虚拟模型库的开发与应用
文/葛进军
摘要：虚拟模型库在教学中的应用完全可以弥补传统教具的缺点，利用先进的三维技术创建的虚拟机械零部件不仅形象逼真、色彩丰富，利用计算机软件还可以方便地进行教学模型修改与新建，充分满足了教学中对模型种类及数量的需要。
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关键词 ：中职 虚拟模型库 Inventor
中职机械识图教学的难点在于空间几何的图解能力，运用立体模型进行空间几何分析是学习机械识图课程必要的教学技巧，也是学生从抽象理论到具体实物认识过程中的一种重要工具。中职学生缺乏具体实物的感性积累，教师用虚拟模型库来代替或部分代替现有的实物模型，可以弥补传统教具的缺点，降低教学成本，及时更新教学资源，方便学生学习使用，方便携带运用。在专业基础课学习的同时，也促进了计算机软件的应用，特别是产品造型技术的应用。
一、虚拟模型库的特点
1.模型演示更趋清晰
基于校园网的虚拟模型库可以通过动画播放，逼真地显示装配体的工作过程，真实感强。特别是通过三维模型的叠加、切割、剖切、装配等过程，使学生更加清楚零件的形成过程和装配体的装配过程，具有单纯实物模型无法比拟的效果。在教学中，很多粗浅的知识和概念性的描述，通过文字或一些示意图很难把它讲明白，往往教师讲得口干舌燥，学生听得云里雾里；老师比划半天，学生一知半解。但借助合适的教学模型，可以直观地解决一些术语的理解和一些重要零部件的构造与工作原理的理解，不仅提高了学生的学习兴趣，也有效地实现了教学目标。
2.模型成本更加便宜
虚拟模型库应用三维造型技术创建立体模型，成本低廉，它可以通过随书光盘、课件、网络等渠道添加立体模型，可以移动存储，也可以放在学校的网络服务器上，基本不需要额外的维护成本。助学型课件随着网络的逐渐完善和普及，学生不管是在学校还是在家里，都可以根据自己的学习方式和学习能力自主安排学习，根本不需要到企业实地去参观。而利用实物模型教学，由于其尺寸大，制造周期长，不宜携带和保管，而且维护成本较高。
3.模型创新更加方便
社会和家庭出于安全的考虑，很少让学生主动去企业观看接触机械设备，也没有机会与工人交流学习。学生平时对一些机械零件的感性认识比较少，所以导致其机械专业知识的理解力差。利用先进的三维技术创建的虚拟机械零部件不仅形象逼真、色彩丰富，还可以方便地进行修改与新建，这样不仅能够实时补充新的教学模型，还可以针对不同的教学对象、教学要求调整现有的模型，充分满足教学中对模型种类及数量的需求，达到降低教学成本、提高教学质量的目的。
二、虚拟模型库的开发
1.模型库总体框架设置
第一，用户登录模块。系统将用户按级别分为学生、教师和系统管理员，应用数据库管理系统将用户的信息分类，存储用户的信息。
第二，三维模型库模块。该部分是系统设计的重点和难点。设计重点在于如何实现模型库对三维模型资源的有效管理。三维模型库的主要功能是实现用户对三维模型的在线浏览。通过三维模型库网站对三维模型及其内部结构特征进行全方位多角度的观看与学习，并可对三维模型进行放大、缩小、旋转、平移和剖切等一系列操作。
第三，模型动画演示模块。本部分利用虚拟现实技术制作动画，用二维和三维动画的形式展示机械零部件内部结构及工作原理。
第四， 二维视图表达模块。二维视图即三维模型的三视图包括主视图、俯视图和左视图。有jpg的图片格式和dwg格式的矢量图。
第五，模型的上传模块。该部分模块根据系统设置的用户级别对模型的操作进行权限分配，一般用户只享有上传的权限，系统管理员是最高管理者，享有对模型增加和删除等系统管理权限。
第六，课后讨论区和教师答疑功能模块。讨论区的主要功能是为学生提供一个课后学习交流的网络平台，学生用户可以在讨论区里发表留言，提出问题，教师针对学生提出的疑点难点回复留言等。
2.三维软件的选取与使用
为了实现这些系统模块的功能，针对本校的教学实际，本模型库采用Inventor造型软件。Inventor具有强大的三维造型能力，有良好的设计表达能力。Inventor还自带Autodesk Design Review软件可方便地进行模型的观察和一些功能的操作。具体的软件功能详见下表。
3.模型库主页设置思路
