淺談Inventor在機(jī)械專業(yè)課教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：本文通過(guò)機(jī)械制圖和機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)的具體案例，闡述了Inventor軟件在中職機(jī)械專業(yè)課程教學(xué)中應(yīng)用的意義和可行性，并提出了虛擬模型庫(kù)建設(shè)的基本框架。

關(guān)鍵詞：Inventor 虛擬模型庫(kù) 機(jī)械專業(yè) 教學(xué)

一、機(jī)械專業(yè)課教學(xué)中存在的問(wèn)題

在機(jī)械專業(yè)課程的教學(xué)中，有相當(dāng)一部分課程都涉及形體教學(xué)，如機(jī)械制圖、機(jī)械基礎(chǔ)、機(jī)械制造等等。傳統(tǒng)的授課方式中，教師通過(guò)板圖、掛圖和實(shí)物模型等教學(xué)手段來(lái)輔助教學(xué)。從教學(xué)效果和效率上來(lái)看，這些方式都存在著一定的局限性，比如現(xiàn)成零件和模型有限、部件模型欠缺、模型尺寸偏小、不宜攜帶且成本高等。往往教師費(fèi)盡了心血，學(xué)生學(xué)起來(lái)卻并不輕松。

近幾年，筆者同時(shí)擔(dān)任了機(jī)械專業(yè)課和工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)任務(wù)。因此，在專業(yè)課教學(xué)中嘗試運(yùn)用Inventor軟件開發(fā)虛擬實(shí)物模型庫(kù)來(lái)代替或部分代替現(xiàn)有的實(shí)物模型庫(kù)，讓學(xué)生能直觀感受零件或部件的形體特點(diǎn)，還可利用Inventor軟件強(qiáng)大的動(dòng)畫、參數(shù)化設(shè)計(jì)等功能實(shí)現(xiàn)裝配與分解，對(duì)于學(xué)生掌握各種常用機(jī)構(gòu)、機(jī)械的工作原理，提高學(xué)生維護(hù)機(jī)械的實(shí)踐能力有顯著的效果。

二、Inventor軟件的基本功能特點(diǎn)

Inventor軟件集成了三維建模、裝配、動(dòng)畫和參數(shù)化設(shè)計(jì)等功能。作為三維設(shè)計(jì)軟件，它采用了全中文操作系統(tǒng)和人性化的操作界面，易學(xué)易用。Inventor軟件應(yīng)用于機(jī)械專業(yè)課教學(xué)的主要功能模塊特點(diǎn)見表1。

三、Inventor軟件在機(jī)械專業(yè)課教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)機(jī)械專業(yè)課程的設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容的安排，虛擬模型庫(kù)主要應(yīng)用于機(jī)械制圖和機(jī)械基礎(chǔ)課程中。虛擬模型庫(kù)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械專業(yè)虛擬模型庫(kù)建設(shè)結(jié)構(gòu)圖

目前機(jī)械制圖虛擬模型庫(kù)主要分為以下幾類：基本體、組合體、剖切機(jī)件、標(biāo)準(zhǔn)件、零件和裝配體。每一大類下有若干個(gè)三維模型，每一個(gè)模型根據(jù)需要分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的三維立體圖、二維視圖、動(dòng)畫及立體縮略圖等。而機(jī)械基礎(chǔ)虛擬模型庫(kù)目前還在繼續(xù)完善中，主要分為機(jī)械零件、常用機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)三大模塊。每一模塊中對(duì)應(yīng)有相應(yīng)的三維立體圖、裝配動(dòng)畫和運(yùn)動(dòng)仿真。

1.Inventor軟件在機(jī)械制圖教學(xué)中的應(yīng)用

在機(jī)械制圖教學(xué)中遇到的最大問(wèn)題是學(xué)生的空間想象能力不足，將Inventor軟件引入機(jī)械制圖教學(xué)，利用Inventor軟件強(qiáng)大的功能對(duì)每個(gè)三維實(shí)體，都可以實(shí)現(xiàn)從二維圖例到三維圖、再?gòu)娜S圖到二維圖例的互逆過(guò)程，有利于提高學(xué)生空間想象能力。

