移动虚拟工程图学模型库的开发与应用——理论方法篇*
陈 功 孙海波 李艾民 赵啦啦  
（中国矿业大学，江苏 徐州 221116）

 
摘  要： 基于OBE的人才培养理念，在工程图学课程中充分融入三维数字化、移动互联、虚拟交互等综合信息处理技术，运用Creo Parametric、图纸通等软件技术平台，系统完成了模型库规划、模型构建、模型管理、成员组织、学生管理、学习交流等设计研发工作，实现了移动虚拟工程图学模型库的开发。初步应用实践表明，模型库可有效激发学生的学习兴趣、帮助学生合理利用学习时间和空间、提高学生的学习效率、提升学生的三维空间想象能力和综合创新能力。本篇论文阐述了该项研究中的理论方法部分。
 
关键词： 移动互联 虚拟交互 工程图学 模型库   教育教学论坛
中图分类号：TP391    文献标志码：A     文章编号：
 

工程图学是工科类各专业的一门重要的技术基础课，主要目的是培养学生的空间思维能力、工程图样的阅读与表达能力、创新设计能力。我校工程图学课程自1951年开设以来已有60多年的历史，是一门面向研究型大学建设的工科各专业重要的公共基础课程，经过了几代人艰苦执着的努力，特别是近十几年的辛勤耕耘，形成了自己的传统和特色，课程先后被评为国家级精品课程、国家级精品资源共享课程、江苏省高等学校在线开放课程。

一、信息技术与图学改革

传统工程图学教学中，为了反映由二维图形到三维形体、再由三维形体回到二维图形这个思维转换过程，老师们往往通过黑板上绘制的轴测图、模型挂图和实物模型等进行辅助，这些教学方法与教学手段很难生动、便捷、清楚、高效地完成模型的展示，且模型、挂图数量有限，容易损坏，管理效率低下，难以满足教师课堂教学和学生课后学习的需要。
计算机技术的迅速发展有效促进了工程图学教学方法和手段的改革，不少老师都开发出了计算机三维模型和三维动画^[1]，使工程图学课程的教学更加形象直观，易于学生理解、记忆。但这些三维模型往往依赖于一些PC端大型三维软件才能交互查看，其使用时空受到了很大局限；三维动画一般也只能按照预先设定的一些模型方位进行查看，失去了对模型查看及处理的互动性，使学生的思维发展受到一定限制。
随着移动互联、虚拟现实等技术的发展，邱龙辉、时晓明等^[2,3]基于OpenGL ES、lib GDX开发了基于Android平台的工程图学助教助学系统，使得学生可以使用手机等移动终端自由查看模型，突破了模型库的使用时空限制。但这类虚拟模型库系统往往存在以下问题：（1）不同移动终端的适应性不好，如基于Android系统开发的模型库应用很难移植到IOS系统上的I Phone手机、I Pad平板电脑等移动终端；（2）系统开发工作量大，模型查看、处理功能单一；（3）模型处理效果不好，使用中必须将CAD系统构建的三维数字模型转换为VRML、OBJ、STL等中间格式，导致模型数据量增加、显示效果下降。正是基于上述原因，这些模型库系统在实际的推广应用中还存在较大困难。
互联网/移动互联网与制造业的融合已经势不可挡，随着国家对工业4.0、智能制造、中国制造2025等一批规划战略的提出与实施，移动互联、虚拟现实、虚拟仿真等与现代工程图学密切相关的技术得到了迅猛发展。将这些最新的技术平台和开发成果及时、有效地运用到工程图学课程教学改革中，是切实可行且十分必要的。
“图纸通”是由新迪数字工程系统有限公司于2018年9月正式推出的一款云端看图、分享图纸、批注图纸、沟通图纸的技术交流软件，可有效应用到产品研发设计、生产制造、售后服务环节的技术交流工作中，软件全面支持IOS、Android系统下的多种手机、平板电脑等移动终端，可以无需转换而直接打开30多种3D模型和2D图纸，图纸通领先在全球开启了互联网+制造业的新纪元。“图纸通”免费开放的功能，可以满足移动工程图学虚拟模型库的开发与使用要求。“图纸通”所具有的不同移动平台的适应性、交互方式的一致性、模型查看处理的多功能性，可以有效克服本文前述的工程图学虚拟模型库开发应用中所出现的若干问题。

