羋天
摘要：針對目前高校機械工程類(lèi)課程教學(xué)形式單一、教學(xué)資源不足、教學(xué)課件轉載使用困難等問(wèn)題，文章以機械工業(yè)數字化在線(xiàn)學(xué)習平臺為例，使用PlayCanvas引擎開(kāi)發(fā)了以中國古代、近代、現代機械工業(yè)的成就為主要內容的在線(xiàn)學(xué)習平臺。以案例形式介紹了三維模型貼圖制作以及導入、動(dòng)畫(huà)資源導入、在線(xiàn)平臺功能開(kāi)發(fā)與實(shí)現、UI模塊功能以及實(shí)現，構建出能夠自由游覽漫游、可隨意旋轉縮放展覽物品、能夠進(jìn)行模型拆裝、能夠進(jìn)行知識學(xué)習的在線(xiàn)學(xué)習平臺。
關(guān)鍵詞：虛擬仿真；
在線(xiàn)博物館；
數字化課件；
PlayCanvas；
課程思政
中圖分類(lèi)號：TP393? 文獻標志碼：A
0 引言
教育部于2018年印發(fā)的《教育部關(guān)于開(kāi)展國家虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目建設工作的通知》中指出［1］，國家虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目是推進(jìn)現代信息技術(shù)融入實(shí)驗教學(xué)項目、拓展實(shí)驗教學(xué)內容廣度和深度、延伸實(shí)驗教學(xué)時(shí)間和空間、提升實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量和水平的重要舉措。同時(shí)，教育部于2022年印發(fā)的《教育部等十部門(mén)關(guān)于印發(fā)<全面推進(jìn)“大思政課”建設的工作方案>的通知》中要求［2］，要將虛擬仿真技術(shù)與課程思政相互結合，積極研發(fā)成本適宜的虛擬仿真教學(xué)資源。
在高校機械工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程中，存在著(zhù)以下困境：傳統的課件通常采用單一的圖片、視頻表現相關(guān)知識內容，課件存在表現形式老舊、對于部分較為抽象的知識點(diǎn)表現力不足、課件交互性不足、難以吸引學(xué)生的注意力等問(wèn)題，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣［3］。
同時(shí)，機械工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)主要屬于工科，其課程專(zhuān)業(yè)性較強，相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的課程思政教學(xué)研究存在一定困難［4］。本文借助虛擬仿真技術(shù)，介紹相關(guān)機械結構，闡述相關(guān)知識點(diǎn)，最終達到引領(lǐng)學(xué)生價(jià)值觀(guān)的目的。
1 機械工業(yè)數字化在線(xiàn)學(xué)習平臺的方案設計
1.1 機械工業(yè)數字化在線(xiàn)學(xué)習平臺的開(kāi)發(fā)引擎選擇
為了提高平臺系統傳播效率，降低平臺系統對硬件的要求，保證平臺系統的適配性，該虛擬仿真平臺將用以Web平臺為主要運行平臺的引擎PlayCanvas進(jìn)行開(kāi)發(fā)［5］，由于設計之初PlayCanvas參考了主流游戲引擎的交互模式，相關(guān)技術(shù)人員從Unity3D過(guò)渡到PlayCanvas較為容易。
1.2 機械工業(yè)數字化在線(xiàn)學(xué)習平臺的流程規劃
機械工業(yè)數字化在線(xiàn)學(xué)習平臺的開(kāi)發(fā)思路如下：平臺內容應從機械工程類(lèi)相關(guān)課程中的重點(diǎn)難點(diǎn)入手，根據時(shí)代特色，結合相關(guān)知識點(diǎn)，構建虛擬展館，并針對相關(guān)機械結構進(jìn)行建模。結合相關(guān)機械結構，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)講解機械工程類(lèi)課程中的相關(guān)知識點(diǎn)，潛移默化地實(shí)現課程思政教育［6］。整體設計方案如圖1所示。
機械工業(yè)數字化在線(xiàn)學(xué)習平臺的交互將分成兩部分，其中一部分為漫游環(huán)節，用戶(hù)能夠以第一人稱(chēng)視角在虛擬的展館中游覽參觀(guān)，觀(guān)看相關(guān)展品［7］。點(diǎn)擊相關(guān)展品，即可進(jìn)入知識點(diǎn)學(xué)習模塊，此時(shí)交互模式切換為產(chǎn)品展示視角，操作方式調整為鼠標按住左鍵拖動(dòng)旋轉展品，按住鼠標中鍵拖動(dòng)平移展品，使用滾輪縮放展品。如需顯示相關(guān)知識點(diǎn)的輔助平面、輔助軸等參數，可通過(guò)點(diǎn)擊相應UI加以顯示［8］。
2 機械工業(yè)數字化在線(xiàn)學(xué)習平臺的素材制作
2.1 三維美術(shù)資源制作
