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摘要:“汽車設計”作為車輛工程本科專業的核心專業課程，通過基于“學習－產出”的教學模式達成學生對車輛領域復雜工程問題的分析和解決能力，重點研究使用基于跨平臺輕量化模型技術拓展課堂教學，通過跨平臺的客戶端達成復雜設計案例獲取、操作、分析的可能性和充分便的利性，幫助學生實現由抽象理論到具象設計、簡化模型到復雜結構之間的相互轉換，進而達成真正的設計能力，以充分適應當代汽車工業對車輛工程專業本科生提出的知識要求和能力要求。
關鍵詞:學習－產出;汽車設計;輕量化模型
“汽車設計”作為車輛工程專業的核心課程，確保學生掌握汽車重要總成及關鍵零部件的設計原理、設計原則、法律法規等方面的專業知識，并在此基礎上達成綜合運用，形成初步的設計能力。從“學習－產出”教育理念出發［1－2］，重新審視教學過程，適應當代汽車工業對車輛工程專業本科生提出的知識要求和能力要求，一系列以能力培養為目標的教學改革，充分達成學生的能力培養目標，是一個必須優先解決的關鍵問題。
1“汽車設計”的特點及其面臨的挑戰
“汽車設計”是一門典型的產品設計類課程。在教學活動中，設計知識與設計理論的掌握，是最易達成的目標。但設計的本質，是在多約束情況下將抽象理論具象化的過程。如果不能完成從抽象理論到具象設計的轉換過程，設計能力將無從談起，這意味著教學過程的失敗。因此，為學生提供足夠、詳細的真實三維結構、設計案例是達成這一轉換的關鍵環節。學生只有建立從抽象到具象、由理論示意圖到三維結構的映射關系時，才有可能獲得國際工程教育認證所強調的“復雜工程問題的分析和解決能力”。由理論到實踐、由數學模型到三維模型的轉換，僅靠課堂教學和文獻閱讀是難以實現的，學生需要一套豐富和高效的設計案例，和交互系統完成課堂之外的“知識—能力”轉換［3－5］。大學教育面臨的一個共性問題，就是移動設備對注意力與時間的蠶食與掌控。移動設備是全天伴隨人類的唯一產品，它提供了豐富的內容和隨時隨地的訪問。如果“汽車設計”和其它課程不能通過積極介入在移動設備上占有屬于自己的空間，不僅無法有效的拓展課堂教學內容，傳統的學習過程也將被移動設備碾壓。將“汽車設計”的教學拓展到移動設備，實現積極介入，是一件非常必要的工作。
2“汽車設計”與輕量化模型技術
設計從理論模型出發，以三維工程模型結束。這個轉換涉及了大量其它專業領域的知識，構成了一個典型的復雜工程問題情境。反之，從三維工程模型出發，抽象為理論模型，則是一種重要的分析能力。因此在進一步提升“汽車設計”課程的教學質量過程中，三維工程模型扮演著極為重要的角色。在工程與理論的轉換、映射過程中派生出的各種疑問，則成為以學習者為中心的“參與式教學”的重要推動力，將被動的“接受型學習”變為以問題導向的主動“探究性學習”［6］，學習的時間和場所也將遠超課堂的限制，如圖1所示。三維工程模型通過各種大型工程設計軟件在強大的硬件平臺上產生，是一種精確的邊界描述(B－rep)模型，包含大量建模信息，巨大的尺寸導致一般的網絡文件下載方式難以實現，即使能夠下載為本地文件，對軟硬件的苛求又對進一步操作造成巨大障礙，更無法以跨平臺的方式在移動設備上實現，而且，教師的指導性教學內容也無法內嵌其中，知識內容獲取的全時性、便利性無法實現。同時，這種本地文件模式更無法對CAD數據實現有效的產權保護。九十年代中期以來，輕量化模型(LightweightModel)技術得到快速的發展，輕量化模型只關心產品模型的幾何表示而不考慮產品建模的過程信息，為產品幾何模型設定不同的顯示精度和顯示細節，根據觀察者眼點與產品幾何模型之間的距離來使用不同的顯示精度，以此達到縮減尺寸和快速交互模型的目的［7－8］。當前主要的CAD廠商都推出了自己的輕量化規范及產品，如Siemen的JT格式，Dassault的3DXML格式、Autodesk的IPT格式。同時，3D工業論壇(3DIndustryForum)和歐洲計算機制造商協會(ECMAinternational)聯合推出了輕量化3D標準通用格式U3D。這些技術與產品通過濾除顯示無關的非幾何信息簡化三維模型，大大提高了三維模型的顯示與處理效率。尺度與效率的提升，使得基于云端的模型交互得以實現，實現了無安裝、無下載和跨平臺的模型交互，確保了三維教學資源能夠通過移動設備實現全時段的自如獲得與快捷交互、操作。
