《機械識圖繪圖》APP教學(xué)平臺的開發(fā)

王艷，劉冬芳，趙冉，孫立明，韓校粉

（陸軍工程大學(xué) 石家莊校區(qū)七系，石家莊050000）

0 引 言

機械識圖繪圖是機械類各專業(yè)人才培養(yǎng)方案中一門專業(yè)教育類的學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，主要研究機械圖樣的表達與理解，是機械工程技術(shù)的基礎(chǔ)，在培養(yǎng)學(xué)生的機械形體表達、形象思維、空間想象力和工程素養(yǎng)方面具有重要作用。隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展和普及，目前，機械識圖繪圖課程早已由傳統(tǒng)的以黑板掛圖為主要教學(xué)手段向融合多媒體課件、網(wǎng)絡(luò)課程、模型室等多種信息化教學(xué)手段轉(zhuǎn)變，教學(xué)效率提高，教學(xué)效果更好[1]。

隨著智能手機、平板電腦等移動終端設(shè)備的普及，人們在溝通、社交、娛樂等活動中越來越依賴手機APP 軟件。開發(fā)《機械識圖繪圖》APP 教學(xué)平臺，依托教學(xué)平臺向?qū)W生提供豐富的教學(xué)資源，為學(xué)生搭建多維信息化平臺，延伸課程教學(xué)的時間和空間，拓展師生交流的渠道有重要意義[2]。

1 APP教學(xué)平臺的內(nèi)容框架

圖1 APP 教學(xué)平臺的內(nèi)容框架

《機械識圖繪圖》APP教學(xué)平臺里的各種教學(xué)資源采用樹狀框架，層次分明，便于拓展，其主要內(nèi)容框架如圖1 所示。

《機械識圖繪圖》APP 教學(xué)平臺里的教學(xué)資源包括模型庫、課程資料、學(xué)生作業(yè)、交流互動四大模塊。

1.1 模型庫

模型庫模塊包括裝配體、零件、拆裝訓(xùn)練3 個子模塊。裝配體子模塊中為學(xué)生提供各種裝配體工作原理的動畫演示、裝配體爆炸圖、裝配圖等內(nèi)容。在模型查看區(qū)顯示相應(yīng)的三維模型，可旋轉(zhuǎn)、平移、縮放查看模型[3]。可通過模型的功能區(qū)查看模型的工作原理、爆炸圖、平面顯示、主視圖、俯視圖、左視圖和透明化顯示等，如圖2 所示。

圖2 模型庫界面

零件子模塊包括各零件的三維模型及各零件的三視圖，且模型可實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，便于各角度觀看。

拆裝訓(xùn)練模塊包括裝配體的拆裝動畫，還可對裝配體進行模擬拆裝訓(xùn)練，且當(dāng)操作錯誤或不知如何拆裝時，系統(tǒng)會給出操作提示，如圖3 所示。

圖3 裝配體拆裝界面

1.2 課程資料

課程資料模塊包括視頻、文檔和PPT 等3 個子模塊。視頻子模塊包括多個示教動畫和微課視頻。示教動畫可以生動、直觀地展現(xiàn)課程的部分知識點。微課視頻可以幫助學(xué)生在課下提前預(yù)習(xí)或重溫課程的關(guān)鍵知識點。在視頻類資料區(qū)中可點擊任意視頻播放查看，也可將視頻暫停，如圖4 所示。

圖4 視頻播放界面

文檔子模塊包括電子教材、章節(jié)重點內(nèi)容總結(jié)、零件圖、裝配圖、電子習(xí)題集等豐富的電子文檔資料供學(xué)生自學(xué)。

PPT 子模塊主要提供教師上課的課件，供學(xué)生課下預(yù)習(xí)或查漏補缺。

1.3 學(xué)生作業(yè)

學(xué)生作業(yè)模塊用于學(xué)生提交作業(yè)，教師反饋作業(yè)評價。

1.4 交流互動

交流討論模塊供學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生之間的討論交流，及時解決學(xué)習(xí)中遇到的難題。

2 教學(xué)資源庫的制作方法簡介

建立APP 教學(xué)平臺里的教學(xué)資源包括模型庫、課程資料、學(xué)生作業(yè)、交流互動四大模塊。

2.1 模型庫的制作方法

模型庫里的模型選用SolidWorks2018 作為建模軟件，對實物模型進行計算機虛擬仿真以取代傳統(tǒng)實物模型。SolidWorks2018 是一款非常受歡迎的三維CAD 軟件，它界面友好、功能實用、易于學(xué)習(xí)，非常適合高校教學(xué)。

2.1.1 SolidWorks 實體模型導(dǎo)出

1）使用SolidWorks 制作的三維模型，不能直接用于Maya、Unity3D，需要轉(zhuǎn)換為三維模型通用的Obj 格式。在SolidWorks Premium 中開啟ScanTo3D 插件，通過中間格式轉(zhuǎn)換為Obj 格式。

