三維建模與仿真技術(shù)在機(jī)械類課程教學(xué)改革中的應(yīng)用實踐*

趙敬云，任 娟

（1.河南機(jī)電高等專科學(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453000;2.河南省工業(yè)科技學(xué)校 河南 新鄉(xiāng) 453003）

機(jī)械制造及自動化專業(yè)作為一門傳統(tǒng)的工科專業(yè)，由于對實踐教學(xué)要求較高，教學(xué)設(shè)備投入較大，課堂教學(xué)需準(zhǔn)備大量的教具、掛圖。雖然各高校的基礎(chǔ)不同，在辦學(xué)過程中如何做到在保證教學(xué)效果的前提下少投入，即追求教學(xué)效果的“性價比”，這一點認(rèn)識是統(tǒng)一的。國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)指出:教師要把教學(xué)作為首要任務(wù)，不斷提高教育教學(xué)水平;加強(qiáng)實驗室、校內(nèi)外實習(xí)基地、課程教材等教學(xué)基本建設(shè)，深化教學(xué)改革［1］。因此在現(xiàn)有教學(xué)條件下如何提高教學(xué)質(zhì)量，提高實踐教學(xué)效果是每所工科高校必須面對的基本課題。

就目前機(jī)械制造及自動化專業(yè)來講，其主干課程機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、工程力學(xué)、金屬工藝學(xué)、液壓與氣壓傳動、機(jī)械制造技術(shù)等本身在教學(xué)過程中需要準(zhǔn)備大量的教具，學(xué)生測繪、設(shè)計等課程需要使用大量的教學(xué)模型，這種現(xiàn)狀的缺點一是教學(xué)投入大，二是教具的管理繁瑣，三是掛圖和模型都是靜止的，不夠直觀。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，在機(jī)械制造及自動化專業(yè)教學(xué)中引入三維建模與仿真技術(shù)，將傳統(tǒng)掛圖改為電子掛圖，教具改為電子教具，教學(xué)模型改為電子模型，利用機(jī)房或者學(xué)生自己的計算機(jī)，任課教師提供相應(yīng)的軟件，就可以完成測繪、課程設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)的教學(xué);也可以作為實踐教學(xué)的輔助教學(xué)手段，提高了教學(xué)效果，優(yōu)化了教學(xué)資源配置。

1 教學(xué)內(nèi)容的改革

1)對制圖課的教具進(jìn)行改革，將實物教學(xué)模型改為電子教學(xué)模型，如圖1所示，將電子模型作為作業(yè)和教具發(fā)布于校園網(wǎng)中，拓展課堂教學(xué)。在液壓傳動課程中引入三維數(shù)字模型，將液壓泵、液壓閥的的模型利用三維軟件進(jìn)行三維管道連接，通過計算機(jī)模擬液壓工作站的裝配過程，增加液壓傳動課程的可觀性，教學(xué)效果增強(qiáng)。

2)對制圖測繪過程改革，將測繪零件的三維數(shù)字模型發(fā)給學(xué)生，將零件的手工測繪改為電子測繪。這樣可以增加制圖測繪的分組數(shù)目，而且可以減少模型的投入，并且可以杜絕學(xué)生在測繪過程中的抄襲現(xiàn)象。

3)在機(jī)械制造基礎(chǔ)課程中引入三維數(shù)字模型，將傳統(tǒng)的機(jī)械加工過程改為在虛擬加工軟件中演示，通過修改刀具參數(shù)進(jìn)行加工模擬，使學(xué)生直觀地了解到刀具前角、后角、刃傾角、主偏角、副偏角等對切削過程的影響。在學(xué)習(xí)切削機(jī)床過程中，甚至可以將虛擬演播室的視角引入到主軸箱內(nèi)部，從而提高教學(xué)效率，增強(qiáng)課程的直觀性。

4)在機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程中引入三維數(shù)字模型，將四連桿機(jī)構(gòu)，行星輪機(jī)構(gòu)，齒輪機(jī)構(gòu)的傳動模型全部利用pro/e的三維運動功能模擬，進(jìn)行形象教學(xué)。特別在講述四連桿機(jī)構(gòu)時，學(xué)生通過修改參數(shù)可以直觀地得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。

圖1 機(jī)械制圖課程電子教具庫

2 教學(xué)方法的改革

1)教學(xué)形式采用多媒體教學(xué)

隨著多媒體技術(shù)在教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，其在工科教學(xué)中應(yīng)用必然成為一種趨勢。機(jī)械制圖是一門知識性和實踐性都很強(qiáng)的課程。采用多媒體教學(xué)，大大縮短了授課時間，學(xué)生有時間在課堂上對學(xué)習(xí)的知識進(jìn)行消化和吸收，能夠及時地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

