（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟环境的工程图学三维建模系统的开发.pdf

c l a s s i f i e di d e x ：t b 2 3 7 s e c u r i t yc l a s s i f i c a t i o n ： s c h o o lc o d e ：10 4 2 2 s t u d e n tn u m b e r ：0 7 9 10 4 10 2 6 9 s h a n d o n gu n i v e r s i t ym a s t e r ，st h e s i s d e v e l o p m e n t o f3 dm o d e l i n gs y s t e mi ne n g i n e e r i n g g r a p h i c sb a s e do nv i r t u a le n v i r o n m e n t c a n d i d a t e h 曼旦至| u 曼鱼呈堕g 一 s p e c i a l t y m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n s u p e r v i s o r 墨墨盟i 丛曼煦鱼墨墨丛至r u 堑q 坠q g i 塑g 一一 m a r c h1 1 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 魄西区l 日期：2 1 生i ：! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：匦圜! 丑； 导师签名： 目录 目录 目录i c 饼汀e n t i i i 摘要i a b s t 蝴i i 第1 章绪论1 1 1 工程图学教学现状1 1 1 1 工程图学教学目的和特点一1 1 1 2 教学中存在的问题2 1 2 工程图学教学采用c a i 教学的趋势2 1 2 1 工程图学教学的新型模式2 1 2 2c a i 介绍及发展趋势3 1 3 课题的提出5 1 3 1 课题来源及背景5 1 3 2 课题的目的6 1 3 3 课题的意义6 1 4 课题的主要研究内容7 1 5 本章小结7 第2 章虚拟三维建模系统的技术支持与环境8 2 1 虚拟现实技术及应用8 2 1 1 虚拟现实概念及特征8 2 1 2 虚拟现实应用9 2 2 统一建模语言u m l 1 0 2 2 1u m l 简介及特点1 0 2 2 2u m l 的重要内容1 l 2 2 3u m l 的应用领域1 2 2 3v i s u a lc + + 1 3 2 3 1v i s u mc + + 简介1 3 2 3 2v i s u a lc + + 主要组成部分1 4 2 4o p e nc a s c a d e 1 5 2 4 1o p e nc a s c a d e 简介1 5 2 4 2o p e nc a s c a d e 几何建模内核1 5 2 5 本章小结1 6 第3 章虚拟三维建模系统的总体构建1 7 3 1u m l 平台开发概述1 7 3 1 1u m l 构架1 7 3 1 2u m l 开发平台的意义1 9 3 1 3u m l 开发平台总体思路2 0 3 1 4u m l 对系统构架过程2 l 山东大学硕士学位论文 3 2 用例图设计2 2 3 2 1 面向对象的系统功能需求描述2 2 3 2 2 系统功能描述2 3 3 2 3 用例建模2 5 3 3 类图的设计2 7 3 3 1 实体类设计2 7 3 3 2 接口类设计2 8 3 4 本章小结2 8 第4 章虚拟环境下系统的界面设计3 0 4 1m f c 应用程序框架3 0 4 1 1m f c 概述3 0 4 1 2 基于m f c 的单文档应用程序3 2 4 1 3 基于m f c 创建窗口对象3 5 4 2 系统主界面设计3 7 4 2 1 窗口结构设计思路3 7 4 2 2 界面设计结果3 7 4 3 应用程序框架设计4 0 4 3 1o c a f 工作原理4 0 4 3 2 应用程序框架设计结果4 2 4 4 本章小结4 4 第5 章虚拟环境中的造型内核模块。4 5 5 1 三维模型的建立4 5 5 2 模型的数据转换4 8 5 3 布尔运算4 9 5 4 三维模型设计举例5 1 5 5 三维模型库的建立5 2 5 5 1 类的设计说明5 3 5 5 2 三维模型库的设计结果5 4 5 6 本章小结5 5 第6 章虚拟建模系统的实现与应用5 6 6 1 系统具体功能的实现5 6 6 1 1 接口功能实现5 6 6 1 2 其它具体功能实现5 7 6 2 系统的应用5 8 6 2 1 运行程序5 8 6 2 2 进入程序运行界面5 9 6 2 3 三维模型构建及显示效果5 9 6 2 4 三维模型导入及显示效果6 3 6 3 本章小结6 4 总结及展望6 5 参考文献6 7 致谢7 0 附录程序分类7 1 i i 目录 c o n t e n t a b s t r a c ti nc h i n s e i a b s t p a c