根據設計，整個(gè)平臺將分為展館入口、農業(yè)文明展館、第一次工業(yè)革命展館、第二次工業(yè)革命展館、第三次工業(yè)革命展館、中國制造2025展館、展望未來(lái)7個(gè)場(chǎng)館。需要針對展館的特色以及相關(guān)機械結構進(jìn)行建模，在三維美術(shù)資源構建時(shí)應控制模型面數以及貼圖尺寸，模型面數過(guò)大將導致模型加載緩慢、場(chǎng)景運行卡頓。將模型按照展館場(chǎng)景分塊制作，分塊導出為FBX格式并傳遞到PlayCanvas引擎中，讓系統始終只載入用戶(hù)所處展館和與之相鄰的前后展館，能夠減少系統加載時(shí)間，提高運行效率。具體如圖2所示。
2.2 傳統素材處理
由于部分機械發(fā)明時(shí)間久遠、形態(tài)復雜，可通過(guò)視頻、文本、圖片等傳統表現形式加以補充。為了降低平臺使用成本，可將視頻上傳到免費的視頻托管平臺，再通過(guò)iFrame將視頻的url嵌入平臺中。
3 機械工業(yè)數字化在線(xiàn)學(xué)習平臺的功能實(shí)現
3.1 漫游視角功能實(shí)現
博物館漫游模塊將采用第一人稱(chēng)視角，如圖3所示。用戶(hù)左右移動(dòng)鼠標控制用戶(hù)視角沿y軸轉動(dòng)，前后推動(dòng)鼠標控制用戶(hù)視角沿x軸轉動(dòng)，按下鍵盤(pán)上“wsad”鍵控制用戶(hù)前后左右移動(dòng)。相關(guān)代碼如下：
FirstPersonMovement.prototype.initialize = function（）{
this.force = new pc.Vec3（）;
//申明新的坐標用于控制用戶(hù)前進(jìn)時(shí)受力方向
this.eulers = new pc.Vec3（）;
//申明新的坐標用于控制用戶(hù)前進(jìn)時(shí)用戶(hù)朝向
FirstPersonMovement.prototype.update = function（dt）{
if （app.keyboard.isPressed（pc.KEY_A））{
x += right.x;
}
if （app.keyboard.isPressed（pc.KEY_D））{
x -= right.x;
}
if （app.keyboard.isPressed（pc.KEY_W））{
z += forward.z;
}
if （app.keyboard.isPressed（pc.KEY_S））{
z -= forward.z;
}
//檢測“wsad”鍵是否被按下，用于控制entity自身所受的力的方向
force.set（x，0，z）.normalize（）.scale（this.power）;
this.entity.rigidbody.applyForce（force）;
//當用戶(hù)按下“wasd”鍵后，對entity自身朝 （x，0，z）方向上施加數值為this.power的力。
}
};
FirstPersonMovement.prototype._onMouseMove = function（e）
if （e.buttons［0］）{
this.eulers.y -= this.lookSpeed * e.dy;
this.eulers.x -= this.lookSpeed * e.dx;
}
//如果鼠標左鍵按下，則通過(guò)鼠標在屏幕上移動(dòng)過(guò)x軸和y軸的像素控制camera角度
};
3.2 展館介紹功能開(kāi)發(fā)
由于展館中展品需要通過(guò)文本、視頻等形式加以介紹，系統將設置為只有當用戶(hù)足夠接近展品，才進(jìn)行文本、視頻的顯示，此處在每一個(gè)展示臺之前設置碰撞塊，當表示用戶(hù)的entity與碰撞塊發(fā)生碰撞時(shí)，載入視頻以及文本，如圖4所示。相關(guān)代碼如下：
Trigger.prototype.onTriggerEnter = function（entity）{
//當用戶(hù)靠近展臺時(shí)
this.trigger_ui.setLocalPosition（position）;
//將展示臺上的UI移動(dòng)到正確位置
this.trigger_introduce_text.element.text = this.introduce_text_txt;
//在UI上顯示該展品的介紹
this.trigger_movie.script.setMoviePlayerUrl.get_url_now（this.a_jie_shao_url）;
//獲取需要播放介紹視頻的url}
3.3 零件查看以及裝配功能開(kāi)發(fā)
為了能夠從多角度自由觀(guān)看博物館展品，按住左鍵拖動(dòng)鼠標旋轉展品，按住鼠標中鍵拖動(dòng)平移展品，滑動(dòng)滾輪縮放展品，如圖5所示。為了使操作更加流暢，將直接控制對象設置為一空物體，將展品設置恒定速度實(shí)時(shí)與空物體同步。
相關(guān)代碼如下：
ObjectShower.prototype.update = function（dt）{
position.lerp（position，this.target.getPosition（），this.speed * dt）;
rotation.slerp（rotation，this.target_child.getRotation（），this.speed * dt）;
//將展品模型以speed的速度與空物體同步
};
ObjectShower.prototype._onMouseMove = function（e）
if （e.buttons［0］）{
this.eulers.y += this.lookSpeed * e.dy;
this.eulers.x += this.lookSpeed * e.dx;
//按住鼠標左鍵拖動(dòng)旋轉展品
