动车组三维模型数字教学资源库建设

动车组三维模型数字教学资源库建设

曹楚君，黄乐艳

(湖南高速铁路职业技术学院，湖南 衡阳 421002)

摘  要：通过对数字教学资源库建设现状的分析，提出了建设动车组三维模型数字教学资源库的思路，根据建设思路，分析了获得动车组零部件的数据的方法和模型发布的形式，并给出了设计实例。实践证明，通过企业共享、网络平台收集、利用产品手册上图纸和现场测绘等方式可以获得动车组零部件的数据。通过自建数据库、借用教学资源平台、生成三维模型数据包、利用edrawings软件和借用商业三维模型展示平台等形式，可以有效将三维模型资源发布到网络，形成交互式模型库。

关键词：动车组;数据库;教学资源平台；三维模型

中图分类号：TP392                       文献标志码：A

项目基金：湖南省教育科学“十三五”规划课题：动车组三维模型数字教学资源库建设（XJK19CZY103）

1引言

近年来，我国高速铁路技术得到了日新月异的发展，不管是在铁路的运营里程上、动车组运营速度上，还是在动车组的数量上，均居世界第一。据统计，截止2021年底，我国高铁运营里程超过4万公里；我国动车组数量超4000个标准编组。

动车组技术突飞猛进发展，使得铁路行业急需大批高素质技术技能人才进行维护与检修，也需要大量的实训教学设备。但高职院校的实训设备更新换代速度跟不上动车组技术发展的速度，各高职院校纷纷将目光投入到建设共享实训资源、虚拟实训资源和数字教学资源上来。

2.数字教学资源库建设现状

数字教学资源库的建设对提高教学质量，扩展学生学习途径和知识范围意义重大，国内许多学者在资源库、三维模型库和动车组建模等方面作出了大量的研究。如刘艳[1]，从职业能力标准、专业教学资源库一体化设计、专业教学资源库共建路径、专业教学资源共享模式等方面进行研究，提出构建“四维一体”的职业能力标准，确定数字化专业教学资源库一体化设计。

斯琴花[2]提出强化汽车维修培训教学资源库的建设与开发，不仅能为学生创造更良好的学习条件，让学生掌握先进的专业知识和技能，还能让学生和社会保持同步调发展，从而为社会输送更多专业性人才。

黄杰和聂蓉[3]提出通过轨道交通企业“1+X”证书开发及高水平专业群创新服务平台的建设，形成了基于校企成果转换的产教研校企共生式资源建设新模式，让资源库的建设推动职业教育专业及专业群高水平、有特色地建设与发展。

邱晓欢和陈选民 [4]提出通过校际联合、校企合作，进行资源布局和平台功能一体化设计，建设城市轨道交通车辆技术共建共享型资源库。

张芳玲[5]提出了建设产教融合共建共享型数字教学资源库的有效途径。

张娅 [6]提出基于三维动画技术，针对园林工程类课程的“动画模拟”教学资源库构建。

谭金翠 [7]提出了课程教学资源库建设的优化策略和建设方向。

李万鹏和滕莉娜 [8]提出了高职院校动车组检修专业课程群建设的基本思路,并加以例证。

朱坤英 [9]提出了高职院校需要在专业教学资源库建设期间,从资源平台顶层设计出发,遵循现代教学理念,在构建主义、工学结合等思想基础上完善设计内容,加强资源内容的内在联系,增强专业教学资源平台的开放性、共享性。

戴琨和张建军 [10]提出优化虚实一体、学做交融、工学结合的"四阶段工学交替"人才培养方案,按照职业人才成长规律,实施校企双主体育人，促进校企资源共享。

陈明忠[11]提出运用先进的仿真虚拟技术,开发出系统完整且适用的课程资源库和实训资源库是高速铁路动车组专业建设重要的阶段目标。

陈苗[12]提出在产教融合背景下，有效整合利用企业教育资源，通过资源共享满足学生的个性化、自主化学习需求。

洪俊[13]在其硕士毕业论文提出三维可视化教学资源可以给学习者带来更完美的色彩丰富度和空间体验感,以此给人逼真的视觉体验。

同时，数字教学资源库建设也是为了深入贯彻落实党的教育方针，积极推进“互联网+”行动，切实加快教育信息化进程，以教育信息化支撑和引领教育现代化，服务教育强国建设的要求。

通过对国内资源库建设相关文献研究，发现资源资源库建设主要集中在产教融合、资源共享、动画仿真等方面。本文在现有的研究基础上，提出利用三维建模技术，创建动车组列车的三维数字化模型，发布到共享平台，作为教学素材资源。教师或学生利用这些资源，教师结合学校实际情况，制作教学资料，将各自的教学理念融入教学资料中，能更好组织课堂教学。学生利用数字资源，进行碎片化知识点学习。

