《机械制图》数字化模型教具系统建设
蚌埠学院 机械与电子工程系 陈文平 程荣龙 石怀荣
摘要：满足《机械制图》现代教育技术手段的需要，开发《机械制图》课程数字化模型教具系统，使在多媒体教学环境下教学手段得到一些必要的补充。弥补空间想象力、抽象与具体联系之间的不足。
关键词：现代教学技术，数字教学模型，控制播放 0 引言
《机械制图》板书形式教学中大量使用的辅助教学手段，如：挂图、幻灯、影视、实物、模型等，这种方式延续了很长时间，并已经非常成熟。随着计算机技术的发展和普及，多媒体教学形式得到了长足的发展，已经成为课堂教学的主导形式。
两种教学形式相比较，计算机多媒体技术的优越性不言而喻。如挂图、幻灯图片和影视图像方面优越性非常显著。这些资源目前可以有多种方法得到，如采用摄影、扫描、录像等技术形成。但也受一些因素的制约也存在着一些不足，例如，实物和模型等教具的使用，尚有一定差距。
为弥补在教学过程中诸如模型、实物等辅助教具，或带入教室不便利，或在多媒体教室内因环境产生效果不理想。建立一整套数字化的教具模型替代实物模型显得必不可少了。
随着多媒体技术的发展，利用计算机技术建立数字化的3D动态模型，目前在一些领域中是成熟的技术。如影视广告、3维动画片、3D动态仿真等。那么，利用这些技术建立《机械制图》中的教学模型或机器零、部件模型是切实可行的，已经不存在问题。
目前不少同行在这方面也有建树，但是只有少量模型的建立和使用，还没有形成系统或规模。
1 系统构想与解决思路 1.1 系统构想
类似《机械制图》教学中使用的实物教具模型，建立一个程序系统。系统内包含内容涵盖较广的、数量充足的仿实物数字教具模型；另外建立一个播放界面，这个界面是可以操控的以便配合课堂教学中教师的讲学进程。 1.1.1 数字模型
建立的数字模型要能够配合《机械制图》教材的课堂教学使用，满足教学中所使用各方面内容。涵盖从基本立体到装配体的各个部分，内容相对全面，既有典型又兼顾多数版本教材。
这套教具数字模型要能够反映出教学中应表达实物的内外结构。如：组合体、标准件常用件、装配体的外观、内部结构；大体反映机件、零部件的表达方法、原理、形成方式。如：截交线的形成、组合体的形成、剖切的形成及剖切方法等。 1.1.2 表达方式
对于建立的数字模型，如同实物模型一样应能够清楚地反映该模型在教材中的内容体现和其要表达的目的。能够清楚、直观地展现模型应出现的视角、结构、景象。
例如：表达截交线的形成，在所建立的模型上如何利用平面切割基本立体形成截交线；相贯线的形状与组成相交立体表面形状之间的关系；剖切中，机件剖切前后的各主要视角结构、内外结构的表达；一些典型零部件的功用、工作原理等。
系统中还应有直观地表达一些通常不太能够接触到的零、部件作为补充。 1.2 解决思路
多媒体技术是计算机应用方面的综合技术，建立《机械制图》数字模型系统不可能采用一种软件来建立。因此，建立该系统需要一种能够建立3D模型的软件系统；能够形成3D动画视频制作的软件和视频制作编辑系统。要达到能够实现模型播放的可控制操作，则需要建立一个独立的系统播放界面系统。 1.2.1 模型系统的建立
建立3D模型和动画的软件目前有很多。考虑到机械零、部件的特点（主要是材质的渲染），本系统使用AutoCAD和3Dsmax软件作为基础软件来实现的。一些特殊的零件结构使用AutoLISP语言建立。
模型的动态表现和动画形成使用3Dsmax来建立，使其形成AVI视频文件或片段。后期的制作完成视频片段的编辑，组成一个播放电影则是使用adobe公司的Premiere软件进行编辑。这样即方便操作又兼顾文件的容量。 1.2.2 播放系统的设计
考虑到教师对模型播放的使用操作及一些教师对计算机操作的熟练程度，这个操作界面必须简便，可操纵较好。同时，播放系统应能够达到系统整体的功能要求，即，所播放出的模型效果要迎合教师授课对模型的使用、讲解、演示、视角展示等场景。播放系统是自行设计的。 2 系统的设计和模型制作 2.1 模型的建构
机械制图中使用模型作为教具是课程的内容的补充。是帮助学生建立空间想象能力、对空间实物有直观的概念和感性认识；使学生尚未具备工程实践的背景下对于机械零、部件的原理、结构和作用的了解，培养学生的想象力；也是教师为更好表达所讲内容必不可少的道具。因此，建立的模型应能够反映教材内容中相应内容的真实、客观的实物形体。 2.1.1 模型的表达设定
本系统中的模型选材主要面向制图教材中经常列举的立体模型和需要使用立体来表达或说明的实例，还有一些是典型作业的补充模型。建立的模型在表达方式上，根据特定的模型在教授该内容上要能够体现其结构与内容的特点。