ti ne n g l i s h - l l c h a p t e r1 ：i n t r o d u c t i o n 1 1 1s i t u a t i o no f 1 1 1 1t e a c h i n go b j e c t i v ea n df e a t u r e so f 1 1 1 2p r o b l e m si nt e a c h i n g 2 1 2c a it e a c h i n gt h et r e n do f 2 1 2 1n e wm o d e lo f 2 1 2 2i n t r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do fc a i 3 1 3p r o p o s e da n ds i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c t 墨 1 3 1s o u r c ea n db a c k g r o u n do ft h es u b j e c t 5 1 3 2p u r p o s eo ft h es u b j e c t b 1 3 3s i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c t 6 1 4m a i nc o n t e n to ft h es u b j e c t ， 1 5b r i e fs u m m a r yo ft h i sc h a p t e r ， c h a p t e r2 ：t e c h n i c a ls u p p o r ta n de n v i r o n m e n to fv i r t u a l3 dm o d e l i n gs y s t e m 8 2 1t e c h n i q u eo fv i s u a lr e a l i t ya n da p p l y 8 2 1 1c o n c e p to fv i s u a lr e a l i t ya n df e a t u r e 8 2 1 2a p p l yo fv i s u a lr e a l i t y 9 2 2u m l l u 2 2 1i n t r o d u c t i o na n df e a t u r e so fu m l 2 2 2i m p o r t a n te l e m e n to fu m l 2 2 3a p p l i c a t i o n so fu m l 2 3v i s u a lc + + 2 3 1i n t r o d u c t i o no fv i s u a lc + + 2 3 2m a j o rc o m p o n e n to fv i s u a lc + + 2 4o p e nc a s c a d e 2 4 1i n t r o d u c t i o no fo p e nc a s c a d e 2 4 2g e o m e t r i cm o d e l i n gk e r n e lo fo p e nc a s c a d e 2 5b r i e fs u m m a r yo ft h i sc h a p t e r c h a p t e r3 ：o v e r a l lc o n s t r u c t i o no fv i r t u a l3 dm o d e l i n gs y s t e m 3 1s u m m a r yo fu m l 3 1 1c o n s t r u c t i o no fu m l 3 1 2s i g n i f i c a n c eo fu m l 3 1 3r o u t eo fd e s i g nw i t hu m l 3 1 4t h ep r o c e s so fm o d e li n gw i t hu m l 3 2d e s i g no ft h ec a s e 3 2 1s y s t e mr e q u i r e m e n t s i i i o l 2 3 3 4 5 5 5 6 7 7 7 9 0 l 2 2 二i l u l u 1 l 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 山东大学硕七学位论文 3 2 2s y s t e md e s c r i p t i o n 3 2 3m o d e l i n go ft h ec a s e 3 3d e s i g no fc l a s s 3 3 1d e s i g no ft h ee n t i t yc l a s s 3 3 2d e s i g no fi n t e r f a c ec l a s s 3 4b r i e fs u m m a r yo ft h i sc h a p t e r c h a p t e r4 ：t h ei n t e r f a c ed e