三維模型和動畫模擬在“界面分選技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用

黃波++韋彬

系統(tǒng)地總結(jié)了中國礦業(yè)大學(xué)（北京）礦物加工工程專業(yè)在專業(yè)課程教學(xué)過程的探索，總結(jié)了三維模型和動畫模擬技術(shù)在專業(yè)課程教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)，介紹了基于Solidworks三維模型和動畫模擬的制作，基于校園網(wǎng)的動畫演示系統(tǒng)。

礦物加工界面分選三維模型礦物加工工程專業(yè)主要培養(yǎng)從事金屬、非金屬和煤炭的分選加工及礦產(chǎn)資源的綜合利用領(lǐng)域的高級人才。本專業(yè)是工程背景很強(qiáng)的專業(yè)，要求學(xué)生除了掌握礦物加工基本原理和工藝外，還需掌握礦物加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理。界面分選技術(shù)是礦物加工工程專業(yè)一門重要的核心課程，主要講述界面分選的基本原理、工藝和界面分選設(shè)備。本課程的教學(xué)質(zhì)量影響到學(xué)生對礦物加工專業(yè)的興趣和專業(yè)知識的系統(tǒng)性，因此，如何提高課堂教學(xué)質(zhì)量成為任課教師首要考慮的問題。

長期以來，教師在講授設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理時，都采用傳統(tǒng)的二維平面圖和示意圖，教師講授和學(xué)生理解都比較困難，教學(xué)效果不理想。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，三維制圖軟件逐漸在高校工科專業(yè)應(yīng)用，三維模型可視性強(qiáng)，在課堂教學(xué)（尤其是機(jī)械設(shè)備）時具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）礦物加工工程專業(yè)在學(xué)校課程建設(shè)項(xiàng)目的支持下，將三維模型和動畫模擬技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)，收到很好的教學(xué)效果。

一、三維模型和動畫模擬在專業(yè)課程教學(xué)中優(yōu)點(diǎn)

礦物加工工程專業(yè)是涉及物理、化學(xué)、熱力學(xué)、機(jī)械振動和流體力學(xué)等學(xué)科，專業(yè)知識很多。其中礦物分選原理與設(shè)備是本專業(yè)的必須要撐握的知識，一些微觀反應(yīng)過程和設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理，依靠傳統(tǒng)的授課方式很難講清楚，教學(xué)效果差。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，供助三維制圖軟件和動畫模擬教學(xué)，可以起到事半功倍的效果，教學(xué)質(zhì)量顯著提高。主要以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：

1.直觀、可視性強(qiáng)，多視角展示設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)

界面分選設(shè)備主要礦物分選創(chuàng)造一個適宜分離的物理場，設(shè)備構(gòu)件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)的二維視圖，教師在有限的課堂時間內(nèi)很難講解透徹，學(xué)生理解也很困難。三維模型直觀、可視性強(qiáng)，教師和學(xué)生不需要具備很強(qiáng)的三維空間想象能力，非常容易看懂、看明白設(shè)備的空間結(jié)構(gòu)。此外，利用Solidworks“參考某一面去切割（僅顯示）”功能可以讓學(xué)生多視角觀看內(nèi)部的詳細(xì)情況，加深學(xué)生對設(shè)備結(jié)構(gòu)印象；利用“動態(tài)視圖旋轉(zhuǎn)”功能使模型任意旋轉(zhuǎn)，便于學(xué)生從各個角度甚至內(nèi)部觀察設(shè)備，顯示設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各構(gòu)件的配合關(guān)系，彌補(bǔ)了學(xué)生在選煤廠只能看到設(shè)備上部外觀，不能看到設(shè)備底部的不足。

2.設(shè)備“組裝和拆解”方便，提升學(xué)生動手能力

礦物加工工程專業(yè)是工程背景很強(qiáng)的專業(yè)，必須強(qiáng)化學(xué)生的工程能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，要求學(xué)生掌握設(shè)備的“組裝和拆解”。然而，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，由于設(shè)備的裝配費(fèi)時又費(fèi)力，不可能經(jīng)常進(jìn)行拆卸和組裝。采用Solidworks繪制的三維模型，利用其Animator功能可以對設(shè)備的零部件進(jìn)行虛擬裝配和運(yùn)動模擬，了解設(shè)備的裝配過程，有助于理解設(shè)備的工作原理，培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)備檢查和維修的工程能力。

