何 丽，孙文磊，朱 颖

（新疆大学 机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047）

0 引言

《工程制图》是工科类本科生必修的一门重要的技术基础课程［1］。而传统的教学实物模型因价格昂贵、数量有限、携带不便、易损且不能修改、共享性差等缺点已经不能满足现代教学的需求［2］。随着三维建模技术的日益成熟及三维CAD软件的普及，数字化的三维模型库也随之引入工程制图课程教学中，在教学中起到了替代传统实物模型、充当教学辅助工具的作用。然而目前绝大多数虚拟三维模型库都不是开放性的，三维模型不能随意修改、扩充或删减；又或者基于某种三维CAD软件，不能网络化、轻便化地应用，更不能实现实时共享和交互，所以不能满足不同教师、教学对象及教学内容等多方面的复杂要求。

随着网络技术的迅速发展，特别是虚拟现实技术及Web 3D技术的出现，为改革《工程制图》这一传统课程的教学提供了新的技术手段。应用三维CAD软件（如UG、Pro/E、SolidWorks、Solid Edge、CATIA等），并结合Web 3D等新型网络技术建立网络化三维模型共享平台，不仅可以克服传统教具的缺点，成为有效的教学辅助工具，同时利用网络的便利，让这些虚拟三维模型资源成为教师与学生实时交流互动的重要载体，可取得更好的教学效果。

1 三维模型库的教学优势及存在的问题

三维模型库或称为3D虚拟模型库具有经济性、灵活性、直观性、可复制性等优点［3］。其在《工程制图》中的教学优势体现在：

（1）替代并扩充传统的实物模型。它不仅可以完全取代传统的实物模型，消除实物模型携带不便的缺点，还可以根据教学内容的更新，及时扩充新的三维教学模型，克服传统教学模型数量有限、不能修改等缺点。

（2）是教与学的辅助工具，师生互动的载体。不仅能在课堂上将教学内容生动形象地表现出来，更有益于教师对知识的讲授及学生的理解，以及师生的互动和讨论；三维模型库可作为一种载体将教学从课堂延伸到课后，以辅助学生完成课后练习，提高学生学习兴趣及学习效率。

另外，三维模型库还有丰富实践性教学素材库等诸多优势，然而目前大多数应用于教学中的三维模型库还客观存在以下几个问题：

（1）不完全开放，修改及更新能力差。目前绝大多数虚拟三维模型库一般是不能随意修改、扩充或删减的，这就大大地降低了这类三维模型库的利用率。

（2）基于单一三维CAD软件，通用性差。为满足教学的需要，针对教师熟练掌握的某种三维CAD软件，如UG、Pro/E、SolidWorks、CATIA、SolidEdge等，纷纷建立了相应的虚拟三维模型库，在制图教学上也起到了提高教学效果的作用。但这类三维模型库最大的缺点是基于某一种CAD软件的，对不能熟练掌握该软件的教师来说大大提高了其应用难度［4］；另一方面，学生在使用这些三维模型时需要安装专业化的软件，而对于还未接触三维CAD软件的学生来说也是非常有难度的，这就大大降低了学生学习这类三维模型库的积极性。

（3）非网络化，共享性差。三维模型库大多在单机环境下运行，其共享广度和方便程度是非常有限的。虽然也可将三维模型库载入网络共学生浏览，但这仍旧只是单一的传授模式，在信息技术高度发展和应用的今天，还缺乏一个教师实时发布与之教学及课后辅导内容高度一致的三维模型的通道，缺乏一个师生间实时互动与交流、三维模型资源高度共享的公共网络平台。

综上所述，建立一种基于Web及异构三维CAD软件的三维模型资源共享平台是很有必要的，通过网络，不仅能提供大量的模型资源，整合教育资源，而且还为师生交流提供了一个互动平台，支持远程教育、网络化教学。

2 Web三维模型共享平台的设计与实现

2.1 总体架构设计

为克服目前模型库在工程制图教学中存在的缺点，Web三维模型共享平台采用了B/S模式，其总体架构如图1所示。系统大体设置了5个层次：用户界面层、业务逻辑/功能层、数据层、应用程序服务层和接口层。

图1 Web三维模型共享平台总体架构

（1）用户界面层：用户界面为终端用户（教师和学生）提供对系统访问的工具。教师和学生只需通过Web浏览器，并安装一个简单的支持Web 3D的三维模型可视化插件（如BS Contact VRML）即可在线浏览平台中的各类三维模型，而无需安装专业化的软件。

