基于3DVIA Composer 3D動畫在機床夾具CAI中的應(yīng)用研究

牛鵬輝　劉救世　李大磊

摘 要 文章簡述了動畫是現(xiàn)代化的教學(xué)模式CAI的主要手段，在課堂教學(xué)中起著不可缺少的重要作用，分析了動畫在課堂教學(xué)中的作用機理，根據(jù)機床夾具設(shè)計課程實踐性強的特點，論述了將3D動畫軟件3DVIA Composer應(yīng)用于課堂教學(xué)的必要性，介紹了應(yīng)用該軟件制作3D畫的一般方法和步驟，對基于3DVIA Composer的動畫在機床夾具CAI中的教學(xué)實踐和效果進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞 3DVIA Composer CAI 3D動畫 機床夾具

中圖分類號：TP391.7 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.12.015

Research on Application of 3DVIA Composer 3D Animation in

Machine Tool Fixture CAI

NIU Penghui， LIU Jiushi， LI Dalei

（School of Mechanical Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan 450001）

Abstract The animation is the main means of CAI teaching mode of modernization， plays an indispensable role in the classroom teaching， analyzes the mechanism of animation in the classroom teaching， according to the fixture design course practical characteristics， discusses the necessity of 3D animation software 3DVIA Composer is applied to classroom teaching， introduction the general methods and steps of making use of the software of 3DVIA 3D painting， composer based animation in the machine tool CAI in teaching practice and effect are summarized.

Keywords 3DVIA； Composer； CAI； 3D Animation； machine tool fixture

機床夾具設(shè)計是機械類專業(yè)技術(shù)專業(yè)課“機械制造工藝學(xué)”中的重要內(nèi)容，課程的實踐性強。在教學(xué)實踐中，夾具的工作原理需要通過復(fù)雜的夾具結(jié)構(gòu)來說明，對學(xué)生的空間想象能力有較高要求，而傳統(tǒng)的教學(xué)方式往往達不到預(yù)期的效果。而隨著新的教學(xué)手段的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代化的教學(xué)方法代替原有傳統(tǒng)的教學(xué)模式已顯得十分必要。筆者將基于3DVIA Composer的3D動畫應(yīng)用于機床夾具設(shè)計課程課堂教學(xué)中，收到了顯著的教學(xué)效果。

1 CAI教學(xué)模式

當(dāng)代教學(xué)模式的發(fā)展和創(chuàng)新，突出強調(diào)的是學(xué)生本位的教學(xué)價值、信息化的教學(xué)媒體和師生互動的教學(xué)形式。盡管教學(xué)模式的發(fā)展呈多樣化，但充分利用多種技術(shù)手段來設(shè)計和豐富教學(xué)模式是當(dāng)前教學(xué)模式發(fā)展的一個顯趨，其中最具時代特征的是計算機輔助教學(xué)的教學(xué)模式。[1]計算機輔助教學(xué)——CAI （Computer Aided Instruction）是利用計算機的人機對話、快速計算、圖形和動畫等功能，采用文字、聲像、動畫等手段，創(chuàng)造交互性強的多媒體CAI課件來完成教學(xué)的一種現(xiàn)代化的教學(xué)方式，其理論基礎(chǔ)是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論。

建構(gòu)主義心理學(xué)指出，知識不是通過教師傳授得到的，而是學(xué)習(xí)者在一定的情境下，利用必要的學(xué)習(xí)資料，借助他人的幫助，通過意義建構(gòu)的方式而獲得。以建構(gòu)主義心理學(xué)為基礎(chǔ)的教學(xué)模式的設(shè)計思想是：教師要提供一種有利于學(xué)生自主建構(gòu)知識的、良好的學(xué)習(xí)環(huán)境以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，從而實現(xiàn)對知識的自主學(xué)習(xí)和自主建構(gòu)。[2]已有的研究充分證實，不同的學(xué)習(xí)形式對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果影響差異很大。在CAI教學(xué)模式下，學(xué)生能獲得最佳的學(xué)習(xí)效果。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，借助計算機進行輔助教學(xué)已成為必然的趨勢。CAI的興起是教育界進行信息革命的最有代表性的產(chǎn)物，而動畫在CAI中的作用尤為重要。

2 動畫在CAI中的作用機理

隨著生命科學(xué)的發(fā)展，教育領(lǐng)域也進入一個重要的時代——腦時代。CAI中的動畫對課堂教學(xué)的作用符合腦學(xué)習(xí)理論，它激發(fā)了大腦的潛能，極大提高了課堂教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