3.数字教学资源库建设思路

通过产教融合、企业共享和现场测绘等方式，获得动车组各系统零部件的数据，利用如UG、SolidWorks、CREO、CATIA等主流三维设计软件进行三维数字化建模，创建动车组三维数字模型库。对三维数字模型按动车组的九大关键系统进行分类，创建模型索引和目录。通过模型格式转换，获得能发布到智慧职教、智慧树、超星学习通等国内主流的资源库平台的3D资源。也可以建立自己的三维模型数据库，或者利用商业三维模型数据库平台公司，如新迪数字，将动车组的三维模型纳入其产品数据库，供学习者下载使用。还可以将三维模型做成离线数据包，供学习者下载到电脑和手机上，再利用通用三维模型浏览分析软件，如edrawings等打开，进行资源的学习。建设思路如图1所示。

图1 数字教学资源库建设思路

通过以上方式建设资源库，可为各高职院校师生提供丰富的教育教学资源，这些三维数字化模型对于资源比较薄弱的中西部高职院校尤为重要。也可为交通运输类企业技术人员提供自主学习平台。这种方也可推广到高职院校其他专业，如机电一体化、飞机检修、船舶检修、汽车修理、工程机械等专业。最后，数字教学资源库也是深化教学改革，推动教育信息化发展的需要。

4.数字教学资源库实施过程分析

根据数字教学资源库建设思路，本文将从动车组三维数字模型建立、动车组模型分类和模型发布等三个方面，分析资源库建设实施的过程和方法。

4.1动车组三维数字模型建立

通常，动车组技术资料，尤其是九大关键系统的资料，属于企业的保密技术，不会主动对外公布。但是，由于技术研发、售前售后等工作的需要，也不可避免会主动或被动公布一些技术文件，主要通过四个途径。

途径一：企业为了进行技术创新和优化设计，往往与国内的动车组技术研究机构、铁路类高等院校合作，企业提供部分技术资料，科研单位和高校获得技术资料后进行优化设计与试验研究，研究结果发表后，技术就公开了。

途径二：动车组生产厂家研发出的产品销售到各铁路局，会随机附带动车组产品手册、检修资料，其中会涉及到许多的零部件工程图纸。动车组生产厂家为了对动车段员工进行培训，会提供一些培训资料或二维图纸和三维模型。减轻铁路局动车段检修和处理动车组。

途径三：国内一些动车组仿真系统生产厂家，在进行仿真系统开发过程中，通过到动车组生产厂家进行购买技术获得整套或部分产品数据文件。

途径四：国内一些动车组技术爱好者和项目项目研究者，为了项目研究，会到现场进行动车组部分零部件进行测绘。

通过以上途径，我们获得了动车组技术的数据，再利用如UG、SolidWorks、CREO、CATIA等三维设计软件对其建模，形成动车组数字化三维模型。如图2为动车组转向架三维模型，图3位动车组轮对三维模型。

图2 动车组转向架三维模型

图3动车组轮对三维模型

4.2动车组三维数字模型分类

青岛四方公司曾提供的数据表明，一列复兴号动车组有50多万个零部件，其中，核心零部件10万个以上。平均每节车厢1.25万个核心零部件。我们依据动车组九大关键技术，按系统对动车组庞大的数字模型进行了分类，如图4所示。将动车组三维数字模型分为牵引传动系统、动车组总成、网络控制、车体、转向架、制动控制、牵引变流器、牵引变压器和牵引变流器等

图4 动车组三维数字模型分类

4.3三维数字模型发布

三维数字模型的发布可以通过自建数据库、借用教学资源平台、生成三维模型数据包、利用edrawings软件功能和借用商用三维模型展示平台等五种方式实现。

（1）自建数据库

利用三维设计软件对动车组零部件进行三维建模后，需要对零件进行格式转换，以便发布在各网络平台。本数据库利用CADbro软件将三维模型转化为*.html格式文件[14-15]。再将这些三维资源文件发布到网络，学习者直接点击*.html格式文件，就可以在电脑或手机上打开三维模型，进行学习，可以实现三维模型的移动、旋转和缩放，对于结构比较复杂的模型，可以利用剖切工具对三维模型进行三个方位的剖切；对于装配部件，可以查看爆炸视图、选择隐藏某些零件来简化模型，还可利用测量工具，对三维模型的尺寸进行测量。这样，学习者可以全方位掌握动车组零部件内外结构。如图5所示。

图5 CR400BF转向架构架.html格式文件

更进一步，可三维模型转换为图片，同时，在CADbro软件中，将动车组三维模型上传到云盘中，在云盘中将三维模型转换为二维码，再将二维码与图片融合，形成融媒体文件，如图6所示。编入教材或嵌入到教师授课PPT中，在学习到对应的动车组结构时，学生借助自己的手机，扫描二维码就可以学习与操作三维模型。操作方式和功能同*.html格式文件一样。