3.設(shè)備工作原理三維模擬演示，強(qiáng)化理解

界面分選是十分重要的礦物分離方法。通常，專業(yè)教師會用較多時間講授界面分選的原理、工藝，學(xué)生結(jié)合專業(yè)基礎(chǔ)課程知識，也容易聽懂。根據(jù)課程安排，學(xué)生在進(jìn)行專業(yè)課程學(xué)習(xí)時，還沒有現(xiàn)場實(shí)習(xí)經(jīng)歷，也沒有看過設(shè)備及模型。因此，學(xué)生們很難理解機(jī)械設(shè)備如何為礦物分離創(chuàng)造適合分選的物理場？如何實(shí)現(xiàn)多相流體系中物料的分離？以機(jī)械攪拌式浮選機(jī)充氣原理為例：界面分選是利用礦物表面性質(zhì)的差異，在氣液界面實(shí)現(xiàn)分選。因此，無論何種形式的界面分選設(shè)備，必須提供氣體吸入并形成氣泡方法。機(jī)械攪拌式浮選機(jī)依靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子附近形成負(fù)壓，空氣從空心軸和套筒吸入，經(jīng)流體的剪功作用形成氣泡。由于學(xué)生未接觸到實(shí)際的浮選機(jī)，也沒有機(jī)會查看浮選機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，往往很難理解氣體如何吸入并形成氣泡。利用三維模型和動畫模擬氣體吸入形成氣泡過程來講解，直觀形象，十分容易理解，起來事半功倍的效果。

4.激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)生設(shè)備實(shí)際操作技能

專業(yè)課程知識點(diǎn)多，涉及面寬，多學(xué)科交叉，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式造成學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)積極性不高。采用三模型及動畫模擬，形式新穎，提高了學(xué)生專業(yè)課學(xué)習(xí)熱情。如講解浮選機(jī)內(nèi)部流場特性時，過去采用傳統(tǒng)的流線圖，學(xué)生不易理解。利用三維模型的流場模擬功能，無需進(jìn)行流體力學(xué)試驗(yàn)，就可以模擬改變浮選機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)，觀察浮選機(jī)內(nèi)部流體速度場和壓力場的變化，結(jié)合界面分選的理論來講解這些變化對浮選的影響，大大提高了教學(xué)質(zhì)量，與此同時也培養(yǎng)了學(xué)生現(xiàn)場操作技能，加深了流體力學(xué)知識的理解，學(xué)習(xí)積極性顯著提高。

二、三維模型的制作

Solidworks是一個基于特征參數(shù)的實(shí)體建模三維設(shè)計軟件，集零件造型、裝配造型和自動生成二維圖等功能于一體，具有易教、易學(xué)和易用的特點(diǎn)。

界面分選設(shè)備種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在制作三維模型時，應(yīng)遵循從基本體到組合體、從零件圖到裝配圖建模原則構(gòu)造三維模型。浮選機(jī)主要由槽體、刮板、攪拌機(jī)構(gòu)、傳動裝置和溜槽等組成，圖1為利用Solidworks繪制三維模型圖。

三、界面分選原理與工作過程的動畫模擬

動畫模擬主要涉及到兩個方面，即界面分選基本原理的模擬和設(shè)備工作過程模擬。三維動畫在多媒體教學(xué)過程中具有十分重要的作用，界面分選過程涉及到氣、固、液三相，是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程。一些微觀反應(yīng)過程（如氣泡礦化過程）采用單純講述很難講解清楚，借助Flash動畫就很好反映出氣泡礦化三個微觀過程：接觸碰撞、氣泡黏附和氣泡脫附，同時將誘導(dǎo)時間和接觸的概念也解釋十分清楚。此外，周筆暢用Solidworks的流體模擬插件，還可以對分選設(shè)備內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步加深學(xué)生理解流場在界面分選過程中所起的作用和影響。

對于分選的設(shè)備工作過程和調(diào)節(jié)，我們利用制備了單體設(shè)備模型配合動畫模擬物料進(jìn)入進(jìn)出，礦漿流量控制、浮選藥劑添加和液位控制等操作，形象地反映生產(chǎn)過程設(shè)備工作狀態(tài)和物料走向，便于學(xué)生理解。

四、三維模型及動畫的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

專業(yè)課程內(nèi)容豐富，理論性和實(shí)踐性強(qiáng)，信息量大，課時緊，在有限的課堂時間內(nèi)只能將最基礎(chǔ)的界面分選原理和重要的分選設(shè)備講解透徹。隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，借助利用校園網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了基于校園網(wǎng)的專業(yè)課程動畫演示的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，學(xué)生可以利用課余時間在線觀看設(shè)備的三維模型和單元過程動畫模擬，彌補(bǔ)教學(xué)時間的不足，有利于學(xué)生鞏固課堂知識，取得了很好的教學(xué)效果。

五、總結(jié)

在專業(yè)課程教學(xué)過程中引入三維模型和動畫模擬技術(shù)，不僅可以提高教學(xué)質(zhì)量，還可以激發(fā)學(xué)生對專業(yè)課堂學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

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