}
if （e.buttons［1］ && this.if_can_move）{
this.first_pos_x += e.dx/100;
this.first_pos_y -= e.dy/100;
}
//按住鼠標中鍵拖動(dòng)平移展品};
零件裝配功能可復用零件位移的部分代碼，增加在位移過(guò)程中與正確位置進(jìn)行比較的字段，如零件的位置和角度與正確位置較為接近，則自動(dòng)吸附到該位置上，表示裝配成功，具體如圖6所示。
關(guān)鍵代碼如下：
var distance = this.part_pos.getPosition（）.distance（this.target_pos.getPosition（））;
if（distance < this.min_dis）
{
this.part_pos.setLocalPosition（this.target_pos.getPosition（））;
}
4 導出與部署
PlayCanvas支持將工程打包為html文件導出，用戶(hù)可自行部署在本地服務(wù)器，也可使用PlayCanvas官方自帶的托管服務(wù)器進(jìn)行展示。
在操作界面點(diǎn)擊右側的Publish/Download按鈕，在彈出的界面中選擇BULIDS&PUBLISH選項，在彈出的菜單中選擇左側“PUBLISH TO PlayCanvas”即可將平臺的網(wǎng)頁(yè)托管在PlayCanvas服務(wù)器中。在彈出的菜單中選擇右側“DOWNLOAD.ZIP”即可將平臺網(wǎng)頁(yè)打包下載，可用于部署平臺網(wǎng)頁(yè)。
5 結語(yǔ)
本文以機械工業(yè)數字化在線(xiàn)學(xué)習平臺為例，簡(jiǎn)述了目前市面上較為冷門(mén)的PlayCanvas引擎的優(yōu)勢、Web端在線(xiàn)軟件的開(kāi)發(fā)流程。介紹了相關(guān)功能的設計流程和代碼算法，以PlayCanvas為開(kāi)發(fā)平臺，開(kāi)發(fā)了運行效率高、適配性強、交互手段豐富的在線(xiàn)學(xué)習平臺。并最終讓平臺成功上線(xiàn)，在南京工業(yè)大學(xué)2021級機械設計專(zhuān)業(yè)應用，取得了良好的教學(xué)效果。由于系統基于Web端，除了在課堂上將其當做課件使用，用戶(hù)還可通過(guò)手機、PC、平板等設備自由游覽，學(xué)習相關(guān)機械知識。
參考文獻
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［7］晉溶辰，周雯，張艷，等.以案例為基礎的虛擬仿真實(shí)驗結合翻轉直播課的應用評價(jià)和體會(huì )［J］.護理實(shí)踐與研究，2022（19）：2979-2983.
［8］伍漢強，鄭仕強，伍家志.虛擬仿真結合3D打印技術(shù)在脊柱骨折手術(shù)中的應用［J］.海南醫學(xué)，2022（19）：2500-2503.
（編輯 沈 強）
Construction of digital online learning platform for mechanical industry based on PlayCanvas
Mi? Tian
（Academic Affairs Office， NanjingTech University， Nanjing 210000， China）
Abstract：? Aiming at the problems such as the single teaching form， insufficient teaching resources， and difficulty in reproducing teaching courseware of mechanical engineering courses in colleges and universities at present， taking the Digital Online Learning Platform for Mechanical Industry as an example， an online learning platform based on the achievements of ancient， modern， and modern mechanical industries in China has been developed using the playcanvas engine. This paper introduces 3D model mapping and import， animation resource import， online platform function development and implementation， UI module function and implementation in the form of cases， and builds an online learning platform that can freely tour and roam， freely rotate and scale exhibition items， disassemble and assemble models， and learn knowledge.
Key words：
virtual simulation; online museum; digital courseware; PlayCanvas; ideological and political curriculum
