谷艷華， 朱艷萍， 楊得軍， 付 恒

(1. 吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2. 吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012)

用于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的虛擬仿真交互式課件研究

谷艷華1， 朱艷萍1， 楊得軍2， 付 恒1

(1. 吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2. 吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012)

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)急需交互式課件。利用CATIA建立機(jī)械產(chǎn)品的虛擬模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)器拆裝和工作過(guò)程的虛擬仿真。將虛擬仿真制作動(dòng)畫視頻后嵌于具有交互性的 Flash軟件中，生成可在網(wǎng)絡(luò)上使用的虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)課件。也可以將CATIA虛擬模型直接導(dǎo)入到3DVIA Composer軟件中，制作虛擬仿真課件。兩種方法制作的課件方便學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上自主學(xué)習(xí)。

機(jī)械設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)交互課件；虛擬仿真動(dòng)畫；Flash；3DVIA Composer

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，不斷涌現(xiàn)的共享課程、網(wǎng)絡(luò)課程、慕課、微課等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的形式深受教師和學(xué)生的喜愛。如何將包含抽象思維和形象思維的工程圖學(xué)課程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)[1]；如何引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，從尺寸、時(shí)間和成本 3個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生立體構(gòu)型過(guò)程的創(chuàng)新思維[2]；教師在工程圖學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中如何進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)資源準(zhǔn)備等，都值得每位師者深思，除了準(zhǔn)備優(yōu)質(zhì)視頻資源之外，制作網(wǎng)絡(luò)交互式課件是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)迫切的任務(wù)[3]。開發(fā)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的虛擬仿真交互式課件的目的是呈現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的虛擬仿真過(guò)程和實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主操作學(xué)習(xí)內(nèi)容。

CATIA軟件功能強(qiáng)大，除了可實(shí)現(xiàn)虛擬三維建模外，內(nèi)嵌的DMU模塊還可實(shí)現(xiàn)虛擬拆卸和裝配、虛擬運(yùn)動(dòng)仿真等功能，并可生成虛擬動(dòng)畫以展示產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、拆裝過(guò)程、工作原理等。新穎直觀、全方位的展示，幫助缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生建立起零部件空間的形狀，并在沒有實(shí)體或

實(shí)體展現(xiàn)不清楚的情況下，通過(guò)虛擬動(dòng)畫理解零部件內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系以及工作原理等內(nèi)容。但目前的現(xiàn)狀是工科院校老師更多地將其應(yīng)用于課件之外，單獨(dú)的由桌面打開CATIA軟件來(lái)進(jìn)行演示。該現(xiàn)場(chǎng)演示的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，操作繁復(fù)，不便于課堂與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。因此本文重點(diǎn)討論CATIA內(nèi)嵌于Flash制作網(wǎng)絡(luò)交互課件和CATIA導(dǎo)入 3DVIA Composer后制作的網(wǎng)絡(luò)交互課件的制作方法。

1 CATIA嵌入 Flash交互課件的必要性

Flash制作的交互課件越來(lái)越多地應(yīng)用于教學(xué)中。Flash擁有強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，通過(guò)其按鈕、腳本等功能可實(shí)現(xiàn)課件中文本、圖片、音頻、視頻之間的任意跳轉(zhuǎn)，方便交互使用。其次，F(xiàn)lash可設(shè)計(jì)出精美的UI界面，制作者可通過(guò)背景選取、頁(yè)面編輯、頁(yè)面排版等設(shè)計(jì)出符合美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的課件界面。Flash雖擁有強(qiáng)大的制作動(dòng)畫功能，但三維動(dòng)畫的制作與達(dá)索公司開發(fā)的CATIA軟件相比操作過(guò)于繁瑣，且制作出的三維立體動(dòng)畫無(wú)論從尺寸精確、材料渲染還是整體效果上都不及CATIA生成的動(dòng)畫方便和生動(dòng)。

通過(guò)CATIA制作的三維虛擬仿真動(dòng)畫，并充分發(fā)揮CATIA制作三維立體、虛擬仿真的優(yōu)勢(shì)。將錄制或輸出的動(dòng)畫經(jīng)過(guò)剪輯修飾后輸出視頻，直接加載于Flash中，與按鈕和動(dòng)作腳本相結(jié)合可制作交互式課件[4]。這種展示三維虛擬仿真動(dòng)畫的交互式課件利于師生在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式下使用。

CATIA和Flash的結(jié)合，避免了使用Flash制作動(dòng)畫的繁瑣，借助于Flash中強(qiáng)大的功能命令使得CATIA三維虛擬仿真視頻資源得到高效、快捷的應(yīng)用。Flash具有文件壓縮比高，文件所占內(nèi)存小，畫面質(zhì)量清晰、傳輸速度快等特點(diǎn)。例如1.62 M的WMV視頻文件在轉(zhuǎn)化為FLV格式后只占用512 K的空間，這樣的網(wǎng)絡(luò)交互式課件有利于教學(xué)資源的共享以及網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的實(shí)施[5-6]。