例如：基本体、组合体的表现应表达该形体的特征和各个方向的视角投影；平面与立体、立体与立体产生的交线有反映交线的形成过程，变化过程，交线形状随视角的变化；组合体的组合的基本形态，满足投影体系所需要的观察视角；剖切的构件需要在内外结构上有特殊的表达、表现方式及剖切的过程等等。在模型的表达视角上、内容上应设置特定表现轨迹来达到要求。例如：一个形体的剖切，在设置动画时，首先表达其外观结构和要剖切的部位，再表现剖切迹线上展现出剖切形成过程和剖切后突出表达该部位，以利于教师讲解和学生观看。
图1为用于表现上箱体局部剖切的模型。通常需要表达该零件顶部的方孔、壁厚、内部形状及结构和前面的凸台、圆孔等。按照表达思想，该模型的表现为：箱体整体各方向视角，如图1所示；前面圆孔部位的动态剖切及俯视角，如图2(a)和（b）所示；顶面方孔部位的动态剖切及主视角，如图3(a)和(b)所示。
图1 上箱体模型
(a)
图2 圆孔的剖切和俯视角
(b)
(a) (b)
图3 方孔的剖切和主视角
2.1.2 模型色彩的使用
在模型的色彩方面，多数与实物模型相类似，恰当的色彩应用将提升模型的感观效果。大多数模型采用类似木质模型相仿的颜色；对于机械零件模型的色彩，充分利用3Dsmax软件中丰富的“材质”功能形成逼真的材质来体现金属材料；装配体中，用不同的颜色区别各组成该部件以便于观看、区分。立体交线形成采用不同颜色立体交汇；截交线以不同颜色突出截平面等。 2.2 播放系统界面的设计构建
许多软件都可以用来播放视频文件。但是，对于课堂教学来说，要使模型能够配合教师的教学，同时还须考虑到操作要简便、简捷，整个系统文件的容量还不要太大等，否则会与本系统建设初衷不符合。 2.2.1 播放界面功能的设计
考虑到多数人使用计算机过程中操作的习惯和教学内容的安排要求，以Windows界面形式布置；由可视化程序语言设计。图4为系统播放界面，界面分五个区。
图4 系统播放操作界面
下拉菜单：调用模型播放文件。操作时“照单点菜”。 播放窗口：播放模型的视屏窗口。
播放列表：存储用户备课时选用的模型文件。
操作区：实施播放操控。由一组播放控制按钮和“操纵滑杆”组成。 状态区：描述包括所调用的模型提示、描述等。 2.2.2 播放界面主要功能操作
具备的可操控播放和内容组织功能是本系统的两个特点。
设置的“操纵滑杆”是为了配合教师的讲课内容。拖动“操纵滑杆”到适当的位置，即可将模型的播放时段停留到模型文件该位置的“时间帧”上，从而表现应有的观察视角。这一功能在零件的剖切表达中显得最为优越。因为，有时侯我们需要表达
同一个机件的多方面、不同部位、不同位置的剖切。实物模型中是无法表现的。实物模型如果要这样做将会“散架”，或需要用几个相同的原体来实现；而本系统模型则不会。
播放列表功能可方便于教师备课。界面中的“删除”、“清空”两按钮用于组织和整理文件；系统中设计了一个系统配置文件MRmodel.ini。这个文件在系统关闭后自动保留文件信息。若教师备课和授课时使用的不是同一台计算机，可以事先在备课机上选好模型，退出系统后将本系统目录中的MRmodel.ini文件复制到授课机中相同位置即可实现所选内容的播放，达到备课预选内容的目的。 3 结束语
本系统中还设有如系统“功能简介”、“操作指南”和“模型速览”等。“操作指南”详细介绍了系统使用的各项操作；“模型速览”则是将动态模型以静态图片的形式用Web功能形式浏览。方便用户查阅模型和对应内容的组织。
《机械制图》教具模型的开发目的是为了适应现代教育技术手段的发展需要。特别是对于传统教学模式已经习惯成定势的课程，特别是《机械制图》这样的课程对于没有任何工程背景、对工程零、部件从未接触的大学新生而言，既要理论又要实际，对于这类理论与实践结合紧密的课程，在现代化的课堂中构建合适的学习环境，增进感性认识的手法、手段是必不可少的，也是非常重要的。
参考文献
[1] 黄心渊·3Dsmax三维动画·[M]·北京：高等教育出版社，2005.7
[2] 李世兰·AutoCAD2006工程绘图教程·[M]·北京：高等教育出版社，2007.5 [3] 舒飞·AutoCAD2004二次开发标准教程·[M]·上海：上海科学普及出版社，2004.3
[4] 胡仁喜，胡星，史青录等·AutoLISP机械设计高级应用实例·[M]·北京：机械工业出版社，2005.1
[5].胡幍，黎昌杰·Premiere标准教程·[M]·北京：中国电力出版社，2003.7
《机械制图》数字化模型教具系统建设
