基于Web3D技術的三維CAD教學應用研究

李福送 王文軍 林偉健 秦臻 尹帥

摘要：文章探討了三維CAD課程傳統教學模式中存在的問題，分析了Web3D技術在教育教學中的應用；提出了基于Web3D技術進行三維CAD相關教學改革和研究實踐，涉及課程教學平臺、教學內容建設及教學實施過程等方面，并將信息化技術手段融入線上、線下混合式教學中。實例證明，基于Web3D技術的教學改革研究具有積極意義，在三維CAD等課程的實踐應用中教學效果良好。

關鍵詞：三維CAD? 3D教學? Web3D技術? 教學平臺

中圖分類號：G642? ?文獻標識碼：A

Abstract：This paper discusses the problems existing in the traditional teaching mode of 3D CAD courses，? analyzes the application of Web3D technology in education and teaching， and puts forward the teaching reform and research practice of 3D CAD based on Web3D technology， involving the course teaching platform， teaching content construction and teaching implementation process， and integrates information technology? into online and offline blended teaching. Examples show that the teaching reform and research based on Web3D technology is of positive significance， and the teaching effect is good in the practical application of 3D CAD and other courses.

Key Words：3D CAD; 3D teaching; Web3D technology; Teaching platform

1 課程概述

《三維CAD基礎》課程作為機械類專業一門重要的學科基礎課，其主要任務是培養學生學會用三維軟件進行產品設計開發，包括有基本的零件建模、零件裝配及生成工程圖樣及運用軟件解決工程實際問題的能力[1]。隨著計算機技術的發展和計算機的普及，計算機輔助設計、制造已被廣泛應用于我國的各個領域，利用相關的三維造型軟件可以直接繪制出零件的三維圖形，對產品的表現更加具體和直接；同時，三維軟件和數控中心無縫對接，可以對三維產品進行直接加工[2-3]。因此，能夠熟練應用計算機三維繪圖軟件是工科學生特別是機械專業學生最基本的技能。

三維CAD基礎課程的主要教學目標如下。

（1）知識目標方面：掌握三維設計的基本理論、用戶操作界面和基本功能；熟悉三維軟件設計流程，熟悉掌握三維建模、裝配和工程圖設計。

（2）能力目標方面：具有熟練利用三維軟件進行中等復雜程度的三維零件建模、裝配的能力；具有三維模型轉換為二維工程圖的能力；熟練運用三維軟件進行設計和解決工程實踐問題的能力。

（3）素質目標方面：培養解決實際問題、獨立學習新知識、實際動手能力和創新能力；培養學生具有愛崗敬業的敬業精神，建立嚴謹的工作作風和科學的工作態度；增強產品質量、成本的意識，明確產品質量對企業生存發展的重要性。

2 三維CAD傳統教學模式

三維CAD課程近年來經過不斷教學改革探索，基本形成了相對成熟的教學思路和方法，主要采用傳統的課堂教學模式、線上線下混合式教學模式等方式；但是由于本課程區別于理論課程，屬于軟件上機課程，注重培養學生的基本操作能力和實踐運用能力。因此，在教學過程和教學反饋中存在以下方面問題。

2.1 傳統教學模式分析

傳統教學模式將教師與學生形成主客對立的關系，在授課中，學生的差異性被忽略，很難培養學生自主學習和探索的能力，不能滿足學生的不同的個性化要求，具體主要體現在以下幾方面：一是學生學習完后，知識掌握不牢固，特別是從學生各專業課的課程設計和畢業設計中明顯體現出來；二是從參加工作的畢業生反饋情況來看，所教所學與工程實際問題不能有效結合起來；三是課堂學習時間有限，軟件應用課程又需要學生在課余時間多學多練，但自主學習動力不足，不能體會到3D設計的魅力。

隨著新技術的發展，課堂教學與信息技術的不斷融合，“線上+線下”混合式教學模式作為教學改革方式的一種全新視角，能完全顛覆傳統的課堂教學，能培養學生自主學習和自主探索新知的能力，滿足學生不同的個性化需求?；旌鲜浇虒W模式比單純的線上或者線下教學模式學習效果更好，并且常態化疫情防控更是要求擁有更靈活、高效和便捷的學習模式。但是常規的“線上+線下”混合式教學模式的學習環境單一，線上學習以視頻微課、PPT為主，教學資源不夠豐富，教學互動方式比較單一，學生自我約束能力和自我成就感直接影響到學習的質量；而線下學習仍以教師講授為主，雖然能夠完成互動，但不能很好地實現以學生為中心的教學目標。另外，線上網絡教學系統不能支持3D效果，只能以圖片或視頻等平面媒體的方式說明，這些平面媒體不能形象、立體地描述出知識內容，容易形成知識盲點，因此需要結合互聯網信息技術，特別是Web3D虛擬現實技術，引入到線上線下混合式教學過程中，構建出立體化、可交互操作的教學新模式，使學生能更形象地獲取知識、激發思維。

