工程图学投影展开虚拟仿真系统的研究与实践.pdf

第2 5 卷第5 期2023年1 0 月工程图学投影展开虚拟仿真系统的研究与实践辽宁工业大学学报(社会科学版)Journal of Liaoning University of Technology(Social Science Edition)Vol.25,No.50ct.2023D0I:10.15916/j.issn1674-327x.2023.05.028曾红，王元昊，高秀艳(辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州1 2 1 0 0 1)摘要：为满足工程图学投影原理的教学基本需求，本文基于3 DMax、A d o b e Me d ia En c o d e r 染器等软件制作开发了一套投影展开虚拟仿真系统，系统主要包括正投影法的基本概念及特性仿真、点线面投影与展开仿真、立体投影及表面取点仿真、轴测图形成仿真、机件的常用表达方法仿真等模块。仿真动画内容全面形象，使单调抽象的投影展开的空间思维问题变得简单、直观。虚拟仿真系统在教学实践中实际运用效果良好，为工程图学的教学改革提供了参考。关键词：工程图学；正投影法；虚拟仿真实验中图分类号：G642.2国家中长期教育改革和发展规划纲要（2 0 1 0-2 0 2 0 年）指出：“信息技术对教育发展具有革命性的影响，教育信息化是新时代教育改革的发展趋势和必然要求。”1-2 工程图学课程是工科院校机类、近机类和非机类专业重要的技术基础必修课，该课程主要研究应用正投影法绘制与阅读机械工程图样的原理和方法。点、线、面、体的正投影法的投影基本原理和空间三面投影体系的展开方法是教学中的难点和重点。由于大学一年级学生空间形体的思维能力较弱，教师的语言和静态图示难以形象地表达投影的基本原理和展开的基本方法，教学单调枯燥 3 。本文基于3 DMax、A d o b e Me d ia En c o d e r 煊染器等软件 4-5 ，针对正投影法中点线面的投影与展开、立体投影及表面取点、轴测图形成，以及机件的常用表达方法等内容建立了工程图学投影展开虚拟教学仿真系统，可动画展示物体正投影的基本原理，以及投影生成后投影面与投影的展开方法。基于本系统开发的动画内容全面、形象，便于学生掌握投影和展开的基本原理，解决师生课前预习、课堂授课和课下复习过程中空间形象思维转换的困惑，可有效推动“互联网+”技术不断深入融合传统教学，丰富教学内容，寓知识性、趣味性、互动性于一体，促进学生和教师双向互动教学，提高教学质量 6-8 。收稿日期：2 0 2 2-0 4-1 3基金项目：辽宁省教育厅一流课程建设项目(2 0 2 1 1 3 0 1 9 3)；辽宁工业大学教学改革研究项目(2 0 2 0 7 3)作者简介：曾红(1 9 6 4-)，女，广东连平人，教授。文献标识码：B文章编号：1 6 7 4-3 2 7 X(2023)05-0111-04计与实现（一）系统的基本组成本系统是用于工程图学教学过程中投影展开原理演示的仿真教学软件，主要包括投影法的概念及特性仿真、点线面投影与展开仿真、投影变换的原理与方法、立体及表面取点的投影与展开仿真、轴测图形成仿真、机件的常用表达方法仿真等投影展开原理的动画仿真模块。（二）虚拟仿真系统开发平台系统的开发采用了3 ds Max、A f t e r Ef f e c t、Adobe Media Encoder 染器、Illustrator、Su b s t a n c ePainter、V r a y 煊染器等软件，其中最必要的是3 dsMax、A fte r Effe c t 和Adobe Media Encoder。在这些软件中，3 dsMax用于3 D动画制作；AfterEffect用于后期制作并添加提示语；AdobeMediaEncoder用于染和批量煊染输出视频；Illustrator是艺术类矢量软件，用于机械矢量二维图和数字媒体软件之间的衔接，将原机械二维图形导入数字艺术类软件；Substance Painter是全球高级三维材质设计软件，用于部分零件逼真的金属质感制作；Vray染器用于高质量的3 D动画顿序列输出 9-1 1。（三）虚拟仿真系统的开发步骤与方法1在课件动画的制作过程中，根据课件设计要求，在3 ds Max中进行场景建模、赋予材质、根据一、工程图学虚拟仿真系统的设112教学要求拍动画。材质区分度鲜明，不同动画中相似内容材质（如投影线颜色等）尽可能统一 1 2-1 3 。2.对于投影面，需要严格体现机械原二维图，需要将Auto CAD中的二维矢量图导入 Illustrator转换成Adobe系列数字媒体软件可以兼容的格式，让这些含机械图的图片或二维动画成为投影面的材质贴图 1 4。3在大多数情况下，场景的主零件模型为纯色（如黄色带光泽）即可。