3基于輕量化模型開放式網絡教學平臺
針對上述問題，課題組針對“汽車設計”教學的特點，構造了基于三維輕量化模型的網絡教學平臺，作為重要的教學補充。
3．1教學平臺架構
3．1．1低層支撐軟件的選擇
對網絡三維輕量化模型的交互支持可以分為兩種:基于WebGL的三維交互和基于ActiveX插件的三維交互。WebGL是一種3D網絡圖形標準，WebGL可以為HTML5Canvas提供硬件3D加速渲染，復雜三維模型就可以借助系統顯卡來在瀏覽器中更流暢地進行展示［9］。和基于ActiveX插件的三維交互相比，WebGL具有免安裝、更好的跨平臺特性和更高的性能。Siemens的JT和PLMVis、Autodesk公司的A360、Cortona3D都提供了基于WebGL的網頁交互操作，并具有較好的性能和拓展性。基于不同的模型來源以及教學需求，本平臺在構造過程中綜合運用了上述三個產品。
3．1．2基于跨平臺客戶端軟件的交互
與基于WebGL的網頁交互相比，專用的跨平臺客戶端具有更豐富的功能和針對平臺的優化，尤其是針對移動設備的優化。Autodesk公司的IPMVie-wer是一種基于Android和IOS平臺的移動客戶端，可以自由操作云端CAD數據。Siemens公司的GT2Go是一種跨Windows、Android和ISO三種平臺的客戶端，可以處理來自云端的本地CAD數據。對于結構極為復雜的模型，基于客戶端軟件的交互是一種非常好的選擇。如圖2所示，通過IPMViewer的Android客戶端軟件，可以在較低配置的安卓移動設備上實現對復雜三維模型的瀏覽、交互、拆解，學生對懸架的理解由平面示意圖直接拓展為對三維工程模型，極大提升了學習效果。根據實際的需求，在平臺設計中，采用以Web-GL的網頁交互為主，基于跨平臺客戶端軟件為輔的架構。
3．2網絡交互模式的建立
在整個架構中，需要完成兩種模式的交互過程。
(1)學生與三維模型的交互
該部分內容可以通過第3．1．1節中所提及的方式實現;
(2)基于三維工程模型的師生交互
學生與教師之間的交互是實踐“參與式教學”的重要途經。就“汽車設計”而言，一般意義的文字交互是不滿足教學需求的?；谠O計的交互需要一個能夠基于三維工程模型的注釋、標識、說明、回饋過程，這是實現有效師生互動的必要條件。一般意義的文字交互，可以較為容易地通過各種成熟的網絡框架實現。而基于三維工程模型的交互則需要一個以云為基礎的具備協作功能的工程數據管理平臺。課題組將Autodesk公司的A360云平臺作為這種交互的基礎平臺，A360是一個協作平臺，可以幫助工程師和設計師在一個集中的工作空間查看、共享、審閱和查找二維和三維設計與項目文件，擺脫時間、空間限制，獲得最新的項目、文件和團隊信息。A360既可以提供基于WebGL網頁式的交互搜索，也提供了基于移動設備的客戶端軟件，使得基于工程模型的師生交互擺脫了場所和設備的限制。課題組基于A360平臺構造豐富的資源庫并通過多樣化的交互手段達成了良好的互動。
4輕量化模型資源的開發方法
缺乏足夠資源的教學平臺是沒有實用價值的，內容建設是一個有效教學平臺最核心的環節。就內容建設而言，一套高效的內容建設、內容開發工具將極大提升資源建設的質量和效率，這些工具至少應滿足如下標準:
