基于虚拟模型的工程制图教学改革研究

杨 平，赵秀婷

（广东工业大学 先进制造学院，510000，广东广州）

为了适应教育部对高等学校教育教学改革的要求，必须努力提高课程教学质量，提高学生学习水平。工程制图课程是所有工科学生必须学习的专业基础课，该课程在高等教育教学中占有重要地位。然而工程制图的传统教学方式存在一定的弊端，给初入大学的学生学习带来一定困难，因此急需解决教学中面临的各种问题。利用计算机技术，开发适合工程制图课程教学的虚拟模型库，利用沉浸式教学方式，解决了学生通过平面模型难以想象出空间模型的问题，对促进和提高工程制图类课程教学质量至关重要。

1 工程制图素养的培养

工程制图是工程师之间进行交流的语言表达工具。工科学生除了要掌握制图标准之外，还要具有识图能力和三维思维能力。然而能力的培养离不开各种手段的支撑，利用各种先进手段能够使教学达到事半功倍的效果。随着教学内容的不断扩展，要循序渐进地培养学生的工程制图素养。学习内容从最简单的点、线、面投影开始，逐步增加难度，到平面、曲面、空间投影及简单的相贯。在学习过程中由二维扩展到三维，模型高度复杂和抽象化，使学生学习难度越来越大。如果没有好的教学方法，会造成很多学生对后续内容失去学习兴趣，对于与生产实际相联系的标准件、常用件绘制及装配图绘制等部分重要内容知难而退，使其在今后的实际工作发展中受到很大的局限；因此，针对学生工程制图素养的培养，传统教学方式改革势在必行。

2 教学现状

工程制图课程是大一新生必修的专业基础课[1]，该课程对学生的空间想象能力要求较高，而传统的PPT教学模式，很难使学生理解具体的教学内容。因此，在课堂教学中需要大量的教学模型来培养学生的空间想象能力，使学生具有一定的识图和绘图能力。要让学生完成从二维平面到三维立体空间的相互转换，需要大量的实物模型供学生观察，但传统的教学模型由于体积大、携带不便，且需要专门的管理者进行保管和维护，无论教师还是学生使用都不方便。为了克服这些困难，现阶段我国高校广泛采用多媒体CAI 课件，如利用三维建模软件构建工程制图模型库，而自主开发的工程制图电子教学资源大多采用flc、mov、avi 等媒体格式，使用这些媒体格式播放的三维图形都不能随意地移动和旋转，交互性不强，学生不能对图形任意操作，不利于培养学生的空间想象能力。

3 教学改革

以课堂提质增效为主渠道，落实教学改革。采用虚拟模型，使学生与模型之间可以进行交互，通过交互极大提高了学生学习的积极性，改变学生的学习意识，由原来的被动学习转变为主动学习，通过交互功能来完全掌握学习内容，从而提高教学质量。

3.1 技术支撑——HTML5 和WebGL 技术

随着前端网页技术的快速发展，网页上展示三维模型备受青睐，HTML5 是构建Web 内容的一种语言描述方式，通过编程在网页上展示三维模型。网页上展示三维模型，可以避免利用三维软件展示模型对电脑配置要求高及不同软件之间格式不兼容问题的出现，不受建模软件的限制，通过操作鼠标打开网页即出现三维模型。利用WebGL 的第三方库three.js 建立的虚拟三维模型[2]，可以充分调动学生的想象力，在网页或手机屏幕上操作实现交互，使学生沉浸在整个教学活动过程中，以克服传统教学模式的弊端，提高教学质量。

three.js 通过创建所需的基本元素，如点、线、面、矩阵等，将相机（Cameras）、物体（Objects）、光线（Lights）等添加到场景（Scene）中，借助渲染器（Renderer）进行场景渲染，即可实现基本的网页三维模型展示[3]。

3.2 教学形式改革

改变传统的只采用PPT 的教学模式，避免学生生搬硬套地学习和课后练习，锻炼了学生识图和建模的能力。在课堂内利用虚拟模型和PPT 相结合的教学方式，当讲到具体模型时，学生可以利用电脑或手机端打开虚拟模型库中的文件，对模型进行放大、缩小及旋转操作，从而对三维模型的每个细节都完全掌握。

在长期的教学实践中，对于根据两个视图补全第三视图的这类练习，学生往往很难想象出组合体的立体图，而不能正确作出第三视图，教师对照PPT 讲解很难使学生想象出模型的立体图。这种传统教学方法教师费力，学生难懂，达不到事半功倍的效果。但是有了虚拟模型库，教师则可以结合立体图形和二维视图给学生讲解，学生能够快速地掌握所学的内容，对每一个细节都能深入体会。

再比如有切挖等形式的复杂模型，需要想出内部结构和立体形状，这部分内容会使学生感到非常困难，对于有些细节部分很难想象。同时在装配体部分教学过程中，学生也对装配模型不能理解。但是有了three.js 技术将虚拟模型引入课堂，学生通过自己动手去拆分和装配模型，可以对模型有深入的了解，从而很好地培养学生的识图能力和空间思维能力。

3.3 教学改革实施方法

为了改变传统的PPT 教学模式，需要建立虚拟模型库。为了方便学生学习，建立与教材配套的模型库，学生通过在课本上扫描模型对应的二维码就可以打开此模型，从而在手机端或电脑端缩放、旋转、移动此模型，极大地提高了教学效果，同时节省了购买实物模型的成本及保管维护的费用。

3.3.1 用户端three.js 编程

利用three.js 编程[4]，建立工程制图模型库。首先利用三维建模软件建立相应的模型，将模型保存为OBJ 和MTL 格式[5]，供编程使用。为了在手机端使用需要定义Android 和iOS 系统及微信端，如下所示。通过编程，可以在安卓手机、苹果手机及微信端打开虚拟模型库。

3.3.2 三维模型创建及编程

为了建立与教材配套的模型，利用三维建模软件Solid Works 或UG 等建立三维模型，将模型导入到3DS MAX 中，然后将模型导出为OBJ 格式，导出后的模型包括OBJ 和MTL 格式，用three.js 编程打开模型。具体命令如下。

3.3.3 虚拟场景创建

为了将三维模型建立在虚拟环境中，需要创建虚拟环境场景、相机及光线等，这样利用三维建模软件创建的模型在虚拟环境中可以更真实地展现模型，具体程序如下[6]。

3.3.4 模型库维护

模型库的维护主要涉及根据课程内容调整模型的内容，可以很方便地增加三维模型，将三维模型导入已经编好的程序中，即可以增加虚拟模型库的内容，具有极好的模型可维护性。相比实物模型来说，省去了购买模型的经费及模型存放、保管的费用。因此虚拟模型库对于上课所需模型具有非常好的替代作用，利用虚拟模型进行教学能达到省经费、省地方、省保管的效果。

4 结论

为了能在工程制图这门专业基础课的教学中提高学生的工程制图识图作图能力，使学生达到工程师的培养水平要求，需要改进教学手段，利用虚拟模型库与PPT 结合的方式教学，以达到事半功倍的效果，同时也节省了大量经费用于购买模型，以及解决模型难于携带、维护、存放等问题。通过在教学中使用虚拟模型库，降低学生学习难度。虚拟模型库采用three.js 语言编程，可以实现手机和电脑端操作，为需要利用模型上课的课程的教学改革提供了技术支撑。