2.2 課程教學主要問題總結

綜上所述，三維CAD課程教學存在一些問題，亟需進行教學改革和研究進行解決。

（1）教學內容、教材方面：教材內容更新緩慢、內容形式單一，理論與實踐有脫節。

（2）教學方法方面：傳統教學模式效率低，教師講授為主，學生參與度不高，學習延展性有限。

（3）教學評價方面：單一試卷考核區分度低、偶然性高，過程性考核評價欠缺；挑戰度、實戰性低。

3 基于Web3d技術的教學改革與實踐

3.1 課程教學平臺改革

傳統線上教學平臺不能滿足3D交互教學的需要，因此，可利用“互聯網技術+信息化技術”搭建專屬課堂教學平臺，同時創新融入了Web3D虛擬現實技術。

3.1.1 Web3d虛擬現實技術

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是一種基于三維立體效果的虛擬環境，具有沉浸、多感知和可交互等特性，是仿真技術的發展方向之一[4-5]，進一步準確地說，就是采用成熟的計算機圖形技術生成逼真的視覺、聽覺等多感知的三維立體虛擬環境，在這樣的虛擬現實環境中，體驗者可以身臨其境般，不受約束地對虛擬對象進行交互操作和感知交流。因此，虛擬現實技術的產生與發展，為人們提供了更為真實的人機交互方式，特別是在教育教學中提供了更為先進的方式。Web3D技術是傳統虛擬現實技術的一個分支，是一種在虛擬現實技術基礎上，充分利用互聯網，在網頁上顯示三維立體模型并可互動瀏覽操作的技術[6-7]。Web3D虛擬現實技術有著獨特的技術優勢，它不需要傳統虛擬現實技術中必備的頭盔顯示器等支持沉浸感的硬件，基于基本的計算機硬件環境，僅依靠軟件技術來實現虛擬現實[8-10]，大幅度降低了實現成本，因此在產品展示、虛擬場景和教學展示等方面有著廣泛的應用。

3.1.2 專屬課程教學平臺

三維CAD課程專屬教學平臺主要包括課程中心、3D模型庫、3D作品展和管理中心這四個功能模塊，既可滿足普通課程教學管理的要求，又具有3D交互教學的功能特點，主要體現在以下3個方面。

（1）教學平臺擴展多種功能模塊達到教學目的和教學過程監控，重點體現以學生為中心、教師為輔的引導式教學，實現先學后教、以學定教的目的。

（2）教學平臺融入Web3D技術、虛擬仿真技術和網絡手段，實現三維模型在瀏覽器中動態展示、交互操控。三維模型無論在教師和學生的電腦端、手機端上均可實時交互，展現教學信息化手段的有效利用，提升教學效果，實現新型教學互動。

（3）教學平臺的教學考核管理模塊利用信息化手段實現教學考核自動評價、評價管理數據化，教學考核管理功能架構如圖1所示。

3.2 教學內容建設改革

三維CAD課程在課程教學內容方面的改革建設主要分為以下幾個部分。

（1）教師準備教學內容：以工程實踐案例為主，使得教學更加貼近實際，有效對接行業需求，并結合學生線上學習效果反饋，由教師進行針對性的講解，強化學生學習效果。

（2）學生準備學習內容：學生在課前學習階段，結合知識點，積極思考并提出感興趣的設計案例；教師課中、課后挑選有代表性的案例進行講解分析。

（3）師生共建教學資源內容：采用教師引導、學生為主的形式進行師生共建課程教學資源，引入學生的實踐作品案例，將案例內容中創新融入虛擬仿真技術，豐富線上課程資源，提高教學內容的實用性、新穎性，改變傳統被動學習模式。