一些情况下，模型需要逼真的金属质感，需要将模型在3 dsMax中划分UV，在UVW编辑器中加以调节，将带UV划分的模型导出成*.fbx（A u t o d e s k 三维交换格式）输入到Substance Painter中详细绘制材质，将导出的Vray辽宁工业大学学报(社会科学版)贴图输入回3 dsMax的材质编辑器，这样就可以获得具有金属质感的材质。4染输出顿序列之后，将帧序列和所有所需素材输入到AfterEffect，剪辑并添加提示语等文字，如有需求，也可以对文字制作简单动画。5.最后AfterEffect中的所有内容调整好后，预览整个合成、自检。由于AfterEffect属于前期制作软件，一般不是输出视频，而是顿序列，所以需要将合成导出到Adobe Media Encoder染器进行视频的最终煊染输出，主要输出设置根据“HD1080p预设”改编，为1 9 2 0 1 0 8 0，2 0 Mbps，取消音频，时间插值采用光流法算法。经历上述过程即可得到课件三维虚拟仿真动画。系统的基本组成如图1 所示。工程图学投影展开仿真实验系统第2 5 卷投影法概念与特性仿真中心投影法正投影法概念斜投影法概念正投影特性积聚性、类似性、显实性视图的概念三视图形成二、虚拟仿真系统案例介绍（一）虚拟仿真系统的基本仿真过程“工程图学投影展开虚拟仿真系统”采用1 0 8 0p分辨率、1 0 5 0 Mbps码率、H264解码、MP4格式，知识严谨，内容清晰，兼容性极强，是学生辅助学习工程图学课程的理想选择。首先，播放视频，视频会呈现最基本的1 3 个投影面和所研究的几何体。然后，需要注意不同动画（如投射线粗细、投点、线、面投影与展开仿真点的三面投影般位置直线投影投影面的平行线（水平线、正平线、侧平线)投影投影面的垂直线（铅垂线、正垂线、侧垂线）投影般位置平面投影投影面的垂直面（铅垂面、正垂面、侧垂面）投影投影面的平行面（水平面、正平面、侧平面)投影图1 工程图学虚拟仿真系统的基本组成投影面上的视图及其辅助线的形成过程，帮助学生理解原理。多个视图形成完毕后，投影面逐渐展开为共面，视频中会保留视图和投影面上的文字，其他部分消失。最后，视角正视于展开后的投影面，保留相关的提示语。（二）典型仿真示例展示1.正投影的基本原理投影变换原理与方法仿真换面法基本概念点的一次变换变换V面、H面点的二次变换一般位置直线变换投影面平行线一般位置直线变换投影面垂直线倾斜面变换垂直面倾斜面变换平行面立体及表面取点投影与展开仿真棱柱的投影及表面取点棱锥的投影及表面取点圆柱的投影及表面取点圆锥的投影及表面取点球的投影及表面取点圆环的投影及表面取点在一些视频中，虚拟仿真系统会详细呈现各个轴测图形成仿真正等轴测图形成斜二轴测图形成显实性一机件常用表达方法仿真基本视图形成与展开向视图形成过程斜视图的概念剖视图的形成第三角画法射方式等）的建模标准尽可能统一。同一动画中投射光线抵达投影面后，会根据机械制图规则生成一个视图，并配置文字说明。文字说明主要表达点、线、面之间的位置关系。如图2 所示，已知线段AB和表达平面的三角形CDE都平行于投影面，将线段和平面向投影面投射，所得到的线段投影反映实长，所得到平面的投影反映实形。第5 期正投影特性显实性曾红等：工程图学投影展开虚拟仿真系统的研究与实践旗线AB/P面ACDEIP面113圆锥表面取点一辅助纬圆法辅助纬圆辽宁工业大学版权所有辽宁工业大版权所有(a)投射仿真正投影特性一一显实性(a）生成辅助纬圆仿真直线AB/P面ACDEWP面辅助纬圆法辅助纬圆法2童场影反减长平面投影反映实形辽宁工业大学租祝用券(b）生成投影，显示投影特性图2 正投影的基本特性-2.圆锥表面取点一一辅助纬圆法如图3 所示，已知圆锥及圆锥表面上的点M,用一个平行于水平面的面过M点，将圆锥截出一个圆（纬圆），同时也将圆锥的主视图、左视图截出了两条线。以纬圆和线作为辅助线，求M点在其他两视图上的投影。斜视图一一显实性仿真(b)求M点的投影仿真图3 圆锥表面取点一辅助纬圆法3.斜视图的形成过程斜视图属于一种“向视图”，当六个基本视图不能准确表达实形时，添加一个投影面，单独对特殊角度投影面进行投射即得到斜视图，如图4所示。（c）投影面与投影展开仿真斜视图俯视图改为科车耀水平投彩高部视图江宁工业大学版权所有辽宁工业大学版权所有（a）显示几何条件及投影问题（b）增加新投影面及投射仿真图4斜视图的生成程图学的教学改革提供了参考。三、结束语参考文献：本课题组研制开发的“工程图学投影展开虚拟仿真系统”已在工程图学的教学实践中得到了广泛的应用。已作为单独的虚拟仿真模块上传至学校的网络课程平台，学生可用手机或电脑随时随地进行课程的预习和复习实践。系统模块也插到了多媒体课件中供教师课堂教学使用。此外，基于仿真动画录制了知识点微课，通过二维码调用的方式纳入纸质教材体系 1 5 ，形成新形态立体化的教材，利于碎片化、泛在式教学的开展，符合移动互联网时代学生的学习心理与学习习惯。