s i g no fv i r t u a le n v i r o n m e n t 4 1m f c 4 1 1o u t li n eo fm f c 4 1 2a p p l i c a t i o nb a s e do nm f c 4 1 3c r e a t eaw i n d o wo b j e c tb a s e do nm f c 4 2t h ei n t e r f a c ed e s i g n 4 2 1c h a r to fw i n d o wf r a m e 4 2 2r e s u l t so ft h ei n t e r f a c ed e s i g n 4 3d e s i g no fa p p l i c a t i o nf r a m e 4 3 1o c a fw o r k s 4 3 2r e s u l t so fa p p l i c a t i o nf r a m e 4 4b r i e fs u m m a r yo ft h i sc h a p t e r c h a p t e r5 - m o d e li n gk e r n e lm o d u l eo fv i r t u a le n v i r o n m e n t 5 1e s t a b l i s h m e n to f3 dm o d e l 5 2d a t ae x c h a n g eo fm o d e l 5 3b o o l e a n 5 4e x a m p l eo f3 dm o d e l 5 5e s t a b l i s h m e n to f3 dw a r e h o u s e 5 5 1d e s i g nn o t e so fc l a s s 5 5 2r e s u l t so f3 dw a r e h o u s e 5 6b r i e fs u m m a r yo ft h i sc h a p t e r c h a p t e r6 ：a c h i e v ea n da p p l yo fv i r t u a lm o d e l i n gs y s t e m 6 1s p e c i f i cf u n c t i o n sa c h i e v e 6 1 1i n t e r f a c ef u n c t i o na c h i e v e 6 1 2o t h e rf u n c t i o n sa c h i e v e 6 2a p p l yo fs y s t e m 6 2 1r u nt h ep r o g r a m 6 2 2i n t e r f a c ei n t ot h ep r o g r a mr u n s 6 2 3c o n s t r u c t i o na n dd i s p l a y3 dm o d e l 6 2 4i m p o r ta n dd i s p l a y3 dm o d e l 6 3b r i e fs u m m a r yo ft h i sc h a p t e r c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t r e f e r e n c e s a p p e n d i x ：p r o c e d u r ec a t e g o r y i v 3 5 7 7 8 8 0 o 0 2 5 7 7 7 0 o 2 4 5 5 8 9 1 2 3 4 5 6 6 6 7 8 8 9国8隰晤汀o 1 z 到z z翻a劲引翔曩引g拶出印重4 4 4 出掣5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 摘要 中文摘要 工程图学是工程学科的基础课程，在整个教学体系中占有重要的地位。 利用虚拟现实技术制作的c a i 软件可以有效的提高学生的空间想象能力，还可以 把这类软件让同学自主学习，提高学习效率。 本文论述了当前工程图学c a i 课件的研究现状及存在的问题，阐述了课题 的背景、目的和意义，针对学生空间思维能力的培养，提出了课题具体的解决方 案，同时介绍了系统的开发工具，分析研究了几何造型内核应用环境及特点。 本文介绍了使用u m l 进行建模的过程。本系统的窗口结构采用m f c 框架技术， 论文中介绍了m f c 框架的相关内容，对界面主要内容进行设计，包括菜单栏、图 形工具栏、显示区及建模控制区，针对o p e nc a s c a d e 几何造型内核，建立了以o c a f 为基础的单文档应用程序框架。在此基础上，实现了实体类模型和接口类模型的 原型。o p e nc a s c a d e 内部提供的基本几何体建模如圆柱、球体等，是由专门的函 数生成，运用o p e nc a s c a d e 内核提供的布尔操作建模方法，最终实现了在虚拟环 境下实时、交互的创建较为复杂的三维模型。 通过举例讲述该系统在教学中的应用，达到激发学生创新思维并快速提高空 间思维能力的目的。