该库将中职教本《机械识图》分成三个小库，分别为教学库、助学库和评价库。模型库中三维模型以《机械识图》中的机械模型为原型，按书中章节将模型分为学习导读、制图基本知识与基本技能、基本题的表达与识读、组合体的表达与识读、机械图样的识读、典型零件图的识读、零件的测绘、装配图的识读等八个部分。教学库主要以二维视图、三维模型和模型动画的形式展现；助学库主要提供练习册的答案和参考模型；而评价库所涉视图和模型均由课任教师自主开发。
三、虚拟模型库的应用
1.虚拟模型库的主页介绍
虚拟模型库的网址是10.40.185.186，最上面是网页的标题，标题部分的背景是学校的风景图片。标题下面是导航栏，方便快速地找到模型位置。对于模型库网站划分了三个功能区块分别为教学库——学习区模块，助学库——进行课堂练习和评价库——进行考试练习。进入到导航目录后，可见图库的采用的形式是jpg预览图片，预览图片能大致反应模型的结构。还可以点击【视图】进入标准视图进行局部放大清楚地观察细节部分。同时还可以点击【模型】进入三维模型的观察。这些视图和模型都是dwf格式的，通过Autodesk Design Review显示。用户登录后可以进行模型的上传，系统管理员是模型库的最高管理者，享有对模型增加和删除等系统管理权限。
2.教学库的应用
在教学库中的模型主要有三种格式的：二维视图、三维模型和动画。二维视图是以dwg格式显示的，动画是wmv格式。再重点介绍一下，dwf格式的模型、dwf格式的文件用Autodesk Design Review软件打开。具体功能操作介绍如下。
（1）基本视图的观察。模型打开后在屏幕图形窗口显示，可以通过右上角的ViewCube方位控制，这个方位控制共有26个方位，分别是6个面、12条边和8个角，只要移动鼠标去点击这些面、边和角就可以得到所要的视向视图。
（2）剖切视图的观察。对模型进行剖切视图的观察，以当前模型为例，鼠标在屏幕空白处右击出现快捷菜单，选择“横截面”—“xz平面”。该横截面的位置还可以编辑，选中y轴，可以上下移动xz平面；选中原点可以移动平面坐标系的位置；选中x或z轴头部可以旋转xz平面。
（3）移动、旋转模型。在Autodesk Design Review中，有两种移动和旋转。一种是动态观察中的平移和转盘命令对模型的移动和旋转，但与ViewCube一起运动，它们之间的相对位置不发生变化；另一种移动和旋转在右击的快捷菜单中，移动和旋转模型之后，模型的基本视图与之前的视图将发生变化。
（4）装配模型的观察。对于装配模型的观察，我们可以通过上述命令移动和旋转各个零部件，进行个别观察。要使各个零部件恢复到初始位置，只要双击各个零件即可。还可以通过对模型的隐藏或透明处理，进行观察装配模型。
3.助学库的应用
助学库中的内容是本教材配套练习册的答案，只要学生注册后，登陆即可显示练习册的答案。答案是以图片格式显示的，帮助学生们在课后随时随地进行校对，满足学习需求。
4.评价库的应用
对于本教材的每个项目，模型库都建立了相应的评价测试题。测试题题型是选择题，每题有四个选项。选择答题后，会出现相应的提示，表明选择结果的正确与否。评价库的测试也需要学生用户登录后，才能正常使用。
笔者针对中职教材《机械识图》的图形模型库做了详细的研究，论述了三维模型库建模的各种关键技术，研究并实现了三维模型库系统。该系统实现了二维视图的观看、三维模型的浏览及三维模型动画展示等功能，具有一定的创新性和实用性。
目前笔者学校的虚拟模型库建设已涉及机械专业的很多课程，尤其是在机械制图的教学中已得到了广泛应用。相信随着教学改革的深入与计算机在学校的普及应用，虚拟模型库的应用前景将更加广阔。我们期待着将来能与更多学校的虚拟模型库共享资源、校际间互通信息，集中多方面丰富多彩的虚拟模型库，为现代化教学提供更多的方便。
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参考文献：
[1]冯睿.基于Web2.0的三维模型库的开发研究[D].广东工业大学，2010(12).
[2]肖春英.基于inventor的工程制图虚拟模型室的构建[J].牡丹江师范学院学报,2009(4).
（作者单位：宁海县高级职业技术中心学校）