劉 琳，胡 強

（安徽省繁昌縣職教中心， 241200）

基于3DS MAX/Virtools的機電設備拆裝仿真實訓*

劉 琳，胡 強

（安徽省繁昌縣職教中心， 241200）

仿真實訓可以彌補實物實訓的不足。3DS MAX和Virtools技術在職業(yè)教育中的應用可以方便地創(chuàng)建三維仿真實訓的環(huán)境。本文以電機拆裝仿真實訓程序為例，系統(tǒng)地闡述了基于3DS MAX/Virtools技術實現(xiàn)機電設備拆裝仿真實訓的設計思路和相關技術。

Virtools；3DS Max；仿真實訓；電機拆裝

實訓是職校學生形成職業(yè)技能的重要環(huán)節(jié)。在理想狀態(tài)下，每位職校生都應該通過足夠的實訓設備與資源來練習技能，但是由于成本巨大、超出一般職業(yè)學校的承受力，這種理想狀態(tài)很難實現(xiàn)，而且實物實訓也有時間、場地、安全性等方面的約束，這些約束大大影響了學生實訓的效果。實踐證明，仿真教學和實訓能有效彌補實物實訓的不足，同時也可以改變傳統(tǒng)的職業(yè)教育模式，提高教學效果。教育心理學家曾對采用仿真教學和傳統(tǒng)教學進行比較實驗，結果表明仿真教學能使學生記憶約70%的內(nèi)容，而一般“教師講、學生錄”的教學，學生只能記憶30%的內(nèi)容。[1]因此大力推廣仿真技術在職業(yè)教育中的應用，顯然有著重要的教育意義。

一、Virtools仿真技術

仿真實訓不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可重復操作，直至得出滿意結果，[2]它應該具有沉浸性、真實性、交互性的特征。在當前多個仿真開發(fā)平臺中，Virtools以其可視化操作界面、獨特的編程模式成為出色的代表，在國內(nèi)的用戶群日益增加。

Virtools是法國工業(yè)軟件巨人達索系統(tǒng)集團研制的Web3D開發(fā)平臺，它提供了VRML所不具有的可視化場景編輯環(huán)境，極大減少了動畫交互的編程工作。它與3DS MAX的強大建模功能結合起來，能夠開發(fā)出具有逼真三維圖像和強大交互功能的桌面虛擬系統(tǒng)，為參與者生成諸如視覺、聽覺等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的感覺，是一種新發(fā)展的、具有新含義的人機交互系統(tǒng)。

從技術特點上看，Virtools本身不具備建模功能，但是它擁有各種建模工具的接口，運用諸如3DS MAX、Maya、AutoCAD等軟件強大建模能力所建立的三維模型，可以方便地轉換成Virtools的模型數(shù)據(jù)格式。它能對導入的模型進行強有力的腳本行為設計，實現(xiàn)對人機之間的視角、行為、數(shù)據(jù)以及架構交互。對于開發(fā)者而言，Virtools將復雜的程序代碼封裝到多個函數(shù)模塊（Virtools稱之為行為BB），用戶只需了解各個行為BB的功能便可使用而無需了解其內(nèi)部實現(xiàn)機理，大大降低了開發(fā)難度和減輕了開發(fā)負擔，這一特性非常適合職業(yè)學校教師根據(jù)自己實際教學開發(fā)相關的教學、實訓資源。同時，Virtools具有二次開發(fā)能力，對于高級用戶來說，可以自己進行代碼設計來生成具有特定功能的行為BB，以滿足更多的需求。另外，Virtools提供與數(shù)據(jù)庫的接口與服務器功能，是開發(fā)分布式仿真系統(tǒng)的理想選擇，它能將產(chǎn)品發(fā)布成Web格式，能夠與Moodle等網(wǎng)絡課程系統(tǒng)進行整合，便于學生通過網(wǎng)絡進行實訓學習。

二、基于Virtools的機電設備拆裝仿真實訓的設計流程與關鍵技術

機電設備的拆裝是中等職業(yè)學校機電專業(yè)學生必學的專業(yè)技能，這種技能的形成要以學生對設備構造以及拆裝步驟、技術要點的熟悉為基礎。但對于中職學生來說，復雜的設備構造圖往往讓他們迷惑，而且機電設備不足以及時間場地的限制，無法讓他們進行充分的實物學習和訓練。實踐和理論都能證明，如果學生能夠先借助于計算機了解機電設備的三維結構，并進行虛擬的拆裝訓練，顯然對提高后繼實物環(huán)境下的實訓效率和效果是有利的。

計算機實現(xiàn)機電設備仿真實訓應該避免設備結構的符號化，盡量提供給學生與真實設備相似的視覺信息與強有力的交互環(huán)境，使得學生在計算機仿真情景下模擬實際的機電設備的拆裝過程。用Virtools實現(xiàn)機電設備拆裝仿真實訓的步驟如圖1所示。

圖1 機電設備拆裝仿真實訓的設計流程

1.實訓目標分析

實訓目標分析既是整個設計的起點，也是最終目標。它決定著仿真模型的結構以及交互行為的具體操作，對全部設計的工作起著導向的作用。

2.仿真建模

仿真建模是利用三維建模軟件建立機電設備的模型，包括設備各個部件以及操作工具的建模工作。以3DS MAX為例，這個步驟包括利用多邊形建模、材質編輯以及模型格式轉換三個階段。在這三個階段中，多邊形建模是通過模型點、邊、面的處理，形成模型的立體形態(tài)，而材質編輯是通過物體表面紋理、顏色、粗糙度、反光度等特性的設置，產(chǎn)生模型表面的質感，最后再把MAX中生成的模型信息轉換為Virtools能識別的數(shù)據(jù)格式，從而能被導入到其中進行交互行為的設計。