在该系统中，学生可以按自己的想法构建形体，并且可以灵 活的改变形体各部分的大小和位置。学生通过对不断变化的形体及二维工程图的 比较分析，提高对空间思维能力的培养。 关键词虚拟环境；工程图学；三维建模；教学应用 山东大学硕士学位论文 a b s t 队c t e n g i n e e r i n gg r a p h i c s i s ab a s i cc o u r s ei ne n g i n e e r i n gd i s c i p l i n e s a n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ew h o l ee d u c a t i o ns y s t e m u s i n gt h ec a i s o f t w a r em a d eb yv i r t u a lr e a l i t ym e t h o d sc a ne n h a n c et h ea b i l i t yi nt h e s p a c ei m a g i n a t i o no fs t u d e n t s ，a tt h es a m et i m e ，s u c hs o f t w a r ec a na l s o e n a b l es t u d e n t s i n d e p e n d e n tl e a r n i n g t oi n c r e a s et h e i r l e a r n i n g e f f i c i e n c y t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ec u r r e n t r e s e a c ha n dt h e p r 。b l e m s o n - “e n g i n e e r i n gg r a p h i c s c a ic o u r s e w a r e s a n di td e s c r i b e st h eb a c k g r o u n d t h ep u r p o s ea n dt h em e a n i n go ft h i ss u b j e c t b a s e do nt h ep r o b l e m s ，t h e s p e c i f i cs o l u t i o n sa r er a i s e di nt h i sp a p e r i ta l s ei n t r o d u c e st h es y s t e m d e v e l o p m e n tt o o l s a n d i ta n a l y s e st h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ek e r n e li ng e o m e t r i cm o d e l i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em o d e l i n gp r o c e s su s i n gu m l t h ew i n d o w s t r u c t u r eo ft h is s y s t e ma d o p t st h em f ct e c h n o l o g y a n dt h er e l e v a n t e l e m e n t so fm f cf r a m e w o r ka r ed e s c r i b e si nt h i sp a p e r t h em a i ne l e m e n t s o ft h ei n t e r f a c ea r ed e s i g n e di nt h i ss y s t e m ， i n c l u d i n gt h em e n ub a r ， g r a p h i c a lt o o l b a r s ，d i s p l a ya r e a sa n dm o d e l i n gc o n t r o la r e a s a c c o r d i n g t ot h e g e o m e t r i cm o d e li n gk e r n e l o fo p e nc a s c a d e ， ao c a f b a s e d s i n g l e d o c u m e n ta p p l i c a t i o nf r a m e w o r ki se s t a b l i s h e d o nt h i sb a s i s ，t h e p r o t o t y p eo ft h ee n t i t yc l a s sm o d e la n d t h ei n t e r f a c ec l a s sm o d e li s i m p l e m e n t a t e d o p e nc a s c a d ep r o v