图6 CR400BF转向架构件融媒体文件

借助三维设计软件中三维模型和二维工程图的关联性，可以很方便获得动车组零部件的二维工程图，工程图中具有零部件详细的尺寸、公差和表面质量要求，学习者可以更加深入掌握动车组零部件的信息，为更好的检修和处理动车组提供指导作用。如图7所示，为转向架构架的二维工程图。

图7 转向架构架二维工程图

为了更清晰地展示动车组部件的工作原理和各零部件之间的装配关系，三维设计软件都提供有运动分析模块来模拟部件的运动过程或装配关系，并生成动画视频。如图8所示为转向架上基础制动装置的运动过程动画截图。

图8 转向架基础制动装置的运动过程动画

通过自建动车组三维模型数字资源库，我们实现了三维模型、二维工程图和零部件的运动仿真动画视频等资源，以*html格式文件和二维码的形式，发布到云平台上，供学习者使用。其优点是资源样式较多，CADbro功能强大，学习者可在电脑和手机端操作。

（2）借用教学资源平台

目前，国家大力进行在线精品开放课程和专业教学资源库建设。我们可以将动车组三维模型数字资源发布到智慧职教、智慧树、超星学习通等国内主流的资源库平台，作为3D资源和虚拟仿真资源。以超星学习通资源平台为例。我们将线下绘制好动车组的零部件模型存为*.obj、*.ply、*.stl或*.vtk格式文件，就可以上传并嵌入到资源库平台。在资源库平台上，学习者可以操作3D资源，通过移动、拆解和缩放等方式开展自主学习，如图9所示。这种方式资源库建设简单，学习者可在电脑或手机端操作，缺点是3D资源呈现的方式受制于资源库平台的功能。

图9 基于超星学习通平台的转向架构架3D资源

（3）生成三维模型数据包

将动车组三维模型转换为*.igs、*.stp、*.neu或*.x_t等格式文件，打包，生成散文模型数据包，上传到云盘，供学习者下载到自己的电脑中，再由电脑中安装的三维软件打开三维模型。大部分三维设计或看图软件都能打开以上格式的文件。这种方式简单，但需要学习者电脑中安装三维设计或看图软件，并且不适合手机端学习，不能在网络上操作学习。

（4）利用edrawings软件功能

eDrawings是非常实用且性能突出的CAD文件的查看、设计交流和沟通的工具[16-17]，软件占内存小，方便用户在没有安装其他CAD 软件的情况下，直接打开文件，而且支持多种格式。该软件兼容windows、iOS和Android三种系统，可以集成到UG、SolidWorks、CREO、CATIA、AutoCAD等国内主流设计中。软件功能十分强大，可以实现对三维模型旋转、缩放、剖切、移动、测量、隐藏部分零件、生成装配件爆炸图和生成动画等，如图10所示。

图10 edrawings软件环境中的转向架构架

将三维设计软件建立的动车组零部件三维模型另存为或导出为*.eprt、*.easm、*.sldprt、*.sldasm、*.stl、*.prt、*.asm等格式文件，利用eDrawings软件打开动车组零部件三维模型。也可以利用eDrawings软件将三维模型打包成*.exe可执行文件，学习者下载文件后，在电脑和手机上即可浏览学习三维模型。eDrawings软件功能强大，文件格式兼容型好，但是，需要将资源下载才能学习，不能直接在网络上操作学习。

（5）借用商业三维模型展示平台

将动车组三维模型交给商用三维模型数据平台，平台上内置了三维设计软件或看图软件，可以在网络上方便浏览和学习三维模型文件。但是，需要付出租借费用。

5.结论

实践证明，通过企业共享、网络平台收集、利用产品手册上图纸和现场测绘等方式获得动车组零部件的数据，利用三维设计软件建立三维数字模型，在通过自建数据、借用教学资源平台、生成三维模型数据包、利用edrawings软件和借用商业三维模型展示平台等形式，将三维模型资源发布到网络，形成交互式模型库，改变了传统的教学模式。可以有效地提高学生学习兴趣，培养学生自主学习的能力，学生可以根据自身的学情特点，挣脱时间和空间的限制，进行碎片化学习。随着互联网和各种软件、平台技术的发展，三维模型数字教学资源的应用前景将变得更加广阔。

参考文献：

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[4]邱晓欢,陈选民.城市轨道交通车辆技术的教学资源库建设实践[J].电子技术,2022,51(05):144-145.

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[6]张娅,许佳佳,段安琪.基于三维动画技术的园林工程教学资源库建设与应用[J].城市建筑,2022,19(06):196-198.

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作者简介：

第一作者曹楚君（1979.09-），男（汉族），湖南省益阳市人，硕士研究生，二级学院副院长，副教授，主要研究领域为动车组制动系统。

第二作者黄乐艳（1981.05-），女（汉族），湖南省邵阳市人，硕士研究生，讲师，主要研究领域为城市轨道交通车站设备应急处理。

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