圖2 機(jī)構(gòu)運動仿真在教學(xué)中的應(yīng)用

在教學(xué)過程中，強(qiáng)化學(xué)生繪制木模草圖的訓(xùn)練，可以加強(qiáng)學(xué)生由三維到二維、二維到三維的相對融合，對提高學(xué)生的視圖表達(dá)能力和繪制手工草圖的能力有極大的幫助。因而在講解組合體時，始終貫穿著繪制木模的訓(xùn)練，教師只是起到了引導(dǎo)和總結(jié)方法的作用。

2)充分利用校園網(wǎng)平臺

校園網(wǎng)絡(luò)介于局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間，既具有局域網(wǎng)絡(luò)的高速性，又擁有互聯(lián)網(wǎng)的廣泛信息，因此可以充分利用校園網(wǎng)作為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的基本平臺。通過校園網(wǎng)的留言系統(tǒng)、或者利用即時通信軟件可以實現(xiàn)師生的交流。比如建立一個公共的在線答疑系統(tǒng)，為每個教研室建立一個網(wǎng)絡(luò)答疑室，每天在答疑時間安排教師值班，可以通過校園網(wǎng)實現(xiàn)全校講授課程的在線答疑。這種課程輔導(dǎo)形式不僅可以實現(xiàn)教師隨時解惑，而且節(jié)約教學(xué)資源，不參與答疑的教師可以有更多的時間投入到科研、教研活動中去。

利用校園網(wǎng)建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫，通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)精品課程建設(shè)平臺共享網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫。從而減少教師備課時查找資料的重復(fù)性工作時間，提高教師備課的效率。此外，精品課程建設(shè)平臺可向社會提供服務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)運行中可以得到實踐，在擴(kuò)大學(xué)校影響的同時，促進(jìn)精品課程的發(fā)展和完善。學(xué)生在學(xué)習(xí)之余可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)程度訪問這些共享資源，通過網(wǎng)頁提供的鏈接或在網(wǎng)站的索引中，可輕松自如地進(jìn)入相應(yīng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，在獲得知識同時，鍛煉了信息處理的能力及學(xué)習(xí)的態(tài)度，便于學(xué)生自學(xué)，提高學(xué)習(xí)效率。

電子圖書資源作為網(wǎng)絡(luò)資源庫的有機(jī)組成部分，其應(yīng)用程度決定著教學(xué)改革的成敗。目前很多高校都擁有清華學(xué)術(shù)期刊、萬方電子資源數(shù)據(jù)庫、中國人民大學(xué)報刊數(shù)據(jù)庫等電子期刊查詢、閱覽服務(wù)，這對于專業(yè)知識的擴(kuò)充提供了方便，而且電子期刊查詢方便，快捷。對于課外知識的擴(kuò)充可以訪問書生之家電子圖書、超星數(shù)字圖書等電子圖書資源。不僅如此，有聲圖書資源，多媒體學(xué)習(xí)資源庫的建立更是進(jìn)一步拓寬了網(wǎng)絡(luò)圖書資源的應(yīng)用。

3)虛擬工程環(huán)境應(yīng)用

圖3 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境教學(xué)資源庫的應(yīng)用

工科高校畢業(yè)生就業(yè)后執(zhí)業(yè)能力取決于在校期間工程環(huán)境訓(xùn)練程度，因此工程環(huán)境的建立是每所工科高校必備的課題。目前很多高校與企業(yè)聯(lián)合建立了大量的工程訓(xùn)練中心、工程實訓(xùn)中心，有的高校提出訂單式培養(yǎng)，畢業(yè)生動手能力強(qiáng)、上手快、就業(yè)率高。各個高校的基本情況大不相同，有的高校由于資金問題，儀器設(shè)備不足，只能幾個人一組，學(xué)生動手的機(jī)會很少，有的高校輔導(dǎo)教師人員不足，在制訂專業(yè)培養(yǎng)計劃時學(xué)時有限，實驗實訓(xùn)課程開出率較低。有的高校既不缺資金，也不缺人員，但由于專業(yè)特殊，像航空維修與工程、航空維修管理等專業(yè)，學(xué)校不可能買來幾架波音飛機(jī)供學(xué)生拆裝實習(xí)。針對不同的教學(xué)基礎(chǔ)建立虛擬實驗室，充分利用虛擬設(shè)計、虛擬實訓(xùn)等資源，利用多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等營造出一個身臨其境的實訓(xùn)仿真環(huán)境;對學(xué)生利用虛擬教學(xué)資源演示教學(xué)，讓學(xué)生在仿真環(huán)境中反復(fù)模擬實驗、操作、演練等，這樣在真實操作中可以提高學(xué)生操作的準(zhǔn)確率并縮短真實實訓(xùn)所需的時間。