2 制作減速器的虛擬仿真

CATIA中DMU模塊除制作虛擬拆裝外，還能做機(jī)構(gòu)工作原理的模擬仿真，這里以工程圖學(xué)教學(xué)中典型的機(jī)械產(chǎn)品減速器為例介紹其工作原理虛擬仿真的制作過(guò)程。

2.1 減速器零件建模

在CATIA零件設(shè)計(jì)模塊下，使用草圖和零件設(shè)計(jì)中的命令建立減速器包括標(biāo)準(zhǔn)件在內(nèi)共35個(gè)零件的虛擬模型，如圖 1所示。為后續(xù)減速器機(jī)構(gòu)的拆裝、工作原理虛擬仿真做準(zhǔn)備。

圖1 減速器零件模型

2.2 減速器機(jī)構(gòu)建模

進(jìn)入減速器裝配設(shè)計(jì)模塊，導(dǎo)入組成減速器的35個(gè)零件模型。使用操作和約束等命令實(shí)現(xiàn)零件間的裝配關(guān)系。圖2為減速器機(jī)構(gòu)。

圖2 減速器

2.3 齒輪副的設(shè)置

2.3.1 虛軸與齒輪

CATIA齒輪副運(yùn)動(dòng)時(shí)需各繞一個(gè)已存在的軸線旋轉(zhuǎn)，即先確定齒輪的旋轉(zhuǎn)軸。要求齒輪副的兩條軸線在一個(gè)零件幾何體下建立，兩軸線之間的距離等于兩齒輪間的中心距。這兩條線以直線元素存在，只做齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)軸，此軸線被稱為虛軸。實(shí)現(xiàn)齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)虛擬仿真的條件，必須在裝配設(shè)計(jì)模塊下將兩虛軸分別與主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪軸線相合。

2.3.2 齒輪固連

在減速器機(jī)構(gòu)中，主動(dòng)軸與主動(dòng)齒輪是一體的，從動(dòng)軸與從動(dòng)齒輪之間通過(guò)鍵剛性連接。仿真前要求在從動(dòng)齒輪與鍵之間，鍵與從動(dòng)軸之間分別添加剛性結(jié)合。通過(guò)剛性結(jié)合命令，使從動(dòng)軸與從動(dòng)齒輪間實(shí)現(xiàn)固連。滿足從動(dòng)齒輪與從動(dòng)軸之間剛性連接后，主、從動(dòng)軸之間方可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。

2.3.3 添加齒輪副

實(shí)現(xiàn)齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)，必須在主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪之間添加齒輪副。齒輪副是指分別確定兩齒輪的旋轉(zhuǎn)軸，并且固定兩齒輪。指定齒輪旋轉(zhuǎn)軸，即分別將已定義好的虛軸(一個(gè)零件幾何體下的兩條直線)作為齒輪的旋轉(zhuǎn)軸。固定齒輪即固定齒輪與虛軸的位置，通過(guò)固定主、從動(dòng)齒輪的基準(zhǔn)平面與虛軸的基準(zhǔn)平面的位置關(guān)系來(lái)保證。

2.3.4 定義兩齒輪傳動(dòng)比和旋轉(zhuǎn)方向

通過(guò)選中主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的分度圓，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成兩分度圓半徑的值并計(jì)算出兩齒輪傳動(dòng)的比率，即傳動(dòng)比。實(shí)現(xiàn)齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)，還需定義齒輪嚙合的旋轉(zhuǎn)方向，減速器機(jī)構(gòu)要求兩齒輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)方向設(shè)置為相反。

2.4 運(yùn)動(dòng)仿真及仿真視頻錄制

完成以上齒輪設(shè)置后，運(yùn)動(dòng)副也創(chuàng)建完成。這時(shí)虛軸的自由度為1，即自由度只有虛軸的旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)在主動(dòng)齒輪上施加驅(qū)動(dòng)角度后，系統(tǒng)則會(huì)提示可以進(jìn)行機(jī)械裝置的虛擬仿真。

運(yùn)動(dòng)虛擬或編輯虛擬時(shí)，需選中齒輪作為設(shè)定完成的“機(jī)械裝置”，并編輯虛擬為自動(dòng)插入，然后拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)虛擬對(duì)話框的滾動(dòng)條，則減速器機(jī)構(gòu)內(nèi)部主、從動(dòng)齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)過(guò)程即被記錄下來(lái)。完成編輯虛擬后，結(jié)構(gòu)樹上將生成“虛擬”特征。

