虚拟工程现场教学模式的探索_课堂教学模式的探索
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工程学科虚拟现场教学模式的探索
李 哲
(沈阳师范大学工程学院 辽宁 沈阳 110034)摘要：本文对虚拟现场制作工具进行了简单的比较；介绍了ACROBAT3D的特点；通过实际例子探讨了虚拟现场教学模式的实现过程；最后对这一教学模式进行了反思。关键词：虚拟现场、U3D、PDF、动态交互
中图分类号：G434
文献标识码：A
随着对教育投入的加大，各级院校现代化教学设备、设施不断完善，现代化教学手段也不断丰富，教学形式和教学效果不断提高。但在教学中常存在这样两个问题：第一，过分强调制作课件、采用多媒体教学，每个教师都在制作课件，但课件在实际教学过程中并没有达到理想的效果。理论来源于实践，对理论的学习需要亲身去体验、去做。发达国家采用的现场教学、实景教学都是要达到这一目的。第二，过分强调实习、实训，这样造成教学成本提高。学生需要理论联系实际的教学活动，需要具体运用专业知识，并在实践过程中进一步拓展和深化专业知识，使职业技能熟练化。但是，现在学生实践活动的现状不容乐观，先进设备、先进技术学生无法接近。各院校实践条件远远满足不了由于“扩招”带来的压力。生产技术发展越来越快、设备越来越先进、越来越昂贵，学校不能全部购买，又与企业联系不紧密，学生实践条件不充分也得不到保证。这大大限制了学生实际动手能力的提高。
虚拟现场教学模式就是为解决这样问题而设计的。虚拟现场教学模式是“情景”教学在工程学科的具体实现，它综合运用了三维建模技术、多媒体技术、虚拟现实技术。
一、虚拟现场教学环境制作工具的比较
在2006年2月ADOBE公司发布ACROBAT3D以前，教学课件制作中常用到的桌面级虚拟现实技术主要有WEB3D和虚拟全景。WEB3D是用于网络环境的实时三维技术，虽然号称大众化的三维技术，但是由于学习起来困难，制作难度较大。虚拟全
景是基于摄影的虚拟现实制作技术，作品为实景拍摄的全景照片，可用 WEB浏览器进行三维互动浏览。它不同于WEB3D采用计算机生成的图像建立三维模型，而是利用实景照片来建立虚拟环境，用户看到是由实地拍摄的全景照片形成的真实场景，让人高度体验身临其境的感觉。[1]但它不能提供对三维模型的交互。
U3D标准是3DIF组织发布的一个开放可扩展的标准，旨在创建一种能够像JPEG用于静态图像那样的、可以免费获得的3D数据编码方式。ADOBE公司通过把Right Hemisphere的3D视窗技术整合进入ACROBAT3D，从而支持U3D标准，使用户能够像在2D元素上工作一样观看和改变PDF里的3D元素。
ACROBAT3D有以下特点：
1.ACROBAT3D支持U3D标准，可以在PDF文档实现虚拟现实技术。
利用ACROBAT 3D软件，工程设计人员能够更容易地将各种计算机辅助设计模型插入到文件中，还增强了文档中对象的交互性。把创建的三维设计模型连同静态、二维图像一起集成到文档中，从而把虚拟现实技术与设计文档完美结合。
2.ACROBAT3D提供了可靠的安全机制，提供了对多媒体的支持。
它充分利用了ADOBE公司的PDF（Portable Document Format）文件格式的优点。可以将文字、字体及独立于设备和分辨率的图形图像等封装在一个文件中，可以包含超文本链接、声音和动态影像等电子信息。另外可以通过安全机制保护文档，并对文档的打印、复制和更改进行限制，用数字方式对文档进行签名和验证。[2]
3.简化了大篇幅多媒体课件的制作 PDF文件是由WORD等文件转换过来的，所以不需要一页一页地制作，这一点优于POWERPOINT、AUTHORWARE、FLASH，可以很方便地制作大篇幅的多媒体课件。
由此可见，ACROBAT 3D是建立虚拟现场环境的首选。
二、以制作课件“螺旋输送机”为例介绍虚拟现场教学环境的具体制作过程
1.三维建模，生成零件并装配 可以采用自下而上的设计方法，用三维CAD软件（如Solidwork）分别制作机槽、螺旋叶片、轴、端轴承、悬挂轴承、机盖、进料口、出料口等零件，进一步从现有零件或装配体生成新装配体，然后使用多种方法向装配体添加零部件。使用配合工具设定同心、平行、垂直等零部件配合关系，添加控制零件的配合关系。