Inventor軟件在機(jī)械制圖教學(xué)中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。立體相貫、平面截割、組合體、零部件的裝配與分解都可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如：運(yùn)用Inventor軟件的工程圖模塊幫助學(xué)習(xí)機(jī)械制圖中“國(guó)標(biāo)、圖幅和標(biāo)題欄”等；用平面創(chuàng)建功能來(lái)輔助三面投影體系的教學(xué)；用實(shí)體造型功能輔助點(diǎn)、線、面的投影規(guī)律教學(xué)等。

下面筆者以“圓柱相貫”為例說(shuō)明Inventor軟件在教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐。在教學(xué)時(shí)，要使學(xué)生掌握?qǐng)A柱相貫的兩種基本方法——積聚性法和簡(jiǎn)化畫法不難，但要讓學(xué)生能針對(duì)各種實(shí)際零件準(zhǔn)確地畫出相貫線的投影卻并不簡(jiǎn)單。要將理論知識(shí)學(xué)以致用，學(xué)生需要對(duì)相貫線的形成和變化趨勢(shì)有相當(dāng)深刻的認(rèn)識(shí)與理解。如表2所示。

Inventor軟件在機(jī)械制圖機(jī)件表達(dá)方法的教學(xué)中也有著非常突出的效果。由于傳統(tǒng)的實(shí)物模型教具，不可能定義任意的剖切線來(lái)觀看剖視圖，使用虛擬實(shí)物模型后，可以通過(guò)任意面來(lái)剖切物體，觀察不同剖面的形狀，更好地提高剖切、剖面作圖的準(zhǔn)確度。同時(shí)還可以通過(guò)控制可見性的功能隱藏形體的某些特征或零件，露出可能會(huì)被部分或完全遮擋的零件，讓學(xué)生更好地理解形體特征之間的位置組合關(guān)系和形體的生成過(guò)程。

2.Inventor軟件在機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用

在多年的機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)，能用于課堂教學(xué)的實(shí)物模型數(shù)量非常有限，而且價(jià)格也相對(duì)比較高。通常教師會(huì)通過(guò)掛圖進(jìn)行講解，但由于掛圖中各個(gè)零件都是“死”的，雖然能夠反映出各零件間的相互位置關(guān)系，但是對(duì)于其具體的裝配過(guò)程卻無(wú)法表達(dá)。

機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)要求通過(guò)學(xué)習(xí)本課程使學(xué)生能夠分析和處理一般機(jī)械運(yùn)行中存在的問(wèn)題，具備維護(hù)一般機(jī)械的能力。例如在介紹軸及軸上零件的時(shí)候，必須先讓學(xué)生對(duì)軸上零件的結(jié)構(gòu)和拆裝順序有一定的了解。這時(shí)，就可以運(yùn)用Inventor軟件的零件造型、裝配、動(dòng)畫和運(yùn)動(dòng)仿真功能來(lái)解決這一問(wèn)題。具體的實(shí)施過(guò)程如下：

（1）運(yùn)用Inventor軟件的零件造型功能創(chuàng)建如圖2所示的裝配體中的非標(biāo)準(zhǔn)件，而螺釘、鍵和軸承等標(biāo)準(zhǔn)件直接從資源中心庫(kù)中調(diào)入。

圖2 軸及軸上零件的裝配圖和爆炸圖

（2）運(yùn)用Inventor軟件的表達(dá)視圖功能（見圖2），動(dòng)態(tài)地演示出軸上零件的裝配過(guò)程及裝配體的工作過(guò)程，真實(shí)地反映出軸上各零件的安裝方法及作用。通過(guò)對(duì)軟件的學(xué)習(xí)，學(xué)生還可以對(duì)裝配體進(jìn)行拆裝的練習(xí)，更加清楚零件的形成過(guò)程和裝配體的裝配過(guò)程。