現(xiàn)代腦科學(xué)家認為，“腦按照一個由大量聯(lián)結(jié)在一起的模塊元件組成的分布式系統(tǒng)排列?！比说拇竽X分為左右兩個半球，左半球主要管理語言，包括說話、書寫、計算等抽象思維功能；右半球管理音樂、圖畫、表象等形象思維功能。大腦左右兩半球既相互分工，又密切合作，人們在日常學(xué)習(xí)工作中所從事的所有活動，都是左右腦協(xié)調(diào)活動的結(jié)果。大腦把感覺器官對外界所進行的各種非言語感知和言語感知的各個方面都儲存在不同的區(qū)域，存儲區(qū)域內(nèi)的各細胞之間就構(gòu)建起“路徑”，從而建立起相應(yīng)的聯(lián)系，然后大腦組織由各種各樣的刺激產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)腦功能的整合。[3]

在機床夾具課堂教學(xué)過程中，3D動畫利用聲音、圖像等逼真地模擬了機床夾具的裝配、工作過程，給人以身臨其境之感，充分調(diào)動了學(xué)生的各種感覺器官，把學(xué)生的多種感官有機地組合起來。這種情景下，腦內(nèi)大量的區(qū)域被同時激活，更強地刺激了大腦中神經(jīng)細胞之間的聯(lián)系，提高了大腦整合大量信息的能力，從而顯著增強了學(xué)習(xí)效果。

3 專用機床夾具的教學(xué)特點endprint

“機械制造工藝學(xué)”是與工程實際緊密結(jié)合的專業(yè)課，課程的重要任務(wù)之一是使學(xué)生基本掌握機床夾具的專業(yè)理論知識和具有初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計能力?！皩Ｓ脢A具設(shè)計”部分是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點也是難點。在課堂教學(xué)的過程中，對于一些復(fù)雜的夾具結(jié)構(gòu)，教師僅根據(jù)教材中的二維結(jié)構(gòu)簡圖，很難用語言表達清楚夾具的定位、夾緊等工作過程。不少同學(xué)在學(xué)完該課程后，往往對機床夾具的具體結(jié)構(gòu)和工作原理一知半解，達不到預(yù)期的教學(xué)效果。為此，筆者使用3DVIA Composer制作了典型機床夾具的裝配和工作過程3D動畫，應(yīng)用于課堂教學(xué)，收到了非常好的教學(xué)效果。3D動畫能更有效地刺激大腦，提高學(xué)生腦內(nèi)的神經(jīng)元聯(lián)結(jié)，產(chǎn)生更多突觸，由此提高其學(xué)習(xí)能力。此時學(xué)生能極大地發(fā)揮學(xué)習(xí)潛能，積極地投入到學(xué)習(xí)中去，使學(xué)生對課程知識有更深層次的理解。因此，將3DVIA Composer應(yīng)用于專用夾具設(shè)計的課堂教學(xué)，能幫助學(xué)生快速、深入理解夾具的結(jié)構(gòu)和工作原理。

4 3DVIA Composer 3D動畫特點

目前常用于制作CAI課件中動畫的軟件有Flash和3D MAX。Flash 用于設(shè)計和編輯 Flash 文檔，制作過程簡單，但動畫為二維，無立體效果，不能給學(xué)生留下深刻印象；3D MAX 是制作建筑效果圖和3D動畫的專業(yè)工具，廣泛應(yīng)用于電視及娛樂業(yè)中，雖效果逼真，但本身沒有剛性聯(lián)接、自由度約束，而且不能實現(xiàn)機床夾具各部件動作及相互作用的需求，也沒有精度、公差等精度信息，更無法生成工程圖。3DVIA Composer是由法國達索信息公司（Dassault Systerms）開發(fā)的圖形軟件，具有簡潔明了的操作界面、強大的3D功能，可以直接利用已有的3D模型制作3D動畫。由3DVIA Composer制作的3D動畫精美逼真，畫面光艷奪目、金屬質(zhì)感超強，可以生動地實現(xiàn)各種機構(gòu)和裝置的剛性運動，給學(xué)生留下極其強烈的感官印象。

作為與SolidWorks無縫集成的一個插件，3DVIA Composer易學(xué)習(xí)、上手快，動畫制作簡單快捷，使用者幾乎無需具備相關(guān)的CAD知識和接受專門的培訓(xùn)，因此特別適合機械機構(gòu)和結(jié)構(gòu)的CAI課件制作，使傳統(tǒng)的機床夾具教學(xué)方式煥然一新。

