“互联网+”背景下交互式模型库的开发和应用——以“机械制图”课程为例＊

周苏洁，伍玲密

（浙江安防职业技术学院，浙江 温州325016）

1 引言

“机械制图”是工科类高等职业院校一门十分重要的必修技术基础课，课程主要以培养学生绘制和识读机械图样的基本技能为基本目标[1]。同时“机械制图”是一门理实并重的学科，需要学生抓住“物”“图”之间的转化方法和规律进行读图和绘图，对空间想象能力有很高的要求。高职学生空间想象能力普遍薄弱，而传统教学以课堂教学为主，多采用PPT、板书等教学形式，利用挂图或实体模型等教学工具加以辅助。但是，PPT 课件展示模型大多以二维图形为主，立体感不强，加上实体模型不足和课时的缩减，整个教学过程缺乏互动体验，枯燥乏味，学生学习难度大，导致教学效率低下，教学效果不佳。

随着三维CAD 建模技术日益成熟，三维应用软件的广泛使用，建立三维模型库替代实物模型充当教学辅助工具成为可能[2]。此外，“互联网+”时代的到来，教学手段不断更新，大量线上学习平台不断涌现，丰富了教学资源，打破了教学课时和场地的局限。因此，本文提出了利用三维CAD建模软件建立交互式模型库辅助课堂教学，同时利用线上学习平台，进行模型库资源以及三维建模微课的发布和管理，可以有效地提高学生的空间想象能力，降低学习和授课的难度，同时对提升学生的自主学习能力、激发学生的学习兴趣有一定积极作用。

2 三维建模软件的选择

SolidWorks 相比于Pro/E、UG、CATIA 等三维建模软件，具有界面友好、易学易用等特点。特别是针对初学者，也可以较快上手。其强大的基于参数化和实体建模的功能尤其适合创建三维模型库。综上所述，本文选择SolidWorks软件来完成三维模型的创建。

3 交互式模型库的建立

机械制图交互式模型库就是利用计算机建模技术实现对实体模型的虚拟化，创建出来的模型具有形象逼真、多样化、可修改扩充等特点，在一定程度上可以替代传统模型的制作、管理和使用[3]。交互式模型库主要由三维虚拟模型库、二维视图库和运动仿真及三维建模视频库三部分组成[4]。

3.1 交互式模型库的创建思路

交互式模型库的创建思路如图1 所示。

图1 交互式模型库的创建思路

3.2 三维虚拟模型库的建立和应用

传统的“机械制图”教学中，针对相贯线及截交线的理解，组合体的形体分析过程（叠加、切割），剖切体的假想剖切面位置以及装配体的拆装过程原理等一直是教师和学生都比较头疼的问题。因此，针对“机械制图”中的重难点知识点进行辅助建模，内容主要包括相贯体及截交体、组合体、剖切体以及装配体。三维虚拟模型库创建的主要有以下2 个步骤：①首先在SolidWorks 草图工具中绘制二维草图，再经过拉伸、拉伸切除、旋转、旋转切除、扫描、特征阵列以及打孔等特征操作完成三维实体的创建。此外，Solid-Works 草图中的几何约束和智能尺寸功能，可以对三维模型尺寸大小实现实时修改，从而使创建的模型更加精确。②将SolidWorks 创建好的三维模型源文件导入CADbro 软件，通过CADbro 软件转化成*.html 格式，同时生成对应的二维码图片。在课堂教学中，可以将*.html 格式文件和二维码图片嵌入PPT，教师无需在计算机上安装任何软件即可通过浏览器打开*.html 文件，利用鼠标就可以实现模型的移动、旋转及放大缩小，让三维模型的内外形状结构全方位地呈现在学生面前。对于内部结构比较复杂的模型，可以利用剖切工具对模型进行三维剖切，还可以选择隐藏某些构件来简化模型。在讲解到对应的模型案例时，学生也可以借助自己的手机，进行扫码查看和操作三维模型。

轴承座的三维模型和爆炸图如图2 所示，通过CADbro内置的爆炸图功能，教师上课时，可直接演示一些简单的基本体叠加形成组合体，有助于学生在提高空间构图能力的同时，巩固理解组合体的视图的分析方法和绘图步骤。机件平面剖切图如图3 所示，灰色区域即为剖切平面，用户可动态地对剖切平面进行调节，直观地展示假想剖切平面的形状和位置。这种直观的交互式模型查看体验，可有效地降低学习难度，提升课堂的趣味性和互动性。