2）在保存時候選擇保存Obj 格式，填寫保存文件名字即可。

2.1.2 SolidWorks 模型導(dǎo)出Obj 后在Maya 中優(yōu)化、美化處理

1）在SolidWorks 中導(dǎo)出的Obj 格式模型是一種灰模也稱素模，是一個簡單的模型，具有無顏色、無貼圖、表面粗糙不光滑、沒有質(zhì)感、模型面數(shù)多等缺點。

2）將Obj 格式模型導(dǎo)入Maya 中處理。根據(jù)模型的具體顏色、貼圖、質(zhì)感、模型面數(shù)等處理。

3）導(dǎo)入模型操作步驟：Maya 軟件首界面，文件→導(dǎo)入→選擇Obj 格式模型。

4）修改模型顏色步驟：首界面→窗口→渲染編輯器→Hypershade 選項，雙擊材質(zhì)球即可編輯其屬性→Color 雙擊選取顏色。

5）修改模型貼圖步驟：首界面→窗口→建模編輯器→UV 編輯器→把材質(zhì)球賦給模型→選擇材質(zhì)球Color 選項創(chuàng)建渲染節(jié)點→文件→圖像名稱。即可添加新的貼圖并與UV 匹配使用。

6）修改模型質(zhì)感步驟：首界面→窗口→渲染編輯器→Hypershade 選項→創(chuàng)建新的材質(zhì)球→可選擇Blinn 材質(zhì)、Lambert 材質(zhì)、Phong 材質(zhì)、漸變著色器等→還可以調(diào)整顏色參數(shù)、透明度參數(shù)、環(huán)境色參數(shù)、白熾度參數(shù)、漫反射參數(shù)等。

7）修改模型面數(shù)步驟：首界面→網(wǎng)格→清理。首界面→網(wǎng)格→減少→設(shè)置減少的比例比如30%或50%。方便后期在程序中減少電腦性能的開銷，有利于流暢查看、操作三維模型。

8）做完以上操作，達到理想效果后，導(dǎo)出美化后的FBX 格式模型，用于程序使用。

2.1.3 FBX 模型導(dǎo)入Unity3D 工程及設(shè)置

1）Unity3D 有自己的工程目錄。把FBX 格式模型文件直接拖拽到Unity3D 的模型文件下即可，此過程需要有一個解碼過程，根據(jù)模型大小解碼時間不等。

2）在Unity3D 工程中選擇導(dǎo)入的模型，Inspector 面板會顯示關(guān)于模型文件的屬性，在Model 列表中可編輯模型的UV 屬性、大小比例屬性、坐標(biāo)屬性等。在Rig 列表中可編輯模型的動畫類型、Avatar 屬性、骨骼節(jié)點屬性等。在Animations 列表中可編輯動畫片段、動畫事件、動畫循環(huán)等屬性。

3）選擇模型文件拖拽到Hierarchy 面板中，可以在Scene 窗口看模型效果，也可在此調(diào)整模型效果、燈光效果。在Inspector 面板中Transform 屬性可以調(diào)整模型的大小、位置、旋轉(zhuǎn)，MeshRenderer 屬性可以調(diào)整燈光與模型的關(guān)系，材質(zhì)球?qū)傩钥梢哉{(diào)整顏色、貼圖、法線貼圖、高光貼圖、金屬屬性、反光屬性、UV 的偏移等。

4）把Hierarchy 面板中調(diào)整好的模型拖拽到Resources 文件下，制作成預(yù)制體，方便程序動態(tài)加載模型文件使用。

2.1.4 FBX 模型在Unity3D 中加載使用

1）響應(yīng)模型按鈕，用Resources.Load（）加載模型，用(GameObject)Instantiate（）顯示出模型，obj.transform.parent設(shè)置加載顯示模型的位置。

2）CamerController 控制視角的移動、旋轉(zhuǎn)、縮放等查看方式。給模型部件的點擊位置添加Collider 組件，可以用Ray ray=Camera.main.ScreenPointToRay(MousePosition);RaycastHit hit; (Physics.Raycast(ray, out hit) 檢測鼠標(biāo)點擊部件做響應(yīng)事件，用來播放工作原理動畫、拆裝、分解動畫。