5 3DVIA Composer 3D動畫在機床夾具CAI中的應(yīng)用

5.1 3DVIA Composer在機床夾具教學(xué)中的應(yīng)用效果

傳統(tǒng)的教學(xué)由于其信息的單一性和平面化始終不能很好地滿足教師和學(xué)生的要求，而利用3DVIA Composer軟件可為學(xué)生提供多元化、立體感的信息，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)大腦的學(xué)習(xí)潛能，加深對知識的理解。學(xué)習(xí)并不是大腦內(nèi)分離和孤立的事件，而是所有相關(guān)腦區(qū)的共同協(xié)作。動畫可以將無法親身感知的，難以實現(xiàn)的抽象現(xiàn)象，借助動畫的形式真實形象地展現(xiàn)出來，彌補了常規(guī)教學(xué)的不足，從而極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。此時，大腦處于興奮狀態(tài)，知識便迅速而深刻地烙印在大腦里，學(xué)生則在輕松愉快的心情下感悟新的知識。[4]

筆者在教學(xué)實踐活動中，以加工推土機鏟臂右支架2€??？3.5孔專用夾具為例，利用3DVIA Composer制作其工作過程的3D動畫，不僅能準(zhǔn)確地表達出該機床夾具由定位心軸、分度盤、對定插銷、鉆模板、鉆套和夾具體等所組成，而且生動地展示了使用該機床夾具對工件進行定位、分度、夾緊、擴孔及裝卸工件等動作過程，充分展現(xiàn)了該夾具的工作原理和裝配過程。本來枯燥難懂的知識瞬間變成了學(xué)生感興趣的動畫，極大提高了學(xué)生的興趣，加深了學(xué)生的理解，收到了良好的教學(xué)效果。同時，CAI課件中3D動畫提供的生動、直觀的學(xué)習(xí)材料不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，而且遵循了大腦的學(xué)習(xí)規(guī)律，最大化地發(fā)揮了大腦的潛能，從而增加了學(xué)生對知識的理解和記憶，實現(xiàn)了學(xué)生對知識的自主建構(gòu)，達到了預(yù)期的教學(xué)效果。

5.2 3DVIA Composer制作動畫的一般步驟

3DVIA Composer制作3D動畫的關(guān)鍵在于合理地放置關(guān)鍵幀，具體是通過拖動時間線配合調(diào)整模型（平移、旋轉(zhuǎn)、更改透明度等）來實現(xiàn)，整個動畫制作都要根據(jù)動畫的動作順序不斷反復(fù)平移、旋轉(zhuǎn)模型或改變視角。3DVIA Composer能夠根據(jù)產(chǎn)品的需求生成其裝配、爆炸及工作過程的AVI動畫文件，并以此用于CAI教學(xué)。3DVIA Composer可讀取SolidWorks、CATIA、Pro/E及其他多種三維CAD格式文件。

運用3DVIA Composer制作機床夾具3D動畫的一般步驟是：在三維建模軟件中建立機床夾具的三維模型，渲染后得到符合工程實際的色彩效果；規(guī)劃和設(shè)計三維模型中各元件的動作順序；將機床夾具的三維模型導(dǎo)入到3DVIA Composer軟件中，選擇合適的視角作為夾具動畫的初始位置；按照機床夾具操作過程中的動作要求放置關(guān)鍵幀，同時進行視圖的變換、零件的平移、旋轉(zhuǎn)等操作，系統(tǒng)及時記錄完成3D動畫制作；將制作完成的動畫文件另存為PDF、HTML或AVI格式，以脫離3DVIA Composer獨立進行播放。

6 結(jié)束語

3DVIA Composer軟件的3D動畫制作是“機械制造工藝學(xué)”等工程類專業(yè)課CAI教學(xué)的有力手段， 其為學(xué)生提供的多元化、立體感的信息，能將抽象的知識形象化，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)大腦的學(xué)習(xí)潛能，讓學(xué)生從形象生動的直觀出發(fā)達到豐富的感性認識。筆者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗，充分考慮到機械制造工藝學(xué)課程實踐性強的特點，利用3DVIA Composer軟件制作專用機床夾具的裝配及工作過程3D動畫，用于課堂教學(xué)，符合學(xué)生的學(xué)習(xí)和認知規(guī)律，極大地活躍了課堂教學(xué)的氛圍，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，收到了非常好的課堂教學(xué)效果。

參考文獻

[1] 吳愛琴，楊蘭芳.淺析教模式與教學(xué)方法[J].教育教學(xué)研究，2007.3.

[2] 沈鳳梅.基于建構(gòu)主義認識論的教學(xué)設(shè)計[J].中國教育學(xué)刊，2011.6.

[3] 李世光.適于腦的教學(xué)[J].西昌學(xué)院學(xué)報，2006.12.Voll8，N0.4.

[4] 張繼明.通往高等教育——我國高等教育研究的反思與建議[J].中國高教研究，2001.3.endprint