《機械製圖》數字化模型教具系統建設

tags: 機械製圖    時間:2014-03-06 08:39:14
《機械製圖》數字化模型教具系統建設簡介
摘要:滿足《機械製圖》現代教育技術手段的需要,開發《機械製圖》課程數字化模型教具系統,使在多媒體教學環境下教學手段得到一些必要的補充。彌補空間想象力、抽象與具體聯繫之間的不足。 關鍵詞:……
《機械製圖》數字化模型教具系統建設正文
摘要:滿足《機械製圖》現代教育技術手段的需要,開發《機械製圖》課程數字化模型教具系統,使在多媒體教學環境下教學手段得到一些必要的補充。彌補空間想象力、抽象與具體聯繫之間的不足。
關鍵詞:現代教學技術,數字教學模型,控制播放
引言
    《機械製圖》板書形式教學中大量使用的輔助教學手段,如:挂圖、幻燈、影視、實物、模型等,這種方式延續了很長時間,並已經非常成熟。隨著計算機技術的發展和普及,多媒體教學形式得到了長足的發展,已經成為課堂教學的主導形式。
兩種教學形式相比較,計算機多媒體技術的優越性不言而喻。如挂圖、幻燈圖片和影視圖像方面優越性非常顯著。這些資源目前可以有多種方法得到,如採用攝影、掃描、錄像等技術形成。但也受一些因素的制約也存在著一些不足,例如,實物和模型等教具的使用,尚有一定差距。
為彌補在教學過程中諸如模型、實物等輔助教具,或帶入教室不便利,或在多媒體教室內因環境產生效果不理想。建立一整套數字化的教具模型替代實物模型顯得必不可少了。
隨著多媒體技術的發展,利用計算機技術建立數字化的3D動態模型,目前在一些領域中是成熟的技術。如影視廣告、3維動畫片、3D動態模擬等。那麼,利用這些技術建立《機械製圖》中的教學模型或機器零、部件模型是切實可行的,已經不存在問題。
目前不少同行在這方面也有建樹,但是只有少量模型的建立和使用,還沒有形成系統或規模。
系統構想與解決思路
1.1 系統構想
    類似《機械製圖》教學中使用的實物教具模型,建立一個程序系統。系統內包含內容涵蓋較廣的、數量充足的仿實物數字教具模型;另外建立一個播放界面,這個界面是可以操控的以便配合課堂教學中教師的講學進程。
1.1.1 數字模型
    建立的數字模型要能夠配合《機械製圖》教材的課堂教學使用,滿足教學中所使用各方面內容。涵蓋從基本立體到裝配體的各個部分,內容相對全面,既有典型又兼顧多數版本教材。
    這套教具數字模型要能夠反映出教學中應表達實物的內外結構。如:組合體、標準件常用件、裝配體的外觀、內部結構;大體反映機件、零部件的表達方法、原理、形成方式。如:截交線的形成、組合體的形成、剖切的形成及剖切方法等。
1.1.2 表達方式
    對於建立的數字模型,如同實物模型一樣應能夠清楚地反映該模型在教材中的內容體現和其要表達的目的。能夠清楚、直觀地展現模型應出現的視角、結構、景象。
    例如:表達截交線的形成,在所建立的模型上如何利用平面切割基本立體形成截交線;相貫線的形狀與組成相交立體表面形狀之間的關係;剖切中,機件剖切前後的各主要視角結構、內外結構的表達;一些典型零部件的功用、工作原理等。
系統中還應有直觀地表達一些通常不太能夠接觸到的零、部件作為補充。
1.2 解決思路
    多媒體技術是計算機應用方面的綜合技術,建立《機械製圖》數字模型系統不可能採用一種軟體來建立。因此,建立該系統需要一種能夠建立3D模型的軟體系統;能夠形成3D動畫視頻製作的軟體和視頻製作編輯系統。要達到能夠實現模型播放的可控制操作,則需要建立一個獨立的系統播放界面系統。
1.2.1 模型系統的建立
    建立3D模型和動畫的軟體目前有很多。考慮到機械零、部件的特點(主要是材質的渲染),本系統使用AutoCAD和3Dsmax軟體作為基礎軟體來實現的。一些特殊的零件結構使用AutoLISP語言建立。
    模型的動態表現和動畫形成使用3Dsmax來建立,使其形成AVI視頻文件或片段。後期的製作完成視頻片段的編輯,組成一個播放電影則是使用adobe公司的Premiere軟體進行編輯。這樣即方便操作又兼顧文件的容量。
1.2.2 播放系統的設計
    考慮到教師對模型播放的使用操作及一些教師對計算機操作的熟練程度,這個操作界面必須簡便,可操縱較好。同時,播放系統應能夠達到系統整體的功能要求,即,所播放出的模型效果要迎合教師授課對模型的使用、講解、演示、視角展示等場景。播放系統是自行設計的。
系統的設計和模型製作
2.1 模型的建構
    機械製圖中使用模型作為教具是課程的內容的補充。是幫助學生建立空間想象能力、對空間實物有直觀的概念和感性認識;使學生尚未具備工程實踐的背景下對於機械零、部件的原理、結構和作用的了解,培養學生的想象力;也是教師為更好表達所講內容必不可少的道具。因此,建立的模型應能夠反映教材內容中相應內容的真實、客觀的實物形體。
2.1.1 模型的表達設定
    本系統中的模型選材主要面向製圖教材中經常列舉的立體模型和需要使用立體來表達或說明的實例,還有一些是典型作業的補充模型。建立的模型在表達方式上,根據特定的模型在教授該內容上要能夠體現其結構與內容的特點。
    例如:基本體、組合體的表現應表達該形體的特徵和各個方向的視角投影;平面與立體、立體與立體產生的交線有反映交線的形成過程,變化過程,交線形狀隨視角的變化;組合體的組合的基本形態,滿足投影體系所需要的觀察視角;剖切的構件需要在內外結構上有特殊的表達、表現方式及剖切的過程等等。在模型的表達視角上、內容上應設置特定表現軌跡來達到要求。例如:一個形體的剖切,在設置動畫時,首先表達其外觀結構和要剖切的部位,再表現剖切跡線上展現出剖切形成過程和剖切后突出表達該部位,以利於教師講解和學生觀看。
    圖1為用於表現上箱體局部剖切的模型。通常需要表達該零件頂部的方孔、壁厚、內部形狀及結構和前面的凸台、圓孔等。按照表達思想,該模型的表現為:箱體整體各方向視角,如圖1所示;前面圓孔部位的動態剖切及俯視角,如圖2(a)和(b)所示;頂面方孔部位的動態剖切及主視角,如圖3(a)和(b)所示。
上箱體模型
    
