《工程制圖》虛擬實驗室的構建與實現

　　摘 要： 虛擬現實建模語言VRM因具有實時交互性的特點，現已廣泛用于虛擬實驗室的構建。本文介紹了虛擬實驗室的概念、特點和類型，并對虛擬實驗室的基本體系結構和制作過程進行了闡述。《工程制圖》虛擬實驗室的構建與實現，為制圖課程的教學提供了良好的實踐空間。
　　關鍵詞： 《工程制圖》教學 “機械部件測繪” VRML虛擬實驗室
　　
　　一、引言
　　《工程制圖》是理工科各專業特別是機械類專業的重要技術基礎課，在《工程制圖》教學中，實踐教學是提高學生讀圖能力的重要工具。“機械部件測繪”就是一門將理論知識轉變為實踐知識的課程。多年的教學經驗及畢業生的反饋信息表明，“機械部件測繪”不僅進一步提高了學生繪制機械圖樣的能力，而且對培養學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力和獨立工作的能力起到了重要作用。
　　二、工程制圖實體測繪現狀分析
　　在實際測繪過程中出現了很多問題，例如測繪部件缺乏完整性。由于測繪部件歷經多屆學生測繪后會有一些零件丟失、損壞，因此后來測繪的學生會有一定的困難，對部件測繪知識的了解應用缺乏全面性。在測繪實訓中，由于時間原因，往往是3—4人為一組測繪同一個部件。這樣他們往往只會關注自己測繪的部件，對其他常見測繪部件掌握較少，大部分學生對部件測繪知識的了解應用缺乏全面性。這種現象在目前高校招生人數大幅度增加，制圖課時削減，教師課后的輔導答疑，批改作業的壓力急劇增加的情況下顯得更為突出。
　　三、解決思路
　　虛擬現實建模語言VRML（Virtual Reality Modeling Language）是一種用于在Internet上構筑3D多媒體和共享虛擬世界的開放式語言標準。由于有強大的實時交互性，現已廣泛用于虛擬實驗室的構建，因此我們構建《工程圖學》虛擬實驗室，使學生能夠預先通過網絡了解、完成部分實踐教學任務，了解實踐教學過程，培養空間想象能力、空間思維能力、創新能力和工程意識。采用虛擬現實技術，將零部件模型與機構運動的動畫演示以網頁形式給出，學生可全方位地人機互動式地進行圖像瀏覽，還可生成標準的基本視圖。學習者通過網絡足不出戶，便可輕松地瀏覽立體互動的機構、零部件展示。這具有很強的實用性和經濟性。正是基于這種理念，我們建立了工程制圖網絡虛擬實驗室，并將其應用于實際的教學中。
　　四、虛擬實驗室的構建與實現
　　1.實驗室平臺的搭建
　　目前網絡課件開發工具很多，本次《工程制圖》虛擬實驗室開發采用以下思路方法:
　　首先是框架設計。網絡課件的框架一般用FrontPage、DreamWeaver等網頁設計軟件編制。本課件框架設計采用FrontPage，因為它簡單易上手。然后是圖像處理。用PhotoShop等圖像處理軟件可進行界面及藝術字的美觀設計。接下來是動畫制作。Flash是Macromedia公司的一個網頁交互動畫制作工具，與其他工具相比，它具有矢量描述、播放流暢、數據量小、色彩鮮明等特點。3DS Max是Autodesk公司著名的三維造型及動畫制作軟件，用3DS Max制作.avi及.flc動畫，再用Flix軟件將.avi文件轉換成小巧的.swf文件，便于低帶寬網傳送，這樣就可以在低帶寬情況下實現視頻點播。
　　2.交互式虛擬測繪模型庫的構建與實現
　　工程制圖網絡虛擬實驗室主要由虛擬模型庫、虛擬操作平臺組成。虛擬模型庫主要針對課堂教學和課后習題的模型所建立，主要有基本形體庫、組合形體庫和裝配體庫，模型采用Solidworks建立，模型庫通過Access軟件構建網絡數據庫管理，可完成模型的查找、添加、刪除和修改等功能，既方便日常的使用，又便于經常對虛擬模型庫進行補充和更新。
　　虛擬操作平臺由模型瀏覽單元、動態仿真單元和解題引導單元三個部分組成。模型瀏覽單元和動態仿真單元采用eDrawings軟件作為支撐軟體，不僅能夠實現三維模型在網絡上共享，可以實現模型任意方向、任意位置的拖曳、放大和旋轉操作，操作者可從主、后、俯、仰、左、右及軸測方向觀測模型，而且可以應用水平、正垂、側垂平面截切模型，模型會隨截切平面動態拖動而實時發生變化，以便詳細了解模型的內部結構。動態仿真單元主要針對裝配體而設計，可以實現裝配體的拆裝過程和工作原理的展示。該單元利用SolidWorks的裝配功能和動畫仿真功能制作，并利用eDrawing進行爆炸和動畫演示。
　　經過三維構建的模型，尤其機械零部件，其圖形格式存貯量大，并且由于網絡傳輸速度的限制，難以實現在線瀏覽的交互操作。通過網絡瀏覽器eDrawings壓縮三維軟件繪制出來的實體模型，可生成.eprt或.html格式文件，這兩種格式的文件大小只有幾kb，可以克服網絡傳輸上的問題。此外，由于它帶有Built-in-Viewer內嵌的瀏覽器，任何有微機的人都可快速地瀏覽eDrawings，無需附加CAD軟件或特殊的瀏覽器。同時它的瀏覽功能強大，可以方便地進行瀏覽對象的放大、旋轉，以及進行裝配體的爆炸及動畫演示等操作。這樣工程制圖虛擬實驗室就有了可靠的造型環境和運行環境。
　　本次開發出的實踐平臺在2009—2010年農機專業學生的測繪實習中進行了試用，反映較好，但同時也存在學生過于依賴樣圖，畫出的圖與實物有差別的現象，這一現象隨著網絡的發達愈顯突出，因為測繪的零件，在網絡上基本都能找到完整圖樣。雖然部件一樣，但是我們的實物和網絡上的圖樣多多少少還是有些差異的，仍有部分學生盲目抄襲，這也是在測繪教學值得我們探討的又一新的課題。
　　五、結語
　　通過實踐證明，工程制圖虛擬實驗室的設計與應用是成功的。此外，虛擬實驗系統的網絡化和多層次化可使學生不受空間和時間的影響，根據自己的學習方式和學習能力，在第一時間找到他們在課上和習題中所學的制圖知識所對應的三維模型和工程圖，進行課前課后自主學習，充分體現了以學生為主體的教學觀念。開發虛擬測繪教學平臺是為了改進測繪方法，提高測繪效率。需要注意的是，虛擬仿真實驗不能完全替代實物實驗，但可以探索將其作為實物實驗及課堂理論教學的補充。
　　
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