對(duì)于減速器機(jī)構(gòu)嚙合運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真視頻動(dòng)畫可使用CATIA系統(tǒng)中自帶命令錄制完成，也可使用錄屏軟件完成。

3 仿真視頻嵌入Flash

3.1 CATIA視頻的導(dǎo)入

將CATIA軟件生成的減速器虛擬仿真視頻導(dǎo)入 Flash軟件中。Flash軟件對(duì)導(dǎo)入的視頻文件格式要求為FLV格式，文件導(dǎo)入前需使用轉(zhuǎn)碼器對(duì)視頻文件進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，將其轉(zhuǎn)換為FLV文件格式，再通過(guò) Flash軟件中的文件導(dǎo)入導(dǎo)入視頻命令導(dǎo)入，其中在導(dǎo)入視頻界面中選擇“在 SWF中嵌入FLV并在時(shí)間軸中播放”選項(xiàng)。此種方式導(dǎo)入的視頻允許用戶后期編輯加工。

導(dǎo)入仿真視頻后通過(guò)對(duì)齊命令可對(duì)視頻界面進(jìn)行大小和位置的修改。在對(duì)齊命令下選擇“與舞臺(tái)對(duì)齊”、“匹配寬和高”、“與舞臺(tái)居中對(duì)齊”命令可使視頻在播放時(shí)實(shí)現(xiàn)全屏顯示。

同樣音頻文件也可根據(jù)視頻的內(nèi)容嵌入到Flash軟件中。

3.2 添加控制按鈕

視頻導(dǎo)入到Flash中，以24幀/秒的速度置于時(shí)間軸上。若視頻中需要添加控制按鈕，需在關(guān)鍵幀上選用庫(kù)中的按鈕或定制按鈕，然后將動(dòng)作腳本命令添加給按鈕實(shí)現(xiàn)控制動(dòng)畫的播放。腳本如下：

on (release) {play();}；//播放

on (release) {stop();}；//暫停

on(release) gotoAndPlay();};//前進(jìn)或后退到指定幀

3.3 添加文字

在時(shí)間軸的關(guān)鍵幀上添加文字實(shí)現(xiàn)視頻播放過(guò)程出現(xiàn)解釋文字。首先在時(shí)間軸的操作面板中新建圖層，注意文字圖層要置于視頻圖層的上方，然后通過(guò)移動(dòng)時(shí)間軸指針預(yù)播放視頻，以找到開始添加文字的時(shí)間點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的視頻時(shí)間點(diǎn)處、合適位置添加相應(yīng)文字。零件模型及其文字效果如圖3所示。

圖3 Flash中的文字

3.4 添加畫中畫

教學(xué)過(guò)程中為了達(dá)到局部對(duì)比的效果常常需要多個(gè)視頻同時(shí)播放，或者整體播放的同時(shí)需要局部?jī)?nèi)容放大播放，通過(guò)Flash軟件便可輕松實(shí)現(xiàn)。以局部放大圖為例，首先借助于CATIA軟件以及錄屏軟件錄制整體視頻和局部放大視頻，然后將兩視頻在編碼后加載到Flash界面中，再通過(guò)設(shè)置兩視頻界面的大小、位置，實(shí)現(xiàn)整體視頻全屏播放的同時(shí)，還播放局部放大視頻，從而達(dá)到畫中畫的效果。

4 制作齒輪油泵3DVIA Composer交互課件

3DVIA Composer 是桌面創(chuàng)建系統(tǒng)，其支持CATIA 和其他的三維模型的數(shù)據(jù)。3DVIA Composer具有方便創(chuàng)建生產(chǎn)過(guò)程所需的交互式文檔，同時(shí)可方便快速地創(chuàng)建裝配、拆卸以及工作過(guò)程模擬仿真。

4.1 建立3DVIA Composer模型

3DVIA Composer可讀取CATIA三維模型數(shù)據(jù)，包括裝配模型的數(shù)據(jù)。如圖4所示導(dǎo)入齒輪油泵零件和部件。在3DVIA Composer配選項(xiàng)中可在圖4對(duì)話框的左側(cè)進(jìn)一步控制零部件顯示或隱藏。

圖4 齒輪油泵CATIA模型導(dǎo)入3DVIA Composer

4.2 動(dòng)畫制作

在圖 5所示的時(shí)間軸上，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的腳本使用創(chuàng)建視圖命令創(chuàng)建關(guān)鍵幀的視圖。各關(guān)鍵幀的視圖是動(dòng)畫中必須展示的內(nèi)容，如圖 6和圖7是時(shí)間軸上的視圖2和視圖3。時(shí)間軸上視圖2變化到視圖3的過(guò)程就是柔性拆卸平鍵的過(guò)程，拆卸的速度與時(shí)間軸上的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，所以腳本設(shè)計(jì)應(yīng)包括各鏡頭視圖的內(nèi)容和時(shí)間長(zhǎng)短。