i d e st h eb a s i cg e o m e t r ym o d e l i n g ， s u c h a sc y l i n d e r ， s p h e r e ， w h i c hi sg e n e r a t e db ys p e c i a lf u n c t i o n s u s i n gt h e b o o l e a nm o d e li n gm e t h o d sp r o v i d e db yo p e nc a s c a d ek e r n e l ，t h ec o m p l e x3 d m o d e l sc a nb eg e n e r a t e di n t e r a c t i v l yi nav i r t u a le n v i r o n m e n t 摘要 u s i n ge x a m p l e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o ni nt e a c h i n g o f t h i ss y s t e m u s i n gt h i ss y s t e mi nt e a c h i n gc a ni n s p i r et h es t u d e n t s i n n o v a t i v et h i n k i n ga n di n p r o v et h ea b i l i t yo fs p a t i a lt h i n k i n g i nt h i s s y s t e m ，t h es t u d e n t sm a ym o d e lt h es t r u t u r ea c c o r d i n gt ot h e i ro w ni d e a s a n dc h a n g et h es i z ea n dt h ep o s i t i o no fv a r i o u sp a r t sf l e x i b l l y s t u d e n t s c a ni m p r o v et h e i rs p a t i a lt h i n k i n ga b i l i t yt h r o u g hc h a n g i n gs t r u t u r e sa n d a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so f2 de n g i n e e r i n gd r a w i n g s k e yv i r t u a le n v i r o n m e n t ；e n g i n e e r i n gg r a p h i c s ；3 dm o d e li n g ；t e a c h i n g a p p li c a ti o n i i i 第1 章绪论 1 1 教学现状 第1 章绪论 1 1 1 工程图学 教学目的和特点 在工程中需要描述物体形状和大小，工程图样是表达和交流技术思想的重要 工具，图样是生产中不可缺少的技术文件。设计者通过图样来描述设计对象；制 造者通过图样来了解设计要求、制造机器；使用者也通过图样来了解机器的结构 和使用性能；在各种技术交流活动中，图样也是不可缺少的。 工程图学是工程学科的基础，是学生迈入工业之路的桥梁，在整个教学 体系中占有重要的基础性地位。“制图是工程师的语言”有力地概括了工程图 学在整个专业课程体系中的地位和作用。工程图学是大学生所学的第一门 理论与实践结合最紧密的课程，通过此课程的学习，教师不但教给学生空间分析 问题和解决问题的能力，而且教给学生绘图和读图的能力与技巧，对后继的专业 课、课程设计、毕业设计都有很大的影响。因此，本课程的教学效果不但直接影 响到大学生的知识、能力的培养，而且从侧面反映了课程教学与能力培养两者的 关系和重要性，同时，由于计算机技术和三维c a d c a m 技术的飞速发展和应用， 人们的思维方式和工作方式都发生了巨大变化，工程图学的内涵和定位也发 生了深刻的变化，但是用“图”进行设计交流始终不变。于是，工程图学课 程的教学任务不再是简单地画图和读图的问题，而是着重培养空间想象能力、形 象思维能力、图形表达能力，以及创新构形能力，即对工程对象的表达能力、工 程实践的严谨作风和工程活动的协作能力等工程设计能力与工程素质的培养。 现代工程图学教学体系包括画法几何、投影基础、零件图、装配图等传 统内容，又融进计算机绘图、构形造型、c a d 发展等新内容，使工程图学的教 学与现代设计方式、生产方式接轨。工程图学教学目的有： 注重传授基础理论知识，建立形数结合的新体系。 培养学生的丰富的空间想象力和创造性设计能力。 培养学生的思维能力，将形象思维与抽象逻辑思维相结合。 山东大学硕士学位论文 因此， 工程图学的教学有以下特点： 教与学对直观教具的高度依赖性。 继承了几何学特有的高度抽象。 本课程是集系统理论与实践于一体的技术基础课。在学习课程的过程中，除 了系统理论学习，掌握实践技能必须进行大量的绘图、读图训练口1 。 