)修补简化模型

将模型导入3DMAX后，查看三维模型，如果发现有缺失的面元素，则需要对其进行修补。如果发现模型的边线和曲面过于复杂，则需要对其精简处理。修补和简化模型可以提高用户交互体验的效果和响应速度。

(2)模型贴图分组

对模型修补简化处理后，为了显示美观和后续设计交互步骤方便，需要对其进行贴图、赋予材质和分组操作。一般使用材质球和贴图命令对模型进行渲染处理，零部件模型的颜色尽量选择深色，并且相邻模型的颜色要有区分度。为突出显示模型，需将场景背景颜色设置为浅色。

模型渲染处理完成后，还需对其分组，分组原则是按照装配逻辑关系将一次拆装动作中同步移动的模型分为同一组。例如，某次拆卸动作需要拆除某部件上的四颗相同螺栓，并且这四颗螺栓的拆卸动作和方向一致，那么就将这四颗螺栓设置为同一组。这样在虚拟交互操作时，点击任何一颗螺栓执行拆卸动作，四颗螺栓一起同步移动。

(3)调整模型坐标

为方便设计虚拟交互拆装时零件的移动动作，需要对模型的坐标原点位置和坐标轴方向进行调整。坐标原点位置的调整遵循一定原则，固定的零部件调整到固定处，旋转的零部件调整到该零部件实际的旋转中心处，滑动零部件调整到滑动最小位置处[10]。坐标轴方向在调整时，零部件虚拟拆装的平移方向尽量与坐标轴X、Y和Z轴中的一个方向保持一致。

(4)移动装配模型

将处理后的模型进行平移、旋转等移动操作，按照实物的装配位置关系进行装配。装配完成后，通过Cult3D exporter for 3DSMax 插件，将处理完成的零部件三维模型以*.c3d 的格式文件导出，此文件包含三维模型的几何形状、相互位置和颜色等信息[7]。处理完成的发动机气缸体三维模型如图3所示。

图3 处理完成的发动机气缸体三维模型

2.2.3制作视频动画和图片

制作视频动画是在3DMAX软件里完成的。当三维模型处理完成后，可以通过设置关键点和调整动画线性的方法来制作视频动画。制作的视频动画主要用来演示汽车主要零部件的结构和工作原理。

制作图片则是先通过3DMAX对处理完成的三维模型渲染后导出图片，再将图片导入Photoshop中进行添加文字、设置图层等处理。制作完成的图片即为电子挂图资源，可清晰显示汽车主要部件的组成和结构。制作完成的发动机总成电子挂图如图4所示。

图4 制作完成的发动机总成电子挂图

2.2.4设计交互步骤与发布

设计交互步骤和发布是开发虚拟拆装资源的最后环节，是在完成的*.c3d 格式文件基础上进行的。将在3DMAX中导出的*.c3d 格式文件，导入到Cult3D Designer中，进行交互步骤的设计和交互资源文件的发布。

(1)交互步骤的设计

在设计交互步骤前，需要分析部件和总成的真实拆装过程，依据真实拆装步骤和拆装顺序进行设计。交互步骤的设计是按照“对象-动作-事件”的模式在事件规划图窗口中逐步设计完成的，其中，“对象”是指需要选择的零部件模型；“动作”是指零部件模型进行虚拟交互拆装时的移动样式，主要有平移、旋转、缩放、复位、隐藏和显示；“事件”为控制动作的事件，主要有键盘按键的按下或释放、鼠标的左中右键点击和计时器等。“对象-动作-事件”模式是指先从场景图表窗口选择要设计动作的零部件对象，将其拖入事件规划图窗口，再在动作窗口选择要设计的模型拆装动作以及触发该动作的事件，最后将三者分别相连[9]。另外，拆装过程还要求逻辑顺序正确，一般通过时间线索来控制对象动作的先后顺序，使用触发事件、激活事件和解除激活事件控制拆装的步骤，使用计时器设置动作快慢和相邻拆装步骤之间的时间间隔。

