摘要:“汽车设计”作为车辆工程本科专业的核心专业课程，通过基于“学习－产出”的教学模式达成学生对车辆领域复杂工程问题的分析和解决能力，重点研究使用基于跨平台轻量化模型技术拓展课堂教学，通过跨平台的客户端达成复杂设计案例获取、操作、分析的可能性和充分便的利性，帮助学生实现由抽象理论到具象设计、简化模型到复杂结构之间的相互转换，进而达成真正的设计能力，以充分适应当代汽车工业对车辆工程专业本科生提出的知识要求和能力要求。
关键词:学习－产出;汽车设计;轻量化模型
“汽车设计”作为车辆工程专业的核心课程，确保学生掌握汽车重要总成及关键零部件的设计原理、设计原则、法律法规等方面的专业知识，并在此基础上达成综合运用，形成初步的设计能力。从“学习－产出”教育理念出发［1－2］，重新审视教学过程，适应当代汽车工业对车辆工程专业本科生提出的知识要求和能力要求，一系列以能力培养为目标的教学改革，充分达成学生的能力培养目标，是一个必须优先解决的关键问题。
1“汽车设计”的特点及其面临的挑战
“汽车设计”是一门典型的产品设计类课程。在教学活动中，设计知识与设计理论的掌握，是最易达成的目标。但设计的本质，是在多约束情况下将抽象理论具象化的过程。如果不能完成从抽象理论到具象设计的转换过程，设计能力将无从谈起，这意味着教学过程的失败。因此，为学生提供足够、详细的真实三维结构、设计案例是达成这一转换的关键环节。学生只有建立从抽象到具象、由理论示意图到三维结构的映射关系时，才有可能获得国际工程教育认证所强调的“复杂工程问题的分析和解决能力”。由理论到实践、由数学模型到三维模型的转换，仅靠课堂教学和文献阅读是难以实现的，学生需要一套丰富和高效的设计案例，和交互系统完成课堂之外的“知识—能力”转换［3－5］。大学教育面临的一个共性问题，就是移动设备对注意力与时间的蚕食与掌控。移动设备是全天伴随人类的唯一产品，它提供了丰富的内容和随时随地的访问。如果“汽车设计”和其它课程不能通过积极介入在移动设备上占有属于自己的空间，不仅无法有效的拓展课堂教学内容，传统的学习过程也将被移动设备碾压。将“汽车设计”的教学拓展到移动设备，实现积极介入，是一件非常必要的工作。
2“汽车设计”与轻量化模型技术
设计从理论模型出发，以三维工程模型结束。这个转换涉及了大量其它专业领域的知识，构成了一个典型的复杂工程问题情境。反之，从三维工程模型出发，抽象为理论模型，则是一种重要的分析能力。因此在进一步提升“汽车设计”课程的教学质量过程中，三维工程模型扮演着极为重要的角色。在工程与理论的转换、映射过程中派生出的各种疑问，则成为以学习者为中心的“参与式教学”的重要推动力，将被动的“接受型学习”变为以问题导向的主动“探究性学习”［6］，学习的时间和场所也将远超课堂的限制，如图1所示。三维工程模型通过各种大型工程设计软件在强大的硬件平台上产生，是一种精确的边界描述(B－rep)模型，包含大量建模信息，巨大的尺寸导致一般的网络文件下载方式难以实现，即使能够下载为本地文件，对软硬件的苛求又对进一步操作造成巨大障碍，更无法以跨平台的方式在移动设备上实现，而且，教师的指导性教学内容也无法内嵌其中，知识内容获取的全时性、便利性无法实现。同时，这种本地文件模式更无法对CAD数据实现有效的产权保护。九十年代中期以来，轻量化模型(LightweightModel)技术得到快速的发展，轻量化模型只关心产品模型的几何表示而不考虑产品建模的过程信息，为产品几何模型设定不同的显示精度和显示细节，根据观察者眼点与产品几何模型之间的距离来使用不同的显示精度，以此达到缩减尺寸和快速交互模型的目的［7－8］。当前主要的CAD厂商都推出了自己的轻量化规范及产品，如Siemen的JT格式，Dassault的3DXML格式、Autodesk的IPT格式。同时，3D工业论坛(3DIndustryForum)和欧洲计算机制造商协会(ECMAinternational)联合推出了轻量化3D标准通用格式U3D。这些技术与产品通过滤除显示无关的非几何信息简化三维模型，大大提高了三维模型的显示与处理效率。尺度与效率的提升，使得基于云端的模型交互得以实现，实现了无安装、无下载和跨平台的模型交互，确保了三维教学资源能够通过移动设备实现全时段的自如获得与快捷交互、操作。