(a)                     (b)
圓孔的剖切和俯視角
 
(a)                       (b)
方孔的剖切和主視角
2.1.2 模型色彩的使用
    在模型的色彩方面,多數與實物模型相類似,恰當的色彩應用將提升模型的感觀效果。大多數模型採用類似木質模型相仿的顏色;對於機械零件模型的色彩,充分利用3Dsmax軟體中豐富的“材質”功能形成逼真的材質來體現金屬材料;裝配體中,用不同的顏色區別各組成該部件以便於觀看、區分。立體交線形成採用不同顏色立體交匯;截交線以不同顏色突出截平面等。
2.2 播放系統界面的設計構建
    許多軟體都可以用來播放視頻文件。但是,對於課堂教學來說,要使模型能夠配合教師的教學,同時還須考慮到操作要簡便、簡捷,整個系統文件的容量還不要太大等,否則會與本系統建設初衷不符合。
2.2.1 播放界面功能的設計
    考慮到多數人使用計算機過程中操作的習慣和教學內容的安排要求,以Windows界面形式布置;由可視化程序語言設計。圖4為系統播放界面,界面分五個區。
系統播放操作界面
    下拉菜單:調用模型播放文件。操作時“照單點菜”。
    播放窗口:播放模型的視屏窗口。
    播放列表:存儲用戶備課時選用的模型文件。
    操作區:實施播放操控。由一組播放控制按鈕和“操縱滑桿”組成。
    狀態區:描述包括所調用的模型提示、描述等。
2.2.2 播放界面主要功能操作
    具備的可操控播放和內容組織功能是本系統的兩個特點。
設置的“操縱滑桿”是為了配合教師的講課內容。拖動“操縱滑桿”到適當的位置,即可將模型的播放時段停留到模型文件該位置的“時間幀”上,從而表現應有的觀察視角。這一功能在零件的剖切表達中顯得最為優越。因為,有時侯我們需要表達同一個機件的多方面、不同部位、不同位置的剖切。實物模型中是無法表現的。實物模型如果要這樣做將會“散架”,或需要用幾個相同的原體來實現;而本系統模型則不會。
播放列表功能可方便於教師備課。界面中的“刪除”、“清空”兩按鈕用於組織和整理文件;系統中設計了一個系統配置文件MRmodel.ini。這個文件在系統關閉后自動保留文件信息。若教師備課和授課時使用的不是同一台計算機,可以事先在備課機上選好模型,退出系統后將本系統目錄中的MRmodel.ini文件複製到授課機中相同位置即可實現所選內容的播放,達到備課預選內容的目的。
結束語
    本系統中還設有如系統“功能簡介”、“操作指南”和“模型速覽”等。“操作指南”詳細介紹了系統使用的各項操作;“模型速覽”則是將動態模型以靜態圖片的形式用Web功能形式瀏覽。方便用戶查閱模型和對應內容的組織。
《機械製圖》教具模型的開發目的是為了適應現代教育技術手段的發展需要。特別是對於傳統教學模式已經習慣成定勢的課程,特別是《機械製圖》這樣的課程對於沒有任何工程背景、對工程零、部件從未接觸的大學新生而言,既要理論又要實際,對於這類理論與實踐結合緊密的課程,在現代化的課堂中構建合適的學習環境,增進感性認識的手法、手段是必不可少的,也是非常重要的。
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