1 1 2 教学中存在的问题 ( 1 ) 随着我国经济形势的发展，各高校近几年大规模扩大招生，一方面使在 校大学生的人数增加，造成教学资源短缺，另一方面教师工作量不断增加，削弱 了机械类学生工程能力培养的环境。 ( 2 ) 各高校不断深入教学改革，工程图学课程的学时在不断减少，如山 东大学机械专业的学时从8 0 年代的1 3 0 学时减到现在的不足9 0 学时，我所工作 的单位济南铁道职业技术学院机械类各专业的学时也在逐年减少。学时的压缩， 也削弱了机械类学生工程能力培养的时间。处理好教学学时少与教学内容多、培 养高质量学生，并能拓宽知识面、提高学生的空间想象能力，成是教学中反应最 为突出的问题。 ( 3 ) 传统教学方法与教学手段不能适应现代教育需要。黑板、教材、粉笔、 实物模型和挂图这些传统教学手段，在教学中表现力不足，荐使用过程中也有诸 多不便，已不能满足教学的需求。存在黑板、粉笔市使教学使教学时间过长，挂 图只反映静态，模型不能随时更新等一系列问题。 1 2 教学的新型模式 工程图学课程是对教学的实践性、交互性、自主性要求比较高的课程， 学生除具有自主的课程内容学习，还应具有较好的空间想象能力。在教学过程中 必须提供途径以提高学生的空间想象能力。传统的教学手段中采用的实物模型方 法，教学效果生动，但这种方式需要大量的模型，又无法随时更新配套，无法满 2 第1 章绪论 足学生要求。虚拟现实技术就可以为学生提供类似真实的环境，学生可以在这个 虚构的环境中，多角度、交互式的观察三维模型，以此来解决培养和提高学生空 间想象能力的问题。 工程图学课程的教学内容以“图形为主，课程的信息量大、耗时多， 既要节约画图时间，还要体现一笔一画的示教过程及计算机绘图工具的应用，因 此，工程图学新型教学模式应建立在协调教学内容、教学过程与教育技术之 间的关系之上。c a i ( c o m p u t e ra i d e di n s t r u c t i o n ，计算机辅助教学) 是一种新型 的现代化教学手段，它把教学内容、教学经验、计算机技术融为一体，以授课对 话、模拟练习、问题求解、自由讨论等形式来表达一定的教学目的h 1 。 利用虚拟现实技术制作的c a i 软件可以有效的提高学生的空间想象能力，还 可以让学生自主学习，这样可以节省大批人力和时间，扩大教学规模。坚持传统 教学与c a i 教学、网络教学、绘图软件教学相互结合，相互交替，相互渗透，创 建课程教学新方法。以计算机绘图软件作为教师画图教学工具，对点、线、面的 投影，相贯线、截交线的绘制，组合体及剖视图的画法，均可用绘图软件进行示 范，形成集c a i 技术、绘图工具应用及示教过程于一体的教学模式。因此， 工 程图学采用虚拟现实技术的计算机辅助教学是大势所趋凹3 。 1 2 2o a i 介绍及发展趋势 1 2 2 1c a i 简介c a i 是计算机应用于教育领域的主要方面，它以计算机替 代或帮助教师执行部分教学任务，模拟教师的教学行为，形成有序的教学信息， 向学习者传授知识，训练技能，达到激发学习者学习积极性和主动性、提高教学 效率、增强教学效果的目的。 在国内，c a i 的迅速发展和推广只是近几年的事，但发展较快。以北大、清华、 西安交大、中国科技大学为代表的国家重点院校都把c a i 的开发列为重点研究课 题，已从理论研究快速地推进到软件开发与硬件装置方面，并陆续研制出来计算 机语言、外语、数学、化学、物理、生物和地理方面的各种c a i 课件，并且在一 定范围内得到广泛地应用，普遍反映较好。 1 2 2 2c a i 发展趋势随着教育范围的扩大，教育对象的不断变化和发展， 山东大学硕十学位论文 教育手段的不断更新，传统c a i 已经受到了严峻的挑战，特别是各种先进技术的 发展和应用，使得c a i 的发展有了新的趋势和方向。 ( 1 ) 多媒体化近几年来，多媒体技术迅速发展，已经或正在应用到各个领 域。多媒体c a i ( m u l t i m e d i ac a i ，简称m c a i ) 符合人们的认知规律，图、文、 声并茂的特点更能直观地展示教学内容。 ( 2 ) 智能化人工智能技术、专家系统和认知科学也已经逐渐地应用到教育 领域。智能型c a i 系统可以为学习者提供一个主动探索和主动学习的环境，让学 生在其现有知识的基础上主动获取知识。它能根据学习者的学习特点和学习风格 采取不同的教学策略，能对学习者的学习状况进行评估，以满足学习者的不同需 要。i c a i 涉及到知识库和模型库的建立、自然语言语言接口、知识的表示等技术。 ( 3 ) 标准化多媒体创作工具功能有一定限制，有必要统一c a i 软件制作技 术上的标准，如硬件配置、软件环境、创作工具、多媒体素材文件的格式等，在 此基础上研制出智能开发工具，达到一般教育工作者都能根据教学需要编制一些 简单课件的目的。 ( 4 ) 网络化计算机网络技术的发展，给c a i 提供了进一步普及和发展的有 利条件。网络课程或网络c a i 课件在i n t e r n e t 上的应用，能充分发挥网上资源丰 富、开放性强、多种媒体表现形式等特点，并将导致教育结构的变化，并能突破 时间和空间的限制，使得任何人、在任何地点、任何时间都可通过网络进行学习， 实现传统教学模式无法实现的目标。 