此外，在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)中，筆者也運(yùn)用了Inventor軟件進(jìn)行輔助教學(xué)。一般在學(xué)習(xí)了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的組成和類型之后，直接給出鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的判別方法，或者通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方式得出結(jié)論，學(xué)生較難掌握。筆者也嘗試過(guò)將學(xué)生分組，動(dòng)手制作鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的形式得出結(jié)論，效果雖然好，但是浪費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力。運(yùn)用Inventor軟件的參數(shù)化建模功能和驅(qū)動(dòng)約束功能，可以將動(dòng)手制作實(shí)物模型的過(guò)程轉(zhuǎn)化為在電腦上制作虛擬模型的過(guò)程，通過(guò)驅(qū)動(dòng)約束實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的運(yùn)動(dòng)模擬。還可以使用Inventor軟件提供的接觸識(shí)別器工具，模擬零件移動(dòng)并接觸到另一個(gè)零件時(shí)而隨之運(yùn)動(dòng)或者隨之停止運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。同時(shí)各桿件長(zhǎng)度的修改也可以通過(guò)修改參數(shù)表實(shí)現(xiàn)，真正做到一個(gè)模型多種用途。通過(guò)這些運(yùn)動(dòng)仿真的演示，可以在很大程度上幫助學(xué)生理解鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的判別方法，起到事半功倍的效果。

四、Inventor軟件運(yùn)用于機(jī)械專業(yè)課教學(xué)的幾點(diǎn)體會(huì)

1.有效地培養(yǎng)了學(xué)生的綜合職業(yè)能力

通過(guò)Inventor軟件在機(jī)械專業(yè)課教學(xué)中的應(yīng)用，為學(xué)生搭建了動(dòng)手和動(dòng)腦的平臺(tái)，將一些復(fù)雜的形體通過(guò)動(dòng)畫的形式展示給學(xué)生，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握，有效地培養(yǎng)了學(xué)生思維、想象和創(chuàng)造的能力，促進(jìn)了綜合職業(yè)能力的發(fā)展。

2.虛擬模型庫(kù)的構(gòu)建提供了信息化學(xué)習(xí)的平臺(tái)，優(yōu)化了學(xué)習(xí)方式

將Inventor軟件引入機(jī)械專業(yè)課的教學(xué)，運(yùn)用虛擬模型庫(kù)代替實(shí)物模型庫(kù)，為學(xué)生提供了信息化學(xué)習(xí)的平臺(tái)，同時(shí)學(xué)生還可以通過(guò)U盤或光盤的形式存儲(chǔ)這些資料，方便學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)能力自主安排學(xué)習(xí)。

3.強(qiáng)化教師的課程意識(shí)，提高教師的課程決策力

在課程實(shí)施過(guò)程中，需要根據(jù)具體的課程實(shí)施情境對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以彌補(bǔ)它適應(yīng)性不足的缺陷。在新課改背景下，若教師仍將自身拘泥于“教書匠”，缺乏對(duì)課程理論的自我建構(gòu)意識(shí)和課程資源的開發(fā)意識(shí)，則會(huì)直接影響教改的成敗。在機(jī)械專業(yè)課教學(xué)中，通過(guò)將虛擬模型庫(kù)運(yùn)用于教學(xué)，彌補(bǔ)了原來(lái)機(jī)械專業(yè)課程的適應(yīng)性不足的弊端。同時(shí)教師在參與虛擬模型庫(kù)開發(fā)與建設(shè)過(guò)程中，把Inventor軟件與機(jī)械專業(yè)知識(shí)兩者進(jìn)行重新建構(gòu)，形成新的課程資源，使教師的課程意識(shí)得以強(qiáng)化，提高了他們的課程決策力。

五、結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，Inventor軟件在機(jī)械專業(yè)課教學(xué)中的應(yīng)用是成功的，不僅豐富了教師的教學(xué)手段，同時(shí)也調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到了積極的促進(jìn)作用。除此以外，筆者還建議在高二學(xué)習(xí)二維CAD的基礎(chǔ)上增加Inventor軟件的學(xué)習(xí)，在產(chǎn)品繪制的過(guò)程中，鞏固基礎(chǔ)知識(shí)，強(qiáng)化專業(yè)知識(shí)，鍛煉動(dòng)手能力，更重要的是學(xué)生在這其中逐漸提高了獨(dú)立分析、解決問(wèn)題的能力。

目前，機(jī)械制圖和機(jī)械基礎(chǔ)的虛擬模型庫(kù)在教學(xué)中已得到廣泛應(yīng)用。隨著教學(xué)改革的深入與計(jì)算機(jī)在學(xué)校的普及應(yīng)用，筆者希望將來(lái)能與更多學(xué)校的虛擬模型庫(kù)共享資源、校際間互通信息，集中多方面豐富多彩的虛擬模型庫(kù)，為現(xiàn)代化教學(xué)提供更多的方便。

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