3.交互行為設計

交互行為設計是根據(jù)實訓目標的分析結果，建立實訓具體行為步驟與計算機模擬操作之間的對應關系，包括如何實現(xiàn)計算機中工具模型的拾取、操作對象的界定、操做行為的選擇，實現(xiàn)場景視角變換，讓模型產(chǎn)生位移、旋轉、顯示、隱藏、接受參數(shù)等行為。

4.程序設計

對導入Virtools的各個模型進行程序設計，以實現(xiàn)先期所設計的交互行為。在Virtools中，程序的基本單位是行為模塊BB，這些行為模塊提供了程序流程的出入接口，以及輸入輸出參數(shù)，用戶只需設定正確的參數(shù)并將各BB按正確的順序連接起來，便可實現(xiàn)各種交互操作。在機電拆裝仿真實訓程序中主要用到以下五種BB：（1）基本動畫BB，用于模型與攝像機的各種動畫實現(xiàn)；（2）消息BB，用于鼠標、鍵盤燈操作信息的接收與傳遞，從而觸發(fā)基本動畫；（3）界面BB，用于控制模型與界面各要素的顯示方式與隱藏；（4）邏輯 BB，用于程序中的條件判斷與陣列數(shù)據(jù)的暫存提?。唬?）運算BB，用于程序中各種參數(shù)的運算以及格式轉換。

5.調(diào)試與仿真實訓

開發(fā)者需要對Virtools機電仿真拆裝程序進行調(diào)試，通過各組行為的測試驗證運行結果是否與實際一致并作程序修改，最終再用于職校生的仿真拆裝實訓。

三、一個實例——電機拆裝仿真實訓的實現(xiàn)

電機結構與拆裝是中職機電專業(yè)學生必須掌握的一項技能。教學實踐中，電機拆裝仿真實訓讓學生有反復練習的機會，能夠彌補電機資源的不足并突破時間場地的限制，從而提高了學生實際技能學習的效率。電機拆裝仿真實訓的設計思路是：在計算機上提供一個三維的電動機模型、相關工具和操作界面，學生用鼠標選擇相關工具和操作模擬電機拆裝。只有在選擇的順序和工具完全正確的情況下電機仿真拆裝才能完成，如果有錯誤將無法繼續(xù)操作并給出反饋。圖2為電機拆卸程序的界面。

圖2 電機拆卸仿真實訓程序界面

1.模型準備

在3DS MAX里將仿真實訓程序所需要的模型、工具制作好，其中電機各部分獨立建模，做好材質并進行貼圖烘焙后導出為Virtools所需的文件格式，放到資源庫里管理。

2.虛擬場景創(chuàng)建和交互界面設計

Virtools從資源庫中導入虛擬儀器，組成虛擬的實訓場景。利用Virtools的2D Frame制作交互接口，用于接受學生鼠標單擊以確定拆卸步驟順序。

3.交互程序設計

（1）交互界面控制

各種操作模擬需要通過單擊程序中相應按鈕來觸發(fā)。因為機電拆裝步驟較多，將各步驟相應的按鈕都放在界面上顯然不現(xiàn)實。借助于Virtools消息傳遞機制，程序窗口中只顯示“選擇”操作按鈕，單擊它才會將各種操作按鈕顯示出來以讓學生選擇。選擇按鈕的程序腳本如圖3所示。

圖3 選擇按鈕的程序腳本

（2）陣列設計與步驟判斷

本例設計了一個陣列，每步操作在陣列中都有一個邏輯判斷值。當單擊某個操作按鈕時，此操作按鈕的腳本程序首先從陣列中提取自己的值進行判斷，當值為真時意味步驟正確，可以觸發(fā)模型動畫，之后將下一個步驟在陣列中邏輯判斷之置真，而如果判斷的邏輯值為假，則意味著操作步驟錯誤，同時發(fā)送一個消息，使得錯誤反饋信息顯示出來。上述過程如圖4所示程序腳本實現(xiàn)。

圖4 邏輯值判斷腳本

（3）工具選擇和模型動作模擬

單擊工具模型表示選擇了此工具，同時發(fā)送一個消息給相應步驟按鈕的程序腳本，觸發(fā)由一系列旋轉、位移、曲線控制等BB控制與實現(xiàn)相關電機模型的拆卸動畫。例如拆卸皮帶輪的程序腳本如圖5所示。

圖5 模型動畫腳本

借助于以上Virtools行為模塊構成的程序腳本，可以實現(xiàn)操作步驟按鈕、錯誤反饋等信息的顯示與隱藏，有效地管理了界面空間，同時利用陣列工具和邏輯判斷來控制操作順序的正確性并用動畫模擬電機各部件的拆卸過程。最后將其發(fā)布為Web格式，學生在瀏覽器端便可進行電機拆卸的仿真實訓。由于電機裝配過程的程序腳本設計與本例類似，不再贅述。

四、結束語

通過3DS MAX與Virtools技術開發(fā)機電設備仿真實訓程序，具有簡單、高效的優(yōu)勢。在實踐中，既可以作為常規(guī)教學的演示之用，也可以由學生借助于網(wǎng)絡自主進行虛擬實訓。不過，學生的技能最終還是要通過實物實訓才能形成，這點是仿真實訓程序不能替代的，但是它對實物實訓的補充、促進作用是值得我們重視的。

[1]吳重光.仿真與教育[J].系統(tǒng)仿真學報,2005,17（6）.

[2]宋其華.虛擬現(xiàn)實在教育技術中的應用[J].當代教育科學,2006（7）.

（編輯：金冉）

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1673-8454（2010）19-0085-03

安徽省高等學校省級優(yōu)秀青年人才基金項目“中職校本仿真實訓教學資源的建設與應用研究”，項目編號2010SQRW115。