3基于轻量化模型开放式网络教学平台
针对上述问题，课题组针对“汽车设计”教学的特点，构造了基于三维轻量化模型的网络教学平台，作为重要的教学补充。
3．1教学平台架构
3．1．1低层支撑软件的选择
对网络三维轻量化模型的交互支持可以分为两种:基于WebGL的三维交互和基于ActiveX插件的三维交互。WebGL是一种3D网络图形标准，WebGL可以为HTML5Canvas提供硬件3D加速渲染，复杂三维模型就可以借助系统显卡来在浏览器中更流畅地进行展示［9］。和基于ActiveX插件的三维交互相比，WebGL具有免安装、更好的跨平台特性和更高的性能。Siemens的JT和PLMVis、Autodesk公司的A360、Cortona3D都提供了基于WebGL的网页交互操作，并具有较好的性能和拓展性。基于不同的模型来源以及教学需求，本平台在构造过程中综合运用了上述三个产品。
3．1．2基于跨平台客户端软件的交互
与基于WebGL的网页交互相比，专用的跨平台客户端具有更丰富的功能和针对平台的优化，尤其是针对移动设备的优化。Autodesk公司的IPMVie-wer是一种基于Android和IOS平台的移动客户端，可以自由操作云端CAD数据。Siemens公司的GT2Go是一种跨Windows、Android和ISO三种平台的客户端，可以处理来自云端的本地CAD数据。对于结构极为复杂的模型，基于客户端软件的交互是一种非常好的选择。如图2所示，通过IPMViewer的Android客户端软件，可以在较低配置的安卓移动设备上实现对复杂三维模型的浏览、交互、拆解，学生对悬架的理解由平面示意图直接拓展为对三维工程模型，极大提升了学习效果。根据实际的需求，在平台设计中，采用以Web-GL的网页交互为主，基于跨平台客户端软件为辅的架构。
3．2网络交互模式的建立
在整个架构中，需要完成两种模式的交互过程。
(1)学生与三维模型的交互
该部分内容可以通过第3．1．1节中所提及的方式实现;
(2)基于三维工程模型的师生交互
学生与教师之间的交互是实践“参与式教学”的重要途经。就“汽车设计”而言，一般意义的文字交互是不满足教学需求的。基于设计的交互需要一个能够基于三维工程模型的注释、标识、说明、回馈过程，这是实现有效师生互动的必要条件。一般意义的文字交互，可以较为容易地通过各种成熟的网络框架实现。而基于三维工程模型的交互则需要一个以云为基础的具备协作功能的工程数据管理平台。课题组将Autodesk公司的A360云平台作为这种交互的基础平台，A360是一个协作平台，可以帮助工程师和设计师在一个集中的工作空间查看、共享、审阅和查找二维和三维设计与项目文件，摆脱时间、空间限制，获得最新的项目、文件和团队信息。A360既可以提供基于WebGL网页式的交互搜索，也提供了基于移动设备的客户端软件，使得基于工程模型的师生交互摆脱了场所和设备的限制。课题组基于A360平台构造丰富的资源库并通过多样化的交互手段达成了良好的互动。
4轻量化模型资源的开发方法
缺乏足够资源的教学平台是没有实用价值的，内容建设是一个有效教学平台最核心的环节。就内容建设而言，一套高效的内容建设、内容开发工具将极大提升资源建设的质量和效率，这些工具至少应满足如下标准:
(1)使用简单、容易部署，使得教师能够将更多时间投入到教学内容的建设和扩充上，而不是在平台架构、交互实现等非教学技术细节上投入太多精力;