（2）业务逻辑/功能层：业务处理层是系统的核心，负责处理三维模型共享平台的核心功能，包括：三维模型的在线预览、在线参数化驱动设计、三维模型发布与知识交流、三维模型快速建库与扩展工具等。

（3）数据层：数据库是三维模型共享平台的支撑，而三维模型资源库是最重要的数据来源。依据其来源不同分为基础模型库、扩展模型库和用户模型库等。

（4）应用程序服务与接口层：该系统是基于异构三维CAD软件系统的，包括UG NX、Pro/E、SolidEdge、SolidWorks、CATIA等，它们通过接口予以连接，并以服务的形式来满足属于不同CAD软件用户的教师需求。

2.2 面向工程制图教学的基础模型库建设与扩展

针对不同教师、教学对象及教学内容的多样性和复杂性特点，并为满足现代工程制图教学的要求，将共享平台中三维模型资源库分为3类：基础模型库、扩展模型库和用户模型库。三维模型资源库结构如图2所示。

扩展模型库是教师根据自身教学、所教班级学生及不同专业的特点和要求，利用平台提供的快速建库和扩展工具，按需求对基础库进行的适时扩展和调整。用户模型库则是平台各用户为实现互动交流而实时上传至平台中的丰富的三维模型资源，这也是对三维模型资源库的一种有效扩充。学生在校园网上打开浏览器即可从各角度观察和控制三维模型，并针对模型进行评论和交流，能有效地提高学生主动学习的积极性，并能实现模型资源高度共享，扩展学生的知识面，进而达到提高教学质量的目的［5－6］。

图2 三维模型资源库结构

3 在工程制图教学中的应用实践

Web三维模型共享平台是针对应用于工程制图教学中的大量三维模型资源进行开发的，集用户在线应用和在线管理于一体。教与学是教师和学生共同参与的过程，Web三维模型共享平台在工程制图教学中的应用如图3所示。

（1）教师需以教师身份登录至系统访问首页或系统管理页。在课堂教学时，教师通过访问系统来浏览已有的三维模型辅助教学，通过强化学生对各种图形的感性认识来提高课堂理论教学效果；利用平台提供的在线参数化驱动设计功能，通过改变模型尺寸来更形象地展示图形的变化情况，如通过在线改变圆柱直径大小来展示两正交圆柱或圆柱与圆锥正交相贯线的趋势；利用平台提供的快速建库与扩展工具，对基础库中的模型进行调整和扩展，以满足教师自身教学的特殊需求。而这些扩展模型可以是任意一种三维CAD软件建立的模型，且可同基础库中的模型一样被教师和学生查看及参数化再设计。

图3 Web三维模型共享平台在工程制图教学中的应用

（2）学生需以学生身份登录至系统访问首页，依据自身需要选择相应的链接，而后进入三维模型的预览和参数化设计页，实现模型的查看和操作。一方面可对课堂知识进行温习和补充；更重要的是，通过查看习题模型库，可及时地校对所做练习的正确性，弥补了教师不能及时辅导的缺陷，也能有效地提高学生的学习兴趣和效率。

4 结束语

这种利用资源共享、辅助教学、交流互动、师生共建等指导思想建立的Web三维模型共享平台同样可应用于机械原理及机械设计等专业基础课程教学中。利用Web 3D等网络技术，不受时间地点的限制，能够准确地展现出机械外形和结构，演示机械的功能和原理，学生通过观察和操作能够对机械有更加全面、深入的认识和了解。网络化三维模型共享平台是顺应信息技术快速发展的产物，是计算机辅助教学的工具之一。它对增强工科类学生学习专业基础课程兴趣，提高教学效果，促进专业基础课程教学改革都有着重要的作用。

［1］大连理工大学工程图学教研室.机械制图［M］.第6版.北京：高等教育出版社，2007.

［2］马惠仙.基于数字化技术的工程制图教学系统研究［D］.上海：华东理工大学，2011：6-7.

［3］陈丽军.三维CAD软件在《机械制图》教学中的应用［J］.洛阳师范学院学报，2011，30（2）：120-122.

［4］林文，王志祥，于颖，等.虚拟三维模型库在工程制图教学中的应用［J］.药学教育，2012，28（3）：42-45.

［5］段家现，黄燕钧.Pro/E在机械制图立体化教学中的应用［J］.梧州学院学报，2010，20（3）：57-61.

［6］单鸿波，王晓红，金怡，等.3D模型库在机械基础课程教学实践中的应用［J］.东华大学学报（自然科学版），2011，37（4）：535-540.