c a i 是在计算机辅助下进行的各种教学活动，以对话方式与学生讨论教学内 容、安排教学进程、进行教学训练的方法与技术c e oc a i 综合应用多媒体、超文本、 人工智能和知识库等计算机技术，为学生提供良好的个人学习环境。采用c a i 技 术克服了传统教学方式上单一、片面的缺点，可以有效缩短学习时间、提高教学 质量和教学效率，实现最优化的教学目标。 c a i 技术的主要研究内容包括计算机辅助教学模式、计算机辅助教学课件制 作、计算机辅助教学写作工具与环境。计算机辅助教学模式中的模拟教学模式利 用计算机模仿真实现象加以控制，如模拟车船驾驶训练、化学或物理实验和飞机 4 第1 章绪论 等，本课题是集绘图工具应用及示教过程、c a i 技术于一体的教学模式口8 。 1 3 课题的提出及意义 1 3 1 课题来源及背景 工程制图课程是大学工科必修的一门专业基础课，它集理论性和实践性于一 体，通过多年的教学改革，已从过去的以投影概念的建立和制图技术的训练为中 心的模式，逐渐转移到以学生的空间思维能力，草图绘画能力和计算机绘图及造 型能力的培养为重点的新体系上来。三种能力中空间思维能力( 立体感) 的培养 又是最重要的，无论从三维n - - 维的形体表达，还是从二维到三维的形体重构， 都离不开空间思维。所以学生立体感培养的成败，直接影响到该课程的教学成败； 学生空间思维能力的提高与否，直接影响到其后续内容的学习。目前，学生的立 体感主要通过完成二维投影图习题来提高。其主要缺点有两个：立体感培养周期 较长；习题中固定的形体，限制了学生创新性思维的发挥。 计算机辅助教学发展历史已有近三十年。早期是作为计算机技术在教育领域 的应用，但随着计算机技术和各学科的发展，c a i 已成为一个现代化教育的学科。 随着计算机辅助教学的发展和虚拟现实技术的逐渐成熟，c a i 被注入了新的内涵， 其应用给工程图学注入了新的活力。基于虚拟现实技术的c a i 课件的开发可 以给学生提供一个类似于真实世界的虚拟环境，在这个环境中，学生可以多角度、 交互式观察模型的生成、装配及动作凹3 。 目前，关于工程制图的c a i 软件在提高学生空间想象能力方面大多数都以某 种三维造型软件为建模基础生成实体模型，本身不具备建模能力，因此在模型的 多样性和交互性方面受到约束口引l l l 。现在比较流行的三维建模软件虽然功能比较 完善，但是体积比较庞大，学生的使用难度相对增加，因此，需要一种独立建模、 体积小、功能有针对性及使用简便的c a i 软件来提高学生的空间想象能力 1 2 o 为此，2 0 0 6 年山东大学设立基于虚拟环境的组合体自主式训练系统教学 改革项目，2 0 0 7 年该项目的研究已经取得初步成果，但系统在界面优化、模型种 类、布尔运算方式、模型库等方面还不够完善，本论文对该系统进行了继续研究， 山东大学硕十学位论文 使虚拟三维建模系统更加完善和优化，达到了课题的目标。 1 3 2 课题的目的 工程图学学习过程中，学习的难点在于空间感的建立和二维三视图与三 维立体图的对应转换。因此，教学过程中既要引导学生掌握基本的图学原理知识， 又要把建立空间想象力和空间思维能力作为教学重点。为弥补当前c a i 课件的不 足，满足工程图学教学的发展，让学生能够更好的提高空间想象能力，本课 题着重于开发一个小型化、开发周期短、功能针对性强的独立三维建模软件。在 此软件中能够建立虚拟现实环境的平台，在这个平台中实现三维建模操作、三视 图生成等功能，建立具有三位造型、投影图功能模块和拥有一个三维模型库的自 主式组合体训练系统。另外，软件还应具有操作简便、接口良好等特点，以方便 学生使用及后续模块的开发。 1 3 3 课题的意义 本课题着眼于学生空间思维能力的培养，力图建立一个基于虚拟环境的组合 体自主式训练系统，通过该系统以达到激发学生创新思维并快速提高空间思维能 力的目的。在该系统中，学生可以充分发挥想象，可以按自己的想法方便的构建 形体，并且可以灵活的改变形体各部分的大小和位置。通过学生对不断变化的形 体及其与之对应二维工程图的比较分析，提高空间思维能力的培养效率和效果。 通过资料查询显示，目前三维构形软件很多，但对学生尤其是新生却很难掌 握。另外三维构形软件所构形体基本上是固定的，不能灵活变化，构形系统和虚 拟系统结合的环境，在工程制图领域在我国尚属首例。 本课题所开发的软件能够让学生在虚拟现实环境中自由建模并观察三视图与 模型的视图关系，改变了以往工程制图教学中传统的教学模式，弥补当今课 程中c a i 软件中存在的问题，可以更好的提高学生的空间想象能力；另外，系统 软件摆脱了以往三维建模要借助u g 、p r o e 、s o l i de d g e 等三维造型软件的束缚， 实现独立建模，此系统还具有体积小、功能全、操作简便等特点，后续开发空间 大，为今后相关c a d c a m c a i 软件开发提供参考；本系统可以供学生装机后随时 6 第1 章绪论 使用，弥补了课堂教学的不足，为学生提供了时间上、空间上学习的方便，满足 了教学多样性的需要。 1 4 课题的主要研究内容 本论文提出了本课题设计的主要内容，制定了开发系统的主要思路。具体内