工程環(huán)境仿真軟件可以降低實驗材料的損耗，比如數(shù)控加工實訓(xùn)，學(xué)生直接上機(jī)床實驗，材料、刀具、設(shè)備損耗都非常大，在實訓(xùn)之前借助數(shù)控仿真軟件，熟悉機(jī)床操作，通過仿真軟件檢驗數(shù)控編程的相符程度，從而節(jié)省了大量經(jīng)費。

由于視覺的原因，某些真實設(shè)備不如虛擬設(shè)備直觀，比如機(jī)床減速器，仿真的減速器將上箱體作為透明，從而清楚地看到減速器的具體結(jié)構(gòu)，特別是液壓元件，其原理圖和零件的實際結(jié)構(gòu)圖相差迥異，通過虛擬零件獲得原理性知識更為深刻。

圖4 虛擬實驗室儀器設(shè)備

3 考試方法的改革

課程考試的方式主要有閉卷考試、開卷考試、課程書寫論文、大型作業(yè)、課程答辯等，目前我國大多數(shù)高校仍沿用必修課程采取閉卷考試方式，選修課程結(jié)合課程要求采取其他考試形式。而開卷考試、書寫論文、大型作業(yè)等往往依靠教師主觀評定學(xué)生成績，存在偏差，教師的工作量很大。如果采取閉卷考試，以成績作為評價學(xué)生課程掌握程度的話，雖然閉卷考試可以分為主觀題目和客觀題目，但是有些學(xué)習(xí)能力的測試無法在試卷上體現(xiàn);比如計算機(jī)繪圖課程，可以利用閉卷考試考察命令掌握情況，但是命令的綜合應(yīng)用能力無法測試，如果采用上機(jī)考試，如果當(dāng)場打分，教師的工作量很大，如果不當(dāng)場打分，成績的公正性又無法得到保證。因此必須進(jìn)行考試方式改革。

以計算機(jī)繪圖課程為例，為了測試學(xué)生綜合應(yīng)用能力，建立一個計算機(jī)繪圖課程的圖形庫，利用通用網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)隨機(jī)抽題，可以保證考試效果，但這些試題屬于主觀試題，考試結(jié)束需要教師人工改卷，后續(xù)工作量較大?？梢园褜W(xué)生繪制的復(fù)雜圖形化解，學(xué)生圖形繪制完畢，讓其測量圖形面積，給出幾個備選答案。如果圖形繪制正確，面積測量正確，那么就可以選出一個正確答案。這樣就把主觀題目改造成為客觀題目，便于計算機(jī)評分，將教師從復(fù)雜的勞動中解脫出來。

4 備課方式的改革

建立教研室專用機(jī)房。當(dāng)前的計算機(jī)軟件更新很快，同時新的教學(xué)軟件不斷涌現(xiàn)，因而要求任課教師必須不斷地更新知識，加強(qiáng)交流與學(xué)習(xí)。另一方面，多媒體教學(xué)使得計算機(jī)的應(yīng)用更加廣泛，備好一節(jié)課需要大量的多媒體素材;集中備課可以使教學(xué)課件在大綱的統(tǒng)一要求下，每位教師的課件又各有特色，避免了課件一個人做，大家用，千篇一律的現(xiàn)象，從而加快教研室的發(fā)展和完善，使這種全新的教學(xué)模式盡快地趨于成熟，確保教學(xué)質(zhì)量的穩(wěn)定。

5 結(jié)語

隨著企業(yè)信息化建設(shè)，三維建模技術(shù)目前在企業(yè)中的應(yīng)用逐漸普及，把三維數(shù)字建模技術(shù)由企業(yè)引回學(xué)校教學(xué)，將三維數(shù)字建模技術(shù)作為教學(xué)的輔助手段，提高CAI的應(yīng)用范圍，這是一個全新的嘗試。

本文主要以機(jī)械制造及自動化的5門主干課程做了嘗試，將信息化教學(xué)投入到機(jī)械類專業(yè)的教學(xué)中。但是對于其他專業(yè)，如何應(yīng)用需要結(jié)合專業(yè)教學(xué)情況，對使用的具體軟件進(jìn)行二次開發(fā)。

［1］孫淑萍，胡秋宏.高職公共基礎(chǔ)課教學(xué)改革的路徑選擇［J］.職業(yè)技術(shù)教育，2010，(4):44 －46.

［2］單力巖，王麗麗.多媒體技術(shù)與《機(jī)械制圖》課堂教學(xué)［J］.職業(yè)技術(shù)，2010，(4):43 －44.

［3］康蘭.基于參數(shù)化技術(shù)的工程圖學(xué)計算機(jī)輔助教學(xué)［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2005，160 －161.