2.2 課程資料的制作方法

課程資料模塊包括視頻、文檔和PPT 等3 個子模塊。視頻包括動畫和微課視頻兩種形式。動畫以生動逼真的表現(xiàn)形式，從全方位、各個角度再現(xiàn)零部件模型，動畫的制作一般先利用SolidWorks 等三維建模軟件建模，然后利用運動算例功能完成仿真運動及動畫設(shè)計，再利用Maya 等軟件生成Avi、Wmv 等視頻格式。此類動畫按照教師的設(shè)計進行演示，不存在交互性。微課視頻是教師根據(jù)課程知識點制作出的一個主題鮮明、內(nèi)容具體、針對性強的碎片化課例片段。它資源容量較小，特別適用于基于移動設(shè)備的移動學(xué)習(xí)。微課視頻可利用Office MIX、Camtasia等軟件制作，也可使用其他多媒體設(shè)備進行錄制。文檔和PPT 課件主要是教師在平臺上為學(xué)生提供的自測題、工程圖、教學(xué)課件等，點擊相應(yīng)內(nèi)容會以O(shè)ffice 形式打開。

2.3 學(xué)生作業(yè)模塊的制作方法

學(xué)生作業(yè)是由學(xué)生做完作業(yè)后提交，會通過網(wǎng)絡(luò)提交到教師端（服務(wù)端）的StreamingAssets 文件夾下，教師可以在學(xué)生作業(yè)模塊查看學(xué)生的作業(yè)情況。點擊作業(yè)會以O(shè)ffice 形式打開，主要技術(shù)是用協(xié)程技術(shù)、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換、外部應(yīng)用打開。以下是該技術(shù)方法:

1）routine(Loding("xx.docx"))是啟動協(xié)程程序；WWW www = new WWW (filePath + fileName) 加載路徑的文件；yield return www 等待加載完成；byte [] bytes = www.bytes把文件轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)流；Stream sw; FileInfo t = new FileInfo(path + fileName) sw.Write(bytes, 0, bytes.Length)，sw.Write(bytes, 0, bytes.Length)把數(shù)據(jù)寫入文件，sw.Close()關(guān)閉數(shù)據(jù)流；Application.OpenURL(path+fileName)打開文件。

2）當(dāng)教師對學(xué)生作業(yè)查看、批改完成后，直接保存即可，就相當(dāng)于Office 文件繼續(xù)編輯和保存。

2.4 交流互動模塊的制作方法

交流互動模塊是學(xué)生和教師、學(xué)生和學(xué)生之間的交流，主要方式是使用文字、語音兩種形式交流，類似一個聊天室功能，在聊天室內(nèi)的所有人都能看見、聽見。此模塊主要使用NetworkView 組件，以下是技術(shù)具體實現(xiàn)的方法。

1）NetworkConnectionErrorerror=Network.InitializeServer(connectCount, port, useNAT)新創(chuàng)建服務(wù)器，在這里也可以理解為是創(chuàng)建一個聊天室，NetworkConnectionError error= Network.Connect(ip, port)連接服務(wù)器，在這里可以理解為加入聊天室，sendMes = inptuText.text 是獲取輸入框的內(nèi) 容，GetComponent ＜NetworkView ＞().RPC ("SendMes",RPCMode.All, Info.name + ": " + sendMes + " 服務(wù)端")發(fā)送數(shù)據(jù)，在這里可以理解為發(fā)送消息，Network.Disconnect();斷開連接，在這里可以理解為退出聊天室。

2）發(fā)送語音實現(xiàn)技術(shù)方法：主要是使用AudioSource組件來記錄聲音。AudioSource.clip = Microphone.Start("Built-in Microphone", false, 60, 44100)是設(shè)置音頻的屬性有是否循環(huán)、秒長度、頻率，如果是按下按鈕需要錄制新的語音時則GameObject obj = (GameObject)Resources.Load("AudioClip") 加載新的音頻盛放器，GameObject audioButton = Instantiate (obj) audioButton.GetComponent＜AudioSource＞().clip = aud.clip 并實例出盛放器開始記錄音頻，Microphone.End("Built-in Microphone")是當(dāng)松開按鈕時候停止錄制。

3）聲音錄制倒計時功能，沒有語音可以錄制15 s，當(dāng)?shù)褂嫊r5 s 的時候就會出現(xiàn)錄音倒計時提示，主要是通過協(xié)程來完成，功能代碼如下：

3 結(jié) 論

本平臺是一款教學(xué)軟件，集虛擬模型庫、課程資料、學(xué)生作業(yè)、交流互動等于一體，實現(xiàn)了實用、易用、友好交互設(shè)計理念。該軟件操作簡單方便，界面友好、美觀。該教學(xué)平臺的開發(fā)突破了傳統(tǒng)教學(xué)模式，利用計算機、手機、平板電腦等工具拓展了教學(xué)的時間和空間，提高了教學(xué)質(zhì)量，優(yōu)化了教學(xué)結(jié)構(gòu)和流程。不僅可以幫助學(xué)生更形象、生動地理解一些難于理解的重點問題，還能減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，方便學(xué)生多次重復(fù)地自學(xué)相關(guān)內(nèi)容，推動了機械識圖繪圖教學(xué)的進一步發(fā)展。