(2)交互资源文件的发布

交互步骤设计完成后，可以将设计完成的交互步骤方案保存为*.c3p文件，还可以发布*.co 格式和*.html格式交互资源文件。发布的交互资源文件灵活小巧，可以通过代码嵌入到网页或PPT中，也可以编程集成在应用程序中进行浏览与交互操作。

3 虚拟拆装教学资源库管理系统的开发

3.1 管理系统的功能结构

汽车虚拟拆装教学资源库管理系统可将制作完成的各类虚拟拆装教学资源集成在一起，方便学生学习和教师管理各类教学资源。汽车虚拟拆装教学资源库管理系统的功能结构如图5所示。

图5 汽车虚拟拆装教学资源库管理系统的功能结构

管理系统主要有，三维模型交互显示、主要总成虚拟拆装、视频动画、电子资源浏览、资源文件管理、测试题和用户管理功能模块，每个模块又包括不同的子模块。用户通过系统界面选择点击模块功能菜单，系统通过程序从数据层的数据库和资源库中调用对应数据与资源文件，来实现不同模块的功能。

3.2 管理系统的窗体设计

管理系统的窗体是使用Visual Studio工具进行设计的，因篇幅所限，以几个主要窗体为例简要介绍，其它窗体在此不再赘述。系统主窗体是基于windows系统风格的菜单式界面，各功能按层次分布于菜单，点击菜单打开对应的功能窗体，如图6所示。虚拟交互拆装窗体使用WebBrowser控件打开与*.co 格式文件对应生成的*.html格式资源文件，来浏览查看和交互拆装部件总成，如图7所示。视频动画窗体使用UUFlv控件来播放视频文件资源，如图8所示。结构电子挂图浏览窗体可用来浏览学习制作完成的结构电子挂图资源，如图9所示。

图6 系统主窗体

图7 虚拟交互拆装窗体

图8 视频动画窗体

图9 结构电子挂图浏览窗体

3.3 管理系统的使用

管理系统的用户有学生和教师两类，两者权限不同，学生仅可使用系统部分功能，教师则可使用所有功能。在日常实践教学活动中，学生使用学号密码登陆管理系统，可以进行汽车主要部件的浏览、虚拟交互拆装，相关视频图片资源浏览和知识测试等学习活动。教师使用用户名密码登录管理系统，除了能进行学生的学习活动外，还可以进行加密、增删、导出资源文件，修改用户名、权限及密码，收集学生知识测试结果等教学管理活动。

管理系统集成了汽车虚拟拆装相关的各类教学资源，为学生的实践学习和教师的教学活动提供了方便。学生可以在指导教师“理论知识讲解”和“动手操作示范”环节后，登陆管理系统多次浏览学习和虚拟交互拆装操作，待通过测试后再进行实际拆装操作。教师登陆管理系统可查看参加测试学生的测试结果，了解学生的知识掌握程度和学习效果。另外，教师可以对新建资源进行加密、增添操作，对已有资源进行删除、导出操作，还可以对学生的学号、权限和密码进行管理。

4 结论

以某款典型轿车零部件为样本，使用3DMAX、Cult3D、Photoshop等软件开发具有沉浸式的交互虚拟拆装教学资源和视频、图片、文档等相关资源，构建了汽车虚拟拆装教学资源库。为方便教师管理资源和学生学习资源，使用Visual Studio工具和Access数据库，设计开发了汽车虚拟拆装教学资源库管理系统。

开发完成的虚拟拆装资源库及其管理系统可作为实践教学的辅助工具，辅助学生的实践操作学习，也可作为教师管理教学资源的工具，方便教师管理各类教学资源文件。开发的汽车虚拟拆装教学资源库管理系统通用性好，可扩展性强，能有序高效安全地管理各类资源文件。汽车虚拟拆装教学资源库能有效改善拆装设备和场地不足、实践损耗大成本高、教学枯燥和学生操作危险等问题，开发的虚拟拆装资源直观形象、内容丰富、有良好的沉浸感且交互性好，能较好地增加学生的学习兴趣与参与度，提高实践教学质量。