二、系统规划与模型管理

1 模型库开发与应用的总体思路

基于成果导向教育（Outcome Based Education, OBE）理念在1981年由Spady率先提出后，以惊人的速度获得了广泛重视和应用^[4,5]，美国工程教育认证协会全面接受了OBE的理念，并将其贯穿于工程教育认证标准的始终，2013年6月我国被接纳为“华盛顿协议”签约成员。用OBE 成果导向教育理念引导大学工程类专业教学改革，具有现实意义。2018年5月，我校机械工程专业接受并顺利通过了OBE工程认证，笔者作为本次工程认证工作组的主要成员，在专业认证工作过程中积累了一定的OBE认知和实施经验。工程图学移动虚拟模型库的开发与应用是基于OBE的工程图学教育改革中的一个重要环节。
本文移动虚拟工程图学模型库开发与应用的总体思路是：充分解读专业人才的培养需求，以专业人才培养目标为导向，以学生空间思维能力、图样阅读与表达能力、创新设计能力培养为出发点，以工程图学课程教学质量标准为依据，以提高教师课堂教学质量和学生课后学习效率为抓手，“四位一体”科学合理地规划模型库的开发，实现模型库的有效利用，并不断接受学生、教师、社会的对学生能力素质培养的反馈信息，持续改进移动虚拟模型库的开发。
为了满足专业人才培养目标和课程能力点培养，我们认真查阅并参考了机械工程类、安全工程类、矿物加工类、电气工程类、材料工程类、土木工程类等大类专业培养目标和培养方案，将各专业典型装备的零部件及中等难度的装配体加入虚拟模型库，如机械工程类专业加入齿轮泵、安全阀模型，安全工程类专业加入井下风机、风门模型，矿物加工类专业加入球磨机模型等，与各专业工程实践密切联系，综合培养学生工程图样阅读绘制及空间思维能力，提高工程素质、增强创新意识。

2 模型库中的模型管理

为了满足教师课堂教学和学生课后学习的需要，从工程图学课程体系入手，充分查阅、理解并遵循工程图学课程教学质量标准，模型库内容以李爱军、陈国平等^[6,7]编写的普通高等教育“十一五”国家级规划教材为主要参考，包括点线面及简单形体、平面立体及截切体、回转体及截切体、相贯体、组合体、常用机件、典型零件、典型装配体等。
为了提高模型库中模型的查阅效率，我们同时对模型库内众多模型按照教学形式进行了分类与编码，主要分为教材类模型（按照章节进行编码，如JC-01-01-**.PRT）、多媒体课件类模型（按照章节进行编码，如KJ-03-02-**.PRT）、习题类模型（按照页码和题号进行编码，如XT-P30-3-2-3.PRT）及综合实训类模型（按照综合实训内容进行编码，ZH-03-**.ASM、ZH-03-**.PRT）。

3 模型库的系统架构

根据模型库的总体开发思路，结合模型库功能、性能、安全、管理等方面的需求分析，本文系统地、科学地规划了移动虚拟工程图学模型库的系统架构，从数据层、软件层、设备层、功能层、用户层五个层面对系统的架构和逻辑关系进行布置，如图1所示。

图1 移动虚拟工程图学模型库系统架构

三、总结

本论文阐述了“移动虚拟工程图学模型库的开发与应用”教学改革成果的第一部分，主要探讨了人才培养理念、三维数字化、移动互联、虚拟交互等综合信息处理技术在工程图学课程中的应用，构建了移动虚拟工程图学模型库系统架构，为下一步实践应用奠定了良好的基础。进一步的内容可参阅本刊后续论文，移动虚拟工程图学模型库的开发与应用——实践应用篇。

参考文献：

[1] 孙海波,江晓红,姚新港等.三维 CAD 技术在工程制图截交线和相贯线教学中的应用[J].教育与信息化,2018（6）：133-135.
[2] 邱龙辉.基于Android平台的工程图学助教助学系统的研究与实现[J].图学学报,2016,37（6）：831-835.
[3] 邱龙辉,叶琳. 工程图学网络虚拟实验的研究与开发[J].实验技术与管理,2005（5）：83-85,89
[4] 邱龙辉,叶琳. 工程图学虚拟测绘模型系统的设计[J].工程图学学报,2007（6）：147-151
[3] 时晓明. 基于libGDX框架的3D模型库在Android中的实现[D].青岛：青岛科技大学硕士学位论文,2017
[4] Spady W G. Choosing Outcomes of Significance [J].Educational Leadership, 1994, 51(6): 18-22.
[5] 李志义,朱泓,刘志军等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J]. 高等工程教育研究, 2014(2): 29-34,70.
[6] 李爱军,陈国平,宋彦等.工程制图（第二版）[M].北京:高等教育出版社,2010.7.
[7] 陈国平,李爱军, 江晓红等.工程制图习题集（第二版）[M].北京:高等教育出版社,2010.7.