2.用工具ACROBAT 3D Toolkit修改三维文档
用工具ACROBAT 3D Toolkit打开前面制作的三维文档，它类似一个简化版3DMax，可以方便地修改、浏览绝大多数三维图形格式，调整零件颜色、表面材质，直接另存为U3D文档；对于整个装配体，为了更好地说明内部结构，制作动画加以说明，点击Toggle Edit Animation，窗口下面出现时间轴，在时间轴上设置时间点，利用选择工具点击机盖，用平移工具把盖子向上移动，点击螺旋叶片，用改变轴心点工具，把轴心点移到轴的中心，选择旋转实体工具，把叶片旋转360度，生成分解动画并保存为U3D文档。
3.在WORD中创建并修改内容
在WORD中输入文本，设置文本样式和布局。注意要预留放动画和U3D文档的位置，用空的文本框占位，把文本框的版式设置为四周型。或者直接插入图、视频、声音、利用插件插入U3D文件等，然后转换成PDF文档。
4.用ACROBAT3D修改文档制作虚拟工作台
用ACROBAT3D打开PDF文档，展开Advance tool工具栏，单击Link Tool可以对文字设置所需超级链接，单击Movie tool工具可以插入视频，单击3D tool工具可以在预留空间插入U3D文档及动画U3D文档。下面单击3D tool工具，拖动鼠标画一范围框作为虚拟工作室或工作台，然后在弹出的对话框中选择所需三维文件，设置显示方式（这里都采用默认值），单击OK即可插入到文档中。
5.定义安全设置
通过定义密码或证书，对ADOBE PDF文档设置许可和权限，控制对3D设计内容的操作，并可以创建和存储安全性设置策略。单击工具栏中“Secue/Show Cecurity Settings For This Document”按钮，选择口令安全，选择不允许复制和打印，再设置其它需要保护的内容，当给文档添加安全设置后，对该文档的复制与打印将被限制和检测。没有许可的人不能复制打印该文档，同时该文档会显示拥有者的版权信息。[3]
6.查看制作好的文档
用免费下载的ACROBAT reader打开制作好的文档，输入密码（或所需的安全信息）后，即可打开文档，在ACROBAT reader提供的界面窗口可以方便地浏览文档。其中有特色的地方是在虚拟工作台中可以对三维内容进行查看，即可以逼真地模拟真实操作体验，缩短学习的时间，又可获得直观、真实的效果。ACROBAT reader提供一个工具条，可以让读者选择零件并突出显示、隐藏零件、对设备进行不同角度剖切、旋转或平移设备、测距、设置灯光、选择轴侧或透视视图、设置实体显示方式、播放动画等；而在虚拟工作台以外，可以阅读文字，观看视频，听声音。这样有助于对抽象内容的进一步讲解，把抽象与具体完美地联系起来。
三、教学应用后的反思
1.在教学应用过程中，由于设备零部件结构太具体了，一些教师很不适应，觉得无话可说。这一方面说明采用这种技术教学必须增大教学内容，另一方面说明这种教学方式大大提高了教学效果。
2.虚拟现场教学模式对解决各院校普遍存在的实习实训设备不足、设备型号落后的问题具有深远的意义。对学生快速适应职业要求，成为准熟练技能人才具有很大帮助。但绝不能取代实物设备，更不能取代实习实训。
3.具体形象的虚拟物体降低了学习的难度，提高了学习效率，有助于后面的实习实训；但这样同时缺少了学生的抽象思维和思考，没有了抽象思维这一关键环节，便脱离了人类区别于动物的最本质特征。无思维，何谈日后的创新？而且实物或三维模型不足以让学生理解很多抽象的内容，计算机辅助教学与课堂教学是无法互相替代，它们必须相辅相承、相互补充。[4]
4.对课件的运用也应因材施教，对于那些有志于从事理论研究的学生要培养和提高学生抽象思维能力，少用课件或者先讲理论后用课件去辅助理解；而对于那些接受职业教育的学生，应注重动手能力和三维模型的理解，采用先用课件后讲理论。
参考文献：
［1］赵经成.网络教学课件制作[M].北京：人民邮电出版社，2004.10
［2］U3DWhitePaper.2004.[DB/OL] http://）
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