系统把原本单调抽象的投影和展开的基本原理变得简单、直观、通俗易懂，激发了学生的学习兴趣，丰富了教学内容，对推进工程图学课程的线上线下混合式教学起到了积极的推动作用 1 6 ，为工（c）投影体系展开得到斜视图平面图1中华人民共和国教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见 EB/OL.(2018-10-17)2022-02-20.http:/ J.大学教育，2 0 2 1(3):49-5 2.3蒋薇，门朝威。“双一流”背景下机械制图课程改革的几点思考 J.人才培育,2 0 2 1(2):1 1 8-1 2 0.4李芳，王轶，柳志丹，等基于3 DMAX的隧道工程施工动画建模研究 J.山西建筑,2 0 1 8,44(2 7)：1 6 4-1 6 5.5边丹.三维软件染器的优缺点比较 1 .芜湖职业技术学院学报,2 0 1 7,1 9(1):47-49.6杨彩霖.VR虚拟仿真实验系统的设计与实现 现代电114子技术,2 0 2 1,44(1 5):1 2 4-1 2 8.7沈超，付小莉，李卫超波浪运动特性虚拟仿真实验的探索与实践 .实验室研究与探索，2 0 2 1，40(7):180-184+194.8张宗波，王珉，吴宝贵，等。“线上+线下融合式”工程图学课程建设与教学实践 J图学学报，2 0 1 6，3 7(5):718-725.9闫汉生，曾峰，龙宇辉，等基于Unity3D的产品结构认知虚拟实验室的构建 .实验室研究与探索，2 0 1 7,36(8):117-121.10时代印象.3 dsMAX2012基础培训教程 M.2版。北京：人民邮电出版社，2 0 1 7:7 9-8 6.11吴金栋，任光辉，黄东键，等.基于虚拟仿真技术开展实践教学改革的研究与实践 .实验室研究与探索，2018,37(5):240-244.V2222辽宁工业大学学报(社会科学版)12常雅宁，彭钰珂，魏东芝，等虚拟仿真技术在酶工程实验教学上的应用 .实验室研究与探索,2 0 1 9,3 8(2):237-239+244.13常金光，顾若阳，孟丽丽，等基于Unity3D的机械设计基础虚拟实验平台设计 .机械工程师，2 0 1 7(2):95-97.14娄启业，程效军，谭凯基于AutoCAD和3 DMAX的建筑物三维建模 J.工程勘测,2 0 1 3(1 1):7 1-7 4.15曾红，工程制图 M.北京：北京理工大学出版社，2021:27-44+101.16曾红，高秀艳，陈鸿飞，等。画法几何及机械制图一流课程的建设与实践 辽宁工业大学学报(社会科学版),2 0 2 1,2 3(4):1 2 0-1 2 1.(责任编辑：付春玲)第2 5 卷(上接第 1 0 6 页)（二）推进实践育人，实现产学研融合产学研融合是培养创新应用型人才的重要渠道。通过建设虚拟教研室和实验室，提高外语专业学生的实操能力，并且融合其他专业知识，建设跨境实训平台。基于办学特色，结合国家教育发展方向，对接外语学科核心素养，探索以需求为导向的具有职业素养、语言能力、沟通能力和创新学习能力的“四强”人才 5 。（三）实施两个维度，完善课程体系一是从学科、课程、教学实践维度，向内而生地推进外语专业的课程建设；二是借助通识课程，实施全人教育的理念和学科交又的维度，向外而行地构建人文素养与科学精神相统一的课程体系。（四）建立完整的评价体系，指导课程教学对专业课程质量进行综合性评价，丰富课程内容资源，改进教学改革中的不足之处。借鉴当代教育理论，在高等教育国际化背景下，建立多元化的大学外语教学评价体系 。“新文科”背景下的外语人才培养是一个复杂的课题。针对学情及社会需求，在外语课程思政的宏观层面明确课程的知识、能力、素质和价值观目标，微观层面拓展和延伸专业知识的内涵和外延，按照学科融合、专业交叉的思路来实施人才培养模式的改革。这是“新文科”背景下高素质外语人才培养的必然要求。参考文献：1安丰存，王铭玉新文科视阈下的大外语观及学科建设内涵 J.外语研究,2 0 2 1(3):5 8-6 5.2郭英剑新文科与外语专业建设 当代外语研究，2021(3):29-34.3许明武，聂炜新。文科背景下外语专业“文文”融合模式的内涵、学理、路径与向度 J山东外语教学，2 0 2 3,44(2):7-16.4孟庆楠，罗卫华，曾罡新文科背景下国家级一流英语本科专业建设的探索与实践：以大连海事大学海事特色复合型外语人才培养模式为例 中国外语，2 0 2 2,19(5):4-12.5张生祥，杜尚睿社会需求导向的新文科英语师范人才核心素养及培养模式研究 西安外国语大学学报，2023(2):50-54.6蔡基刚高等教育国际化背景下的外语教学评价体系调整 外语电化教学,2 0 1 3(1):3-8.(责任编辑：付春玲）