(2)对来自各个主流CAD平台的设计数据的充分兼容性;
(3)可扩展和开放性强，能够兼容从PC机到客户端的广泛平台，并提供有效的资源拓展、开发、集成途经。Autodesk公司的AutodeskInventorPublisher，达索公司的SOLIDWORKSComposer，ParallelGraphics公司的Cortona3DRapidAuthor，都是满足上述要求的快捷开发工具。在虚拟仿真领域应用广泛的达索公司VirTools虽然提供了强大的功能，但其为通用目的而推出，针对复杂CAD模型以及相应的多模式交互，其操作极为复杂繁琐，需要付出大量的人力与时间成本，不适合以内容建设为核心的教学平台。课题组主要采用AutodeskInventorPublisher和SOLIDWORKSComposer完成资源建设和扩充工作。其中AutodeskInventorPublisher提供手机客户端软件的内容建设，包括安卓和IOS移动客户端。SOLIDWORKSComposer用来完成跨平台的基于WebGL的三维设计数据交互。二者可以从主流大型CAD设计软件中读取产品设计信息，包括装配信息、约束信息、工艺信息、材料信息，自动生成轻量化模型，并快速完成产品装配、运动输出，同时提供显隐、剖视、边界盒、超链接等操作手段。Composer最终将建设完成的资源以内嵌Three．js代码的HTML5网页形式输出，用户可以自己跨平台使用或将其集成于更大的虚拟仿真教学平台，同时，用户也可以在其基础上以JavaScript语言快速添加额外功能，具有充分的可扩充性、可定制性。
5轻量化模型在教学上的应用
对于“汽车设计”、“汽车车身设计”、“汽车构造”等一系列汽车专业课程而言，跨平台的轻量化模型和交互系统，可以实现多种形式的应用。以“汽车设计”的课堂教学为例，学生可以直接通过扫描内嵌二维码的PPT页面，直接从自己的手机端访问数据云中的三维CAD模型，并进行一系列交互操作，配合教师的讲解，使得结构设计教学更贴近真实的工程实际，摆脱传统二维图的束缚，对真实空间结构的理解更加深入。对于与“汽车设计”和“汽车构造”相关的拆装实验，学生可以在拆装实验之前，通过基于网络的模型交互，完成虚拟拆解与虚拟装配，令后期的真实拆装实验产生更好的教学效果，基于Autodesk的IPMViewer则可以为学生进行实时的拆装指导，这是传统的实验讲义无法完成的内容，传统的实验完全依赖少数现场指导教师的讲解。同时，电子讲义、电子教案可以充分利用基于网络的轻量化CAD数据机制，并以内嵌网络链接和二维码的方式，令学习者不受空间、时间限制的访问和操作三维设计模型，将学生的视界由二维拓展到三维，由静态拓展到交互，这是一个极大的变革。基于上述理念，本课题还建设了基于网络的“汽车设计”虚拟实验教学平台和资源库，将其作为大连理工大学部级“车辆工程虚拟仿真实验教学中心”的重要内容，提升了课后学习的效率与质量，实现了学生对理论和知识点的整合与运用，确保了能力的达成。
6结语
通过基于“学习－产出”的教学模式达成学生对车辆领域复杂工程问题的分析和解决能力，是“汽车设计”及相关课程的重要研究内容，也是必须优先解决的关键问题。本文重点研究基于跨平台轻量化模型技术在拓展课堂教学方面的应用。为学生提供通过跨平台的客户端达成复杂设计案例获取、操作、分析的可能性和充分便利性，帮助学生实现由抽象理论到具象设计、简化模型到复杂结构之间的相互转换，进而达成真正的设计能力。本研究构建了轻量化模型和交互系统，并在此基础上进行资源建设。其在教学中的实际应用表明:这种从二维到三维、从静态到交互的变革，对学生设计能力的提升，起到极为积极的促进作用。
作者:靳春宁 郑国君 侯文彬 李宝军 单位:大连理工大学