（4）在課程教學案例中結合虛擬仿真技術，將抽象的三維模型形象化，增強其應用性和新穎性，提高學生學習興趣，提升教學效果，培養學生積極思考、舉一反三的能力。

3.3 教學實施過程改革

課程教學活動設計以學生為中心，通過課程教學平臺實現雙向互動，將課程教學資源與教學數據相互關聯與共享，實現教學過程化信息管理、教學效果可視化的教學活動。

（1）課前：學生線上學習，學習內容形式為“電子課件+微課/視頻”，以作業完成情況評價學習效果。

（2）課中：教師講解演示，學生實踐操作，上傳作品，分組討論，學生匯報、互動展示作品；在教學過程中，充分發揮教學平臺的虛擬仿真功能，增加形象性、交互性，如圖2所示。

（3）課后：知識鞏固強化，教師布置課后作業，學生課后練習、上傳作品。

（4）在課程教學中引入思政案例，如工程實踐案例——軸類零件、飛輪盤等；強調設計尺寸標注、公差選用的重要性，增強產品質量、輕量化設計的意識，培養工匠精神。

整個教學實施過程按階梯式設計，形成課前、課中和課后三位一體的教學過程，同時在各階段都可輸出階段性成果，教學效果更直觀可視化、可評價化。

3.4 教學評價方法改革

考核評價在每一個教學過程中，不僅是檢測學生的學習成績和評價學生知識水平和能力狀況，而且是檢測教與學的綜合效果并為教學改革提供必要依據的一個非常重要的環節課程成績由過程性考核成績和終結性考核成績共同組成，構成科學精準的學習分析、診斷與反饋的教學評價體系[11]。其中考核成績以學生實際完成的成果作品為考核依據，所有成果都上傳在教學平臺上，直接線上進行交互展示作品，然后由教師點評、學生互評，使成績評價公平、公正，有依據。同時，將優秀的學生作品成果在線上公開展示、分享，進一步提高學生的成就感，提升主動學習的積極性。

4 教學效果反饋及總結

基于Web3D虛擬現實技術下的混合式教學改革已在《三維CAD基礎》課程教學中成功應用，其教學效果大大提升，教學反饋和評價都得到好評。學生在課堂上快速掌握基礎知識點，教學交互手段更加豐富，課堂氣氛活躍；學習在線上學習時，不僅可以從3D資源庫中接收到更為全面的知識信息，而且能在與3D模型的互動中體驗到很多樂趣，因此更容易實現寓教于樂的教學目標。

5 結語

基于Web3D虛擬現實技術下的混合式教學改革不僅能應用在三維CAD課程教學中，同時也可應用于其他相關課程的教學中。該教學改革是深化教學改革、提高教學效果的有效手段，也是在教學中融入信息化技術的最直接方式，也是未來現代化教學領域發的發展方法。

參考文獻

[1] 王文軍，林偉健，李福送.基于工程案例的三維CAD教學改革與實踐[J].大學教育，2021（9）：85-87.

[2] 瞿暢，王君澤，曹紅蓓.Web3D技術及其在工程圖學教學中的應用[J].工程圖學學報，2006（2）：150-154.

[3] 陳龍，仲梁維.基于Web3D技術的教學方法探討[J].科技信息，2011（22）：434-435.

[4] 張偉.Web3D技術在多媒體教學中的應用[J].長春師范學院學報（自然科學版），2010，29（2）：60-62.

[5] 姚震，仲梁維，陳彩鳳.基于Three.js的機械產品展示研究[J].軟件導刊，2018，17（5）：187-190.

[6] 何東琴，王聰華，龔嘯.基于Three.js無插件三維模型展示研究[J].計算機時代，2018（3）18-19，23.

[7] 侯嚴庭.基于Three.js的機械產品自動裝配演示[J].軟件工程，2018，21（3）：23-26.

[8] 蔣召召.基于WebGL的數據中心3D可視化系統的設計與實現[D].杭州：浙江工業大學，2019.

[9] 徐鵬.基于Unity3D開發平臺的Web3D技術的數字科技館展示系統設計制作[J].科技與創新，2021（3）：51-52.

[10] 楊萍.基于三維虛擬環境的主題學習活動設計與實現[D].重慶：西南大學，2019.

[11] 魏首柳，柯小玲.基于教考分離的課程試題庫建設的探討與實踐[J].高教學刊，2021（3）：100-103.

作者簡介：李福送（1981—），男，碩士，高級工程師，研究方向為機械CAD/CAM、信息化等。

基金項目：2021年柳州工學院教學改革研究和實踐項目（項目編號：2021JGC004）；2021年度柳州工學院校級一流本科課程建設項目（項目編號：2021YLKC012）；2022年柳州工學院課程思政示范課程（項目編號：2022KCSZ006）