(1)使用簡單、容易部署，使得教師能夠將更多時間投入到教學內容的建設和擴充上，而不是在平臺架構、交互實現等非教學技術細節上投入太多精力;
(2)對來自各個主流CAD平臺的設計數據的充分兼容性;
(3)可擴展和開放性強，能夠兼容從PC機到客戶端的廣泛平臺，并提供有效的資源拓展、開發、集成途經。Autodesk公司的AutodeskInventorPublisher，達索公司的SOLIDWORKSComposer，ParallelGraphics公司的Cortona3DRapidAuthor，都是滿足上述要求的快捷開發工具。在虛擬仿真領域應用廣泛的達索公司VirTools雖然提供了強大的功能，但其為通用目的而推出，針對復雜CAD模型以及相應的多模式交互，其操作極為復雜繁瑣，需要付出大量的人力與時間成本，不適合以內容建設為核心的教學平臺。課題組主要采用AutodeskInventorPublisher和SOLIDWORKSComposer完成資源建設和擴充工作。其中AutodeskInventorPublisher提供手機客戶端軟件的內容建設，包括安卓和IOS移動客戶端。SOLIDWORKSComposer用來完成跨平臺的基于WebGL的三維設計數據交互。二者可以從主流大型CAD設計軟件中讀取產品設計信息，包括裝配信息、約束信息、工藝信息、材料信息，自動生成輕量化模型，并快速完成產品裝配、運動輸出，同時提供顯隱、剖視、邊界盒、超鏈接等操作手段。Composer最終將建設完成的資源以內嵌Three．js代碼的HTML5網頁形式輸出，用戶可以自己跨平臺使用或將其集成于更大的虛擬仿真教學平臺，同時，用戶也可以在其基礎上以JavaScript語言快速添加額外功能，具有充分的可擴充性、可定制性。
5輕量化模型在教學上的應用
對于“汽車設計”、“汽車車身設計”、“汽車構造”等一系列汽車專業課程而言，跨平臺的輕量化模型和交互系統，可以實現多種形式的應用。以“汽車設計”的課堂教學為例，學生可以直接通過掃描內嵌二維碼的PPT頁面，直接從自己的手機端訪問數據云中的三維CAD模型，并進行一系列交互操作，配合教師的講解，使得結構設計教學更貼近真實的工程實際，擺脫傳統二維圖的束縛，對真實空間結構的理解更加深入。對于與“汽車設計”和“汽車構造”相關的拆裝實驗，學生可以在拆裝實驗之前，通過基于網絡的模型交互，完成虛擬拆解與虛擬裝配，令后期的真實拆裝實驗產生更好的教學效果，基于Autodesk的IPMViewer則可以為學生進行實時的拆裝指導，這是傳統的實驗講義無法完成的內容，傳統的實驗完全依賴少數現場指導教師的講解。同時，電子講義、電子教案可以充分利用基于網絡的輕量化CAD數據機制，并以內嵌網絡鏈接和二維碼的方式，令學習者不受空間、時間限制的訪問和操作三維設計模型，將學生的視界由二維拓展到三維，由靜態拓展到交互，這是一個極大的變革?；谏鲜隼砟?，本課題還建設了基于網絡的“汽車設計”虛擬實驗教學平臺和資源庫，將其作為大連理工大學國家級“車輛工程虛擬仿真實驗教學中心”的重要內容，提升了課后學習的效率與質量，實現了學生對理論和知識點的整合與運用，確保了能力的達成。
6結語
通過基于“學習－產出”的教學模式達成學生對車輛領域復雜工程問題的分析和解決能力，是“汽車設計”及相關課程的重要研究內容，也是必須優先解決的關鍵問題。本文重點研究基于跨平臺輕量化模型技術在拓展課堂教學方面的應用。為學生提供通過跨平臺的客戶端達成復雜設計案例獲取、操作、分析的可能性和充分便利性，幫助學生實現由抽象理論到具象設計、簡化模型到復雜結構之間的相互轉換，進而達成真正的設計能力。本研究構建了輕量化模型和交互系統，并在此基礎上進行資源建設。其在教學中的實際應用表明:這種從二維到三維、從靜態到交互的變革，對學生設計能力的提升，起到極為積極的促進作用。
作者:靳春寧 鄭國君 侯文彬 李寶軍 單位:大連理工大學