图2 轴承座三维模型和爆炸图（叠加型组合体）

图3 机件平面的剖切图

3.3 二维视图的生成和应用

借助三维模型和二维视图的关联性，SolidWorks 很方便地可以由三维模型自动生成对应的二维工程图。但是，在生成二维工程图时，需要注意以下4 点：①需要选择合适的机件表达方法，包括基本视图、斜视图以及各种剖视图等来准确地表达模型结构形状[5]；②自动由三维模型尺寸生成二维尺寸时，需要适当地调整视图位置、尺寸标注及缩放比例；③需要对工程图的表面粗糙度、尺寸公差、形位公差等技术要求进行标注；④需要对不符合国家标准的几何元素进行修改，从而使输出的工程图符合设计要求。

以图2 的轴承座组合体为例，生成的工程图如图4 所示。

图4 轴承座工程图

因此，创建好三维虚拟模型库之后，可以很简便地得到与之对应的二维视图库。

3.4 运动仿真、三维建模视频的制作和应用

为了更清晰地展示装配体的工作原理以及各零部件之间的装拆过程，可以利用SolidWorks 的Motion 插件来模拟和捕捉装配体的运动，最终生成动画视频。

利用屏幕捕捉功能，可以将三维模型的建模以及运动仿真过程进行录制，形成三维建模教学视频包。学生可以充分利用课余时间进行线上学习，初步掌握简单立体的建模技能，能够更好地理解三维模型和二维视图之间的转换关系，不断提升自身的空间想象能力，培养自身的构型思维能力，以增强个人工程素养，为后续深入学习三维建模相关课程奠定必要的学习基础。

4 CADbro 在交互式模型展示中的应用

CADbro 是一款具备轻量化且功能强大的三维模型查看和分享软件。CADbro 克服了常见三维设计软件安装过程复杂、占用空间大的缺点，是目前信息化教学资源自主开发的重要工具之一。常见的三维模型格式都可以导入CADbro，用户可以根据工具栏不同的功能选项，方便地查看模型的各个视图、剖视图、爆炸图。通过分享链接和二维码的方式，或直接将格式转换成*.html 格式进行保存，就可以在电脑端或者移动端全方面直观地了解模型的结构特点、工作原理、装配关系等信息。

5 “互联网+”背景下交互式模型库的线上应用

在“互联网+”背景下，多数院校都在借助线上学习平台开展和探索线上线下、课内课外混合式教学新模式。利用“互联网+教育”的优势，可以使课程内容、课程组织、课程任务、课程资源、课程考核评价、课程讨论和学情统计等教学活动进行有机融合，形成完整高效的线上学习和管理方案。“机械制图”线上学习和管理方案如图5 所示，本文提出的交互式模型库，可以充分利用线上教学平台，按照“机械制图”课程内容之间的逻辑关系，将交互式模型库中的三维模型、二维视图以及运动仿真、三维建模视频上传到对应章节[6]，并在各章节前设置学习任务和学习目标，在章节后设置随堂练习、课后作业及学习讨论等教学活动。

图5 “机械制图”线上学习和管理方案

课前，学生可以事先对下发的学习任务进行预习，查看三维模型或机构仿真视频充分熟悉课堂中的模型案例；课后，可以观察作业库中的三维模型进行二维视图的绘制，上交后可参照二维视图库进行自我检查和订正，同时可以观看三维建模视频，对三维模型的创建和二维视图的生成进行反复训练，不断增强学生对“物”“图”之间转换规律的感性认识。总之，针对互动式模型库而言，线上学习平台的应用，弥补了教师自建网页难度大、耗时长、管理差等缺点，极大地降低了教学难度，同时配合线下教学，为学生提供了个性化自主的学习空间，有效激了发学生自主学习的能力，提高其思维和创造能力。

6 结束语

实践证明，借助线上学习平台构建的交互式模型库，改变了传统的“机械制图”的教学模式，可以有效地提高教学质量和效果。交互式模型库能够突出课程内容的重点难点，不仅可以在课堂教学中发挥积极地辅助作用；同时，通过网络学习，可以培养学生的自主学习能力，使学生可以根据自身的学情特点，不受时间和空间的限制，对互动式模型库进行有针对性地学习，可以极大地激发学生的学习能动性。此外，还可以根据教学的实际需求，灵活地对交互式模型库进行修改和补充。随着计算机网络技术的发展，交互式模型库的应用前景将变得更加广阔。