圖5 時(shí)間軸

圖6 視圖2

圖7 視圖3

3DVIA Composer中可編輯時(shí)間軸中關(guān)鍵幀的視圖。3DVIA Composer對(duì)導(dǎo)入的零件可進(jìn)行材質(zhì)、剖切、透明處理、添加標(biāo)識(shí)、文字說(shuō)明等操作，當(dāng)然也可創(chuàng)建交互事件，設(shè)置環(huán)境參數(shù)等。

當(dāng)導(dǎo)入的源文件發(fā)生變化，3DVIA Composer可更新相應(yīng)關(guān)鍵幀上的視圖及生成的動(dòng)畫，無(wú)需再重新制作動(dòng)畫，使制作變得容易。

5 網(wǎng)絡(luò)課件的生成

Flash和3DVIA Composer交互課件都可以輸出多種標(biāo)準(zhǔn)文件格式，其中 Flash可輸出 SWF、HTML、EXE等，3DVIA Composer可輸出PDF、HTML、EXE等。兩者所生成的.EXE文件是獨(dú)立的可執(zhí)行文件。圖8是Flash生成的千斤頂網(wǎng)絡(luò)交互課件，圖9是3DVIA Composer生成的齒輪油泵中齒輪和軸套配作加工油孔的網(wǎng)絡(luò)交互課件。圖8 是Flash輸出的SWF文件的一個(gè)界面，其中 “拆卸”、“裝配”、“工作原理”、“作圖易錯(cuò)點(diǎn)”等文字是各單元的按鈕，學(xué)生可自己控制學(xué)習(xí)內(nèi)容。圖9 是3DVIA Composer輸出的.EXE交互文件，其中各視圖是演示各段動(dòng)畫的按鈕，文件中也有控制整體動(dòng)畫播放的命令按鈕。

圖8 Flash千斤頂課件

圖9 3DVIA Composer油孔加工課件

6 結(jié) 論

無(wú)論CATIA制作的三維虛擬仿真動(dòng)畫內(nèi)嵌于Flash，還是CATIA模型輸入到3DVIA Composer，兩種方法制作的交互課件都可用于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，形象細(xì)致地展示學(xué)習(xí)內(nèi)容。交互課件既充分發(fā)揮了CATIA強(qiáng)大的三維建模、虛擬仿真功能，又發(fā)揮了Flash和3DVIA Composer強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)交互功能。

吉林大學(xué)工程圖學(xué)慕課教學(xué)已經(jīng)運(yùn)行近兩個(gè)學(xué)年，教師團(tuán)隊(duì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的特點(diǎn)，制作了包括千斤頂裝配和齒輪油泵工作原理在內(nèi)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)交互課件，深受學(xué)生的喜愛。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)課件應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果。滿足了學(xué)生在時(shí)間和空間上自主選擇、控制學(xué)習(xí)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，滿足了學(xué)生個(gè)體差異性的需求。

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The Research on Interactive Courseware of 3D Simulation for Online Courses

Gu Yanhua1, Zhu Yanping1, Yang Dejun2, Fu Heng1

(1. The School of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun Jilin 130012, China; 2. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun Jilin 130012, China)

There is a great demand for interactive multimedia courseware for online courses. The CATIA is used to generate component models of mechanical products, and the assembling, disassembling and operating processes are simulated. The simulation animations are embedded into Flash programs to develop interactive courseware which can be controlled step-by-step by students on web. Another method is to import CATIA component models to 3DVIA Composer to create interactive animated courseware. Both methods are able to generate interactive online courseware that can be conveniently accessed and controlled by students to promote active and independent study.

mechanical design; interactive online courseware; simulation animation; Flash; 3DVIA Composer

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2016040545

A

2095-302X(2016)04-0545-05

2015-11-21；定稿日期：2016-01-06

吉林大學(xué)慕課建設(shè)項(xiàng)目；吉林大學(xué)網(wǎng)絡(luò)精品課建設(shè)項(xiàng)目；吉林大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)項(xiàng)目

谷艷華(1963–)，女，吉林四平人，教授，本科。主要研究方向?yàn)槿S建模、虛擬仿真。E-mail：guyh@jlu.edu.cn

楊得軍(1965–)，男，吉林長(zhǎng)嶺人，研究員，碩士。主要研究方向?yàn)槠噭?dòng)態(tài)仿真與控制。E-mail：yangdj@jlu.edu.cn