信息化背景下3D技術(shù)在機(jī)械教學(xué)中的應(yīng)用

孫輝

[摘 要] 信息化條件下，3D技術(shù)的發(fā)展和成熟為3D技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域的教學(xué)創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件，在當(dāng)前的機(jī)械教學(xué)中，3D技術(shù)因其直觀性、靈活性、真實(shí)還原等特點(diǎn)在教育工作中越來越受到廣大機(jī)械技術(shù)人員的青睞。

[關(guān) 鍵 詞] 信息化；3D技術(shù)；機(jī)械教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）33-0177-01

3D打印技術(shù)即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型 文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。將3D技術(shù)運(yùn)用到機(jī)械教學(xué)中，能在課堂中快速地制造出相應(yīng)的機(jī)械模具，對(duì)解決部分學(xué)生空間想象力問題，幫助學(xué)生理解機(jī)械部件構(gòu)造，理解部件的工作原理具有很大的推動(dòng)作用。內(nèi)容將重點(diǎn)分析3D技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)、運(yùn)用等方面的應(yīng)用及教學(xué)意義。

一、3D技術(shù)在制圖教學(xué)方面的應(yīng)用

在機(jī)械類專業(yè)課程教材中，機(jī)械制圖作為重要的基礎(chǔ)課程教材，教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)主要是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立看圖、繪圖的能力，在這一教學(xué)過程中，教師要重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的空間轉(zhuǎn)換思維和空間想象能力。傳統(tǒng)的機(jī)械制圖教學(xué)中，由于設(shè)備技術(shù)有限，教師只能通過擺模型、掛模型圖甚至是手繪模型的形式進(jìn)行教學(xué)。這一教學(xué)方式對(duì)學(xué)生的空間想象能力有較高要求，無形中提高了教學(xué)門檻，降低了課堂教學(xué)效率。同時(shí)，這類教學(xué)辦法還存在不夠靈活、連貫性差的缺點(diǎn)，例如，在對(duì)相關(guān)組合機(jī)械的講解中，掛圖和手繪的教學(xué)形式無法完成機(jī)械的組合、拆卸過程，甚至無法達(dá)到立體環(huán)視的效果，課堂中單憑教師口頭講解，難免晦澀難懂，直接導(dǎo)致學(xué)生對(duì)該門課程產(chǎn)生恐懼感，慢慢失去學(xué)習(xí)興趣。

3D技術(shù)可以通過實(shí)體建模功能，很快地解決上述教學(xué)問題。比如，空間三維實(shí)體截交、相貫內(nèi)容，作為機(jī)械制圖中的教學(xué)難點(diǎn)，講解起來比較困難。如果學(xué)生缺乏必要的空間想象能力，僅依靠平面圖像和教師的口述很難入門。在學(xué)習(xí)此部分內(nèi)容時(shí)，可以引入三維建模訓(xùn)練。通過3D建模技術(shù)分析各類空間實(shí)體截交模型，學(xué)生既可以快速掌握截交、相貫的概念，也可以直觀地了解截交線、相貫線的形式，加深學(xué)生的印象。

二、3D技術(shù)在設(shè)計(jì)教學(xué)方面的應(yīng)用

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)和實(shí)踐通常都使用的是2D的設(shè)計(jì)方案，由于我們所處的空間是三維的，因此，用一個(gè)或者多個(gè)2D投影圖來表達(dá)機(jī)械設(shè)計(jì)中的3D機(jī)械是不完整的。隨著3D技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，在機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中，跳過2D步驟，直接進(jìn)行3D設(shè)計(jì)已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)界的普遍觀點(diǎn)。

在信息化時(shí)代，為培養(yǎng)學(xué)生三維設(shè)計(jì)的能力，我們把UG軟件引入到機(jī)械設(shè)計(jì)課程中。在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)階段，要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)減速箱。采用二維設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)變動(dòng)較大時(shí)則不得不重新設(shè)計(jì)和繪圖，這往往需要耗費(fèi)大量時(shí)間。而采用UG軟件只需要修改零件的某個(gè)或某幾個(gè)參數(shù)即可完成整體修改。UG不僅能完成三維造型，而且能完成三維造型產(chǎn)品的渲染，從而使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品外觀更符合實(shí)際。同時(shí)，UG軟件簡(jiǎn)單方便的操作，靈活的裝配過程，能大大加深學(xué)生對(duì)裝配體的理解，并加強(qiáng)了空間的概念。

三、3D技術(shù)在機(jī)械原理分析課程教學(xué)中的應(yīng)用

機(jī)械原理是機(jī)械教學(xué)的重要內(nèi)容，旨在解釋機(jī)械的工作原理，使學(xué)生在了解基本的機(jī)械原理的同時(shí)，能針對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)及其部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，針對(duì)簡(jiǎn)單機(jī)械進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)。

在機(jī)械課堂中闡釋機(jī)械原理時(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法只能從結(jié)構(gòu)分析和理論分析的層面上進(jìn)行講解，機(jī)械真實(shí)的工作狀態(tài)很難詳細(xì)地展示給所有學(xué)生。利用3D技術(shù)進(jìn)行機(jī)械動(dòng)態(tài)模擬，將其制作成動(dòng)畫形式，供學(xué)生了解、學(xué)習(xí)。在動(dòng)畫形式中，教師能透過機(jī)械外殼，將機(jī)械內(nèi)部的運(yùn)作狀態(tài)展示出來，并逐一進(jìn)行分解講解，機(jī)械內(nèi)部原理將一覽無余，對(duì)幫助學(xué)生理解機(jī)械原理起到巨大的輔助作用。

四、3D技術(shù)在機(jī)械操作規(guī)程教學(xué)中的應(yīng)用

機(jī)械操作和維修是機(jī)械教學(xué)中的重要部分，也是機(jī)械教學(xué)學(xué)以致用最關(guān)鍵的部分。傳統(tǒng)教學(xué)中，機(jī)械操作通常是由教師親身示范，學(xué)生沒有參與其中，教學(xué)效果往往不理想。部分學(xué)院采取教師指導(dǎo)，學(xué)生直接動(dòng)手參與的教學(xué)方案，但這一方案危險(xiǎn)系數(shù)較高、成本投入較大、耗時(shí)長，實(shí)際應(yīng)用推廣中阻力較大。如今3D技術(shù)的引進(jìn)，恰好能解決這一教學(xué)難題。

比如，在“發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝”這一最為基礎(chǔ)的機(jī)械操作教學(xué)中，過去教學(xué)步驟如下：（1）教師進(jìn)行關(guān)鍵步驟和注意事項(xiàng)的講解；（2）教師親自示范，向?qū)W生演示操作過程，并進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)；（3）教師在旁邊觀察監(jiān)督，由學(xué)生自己動(dòng)手操作。

在上述過程中，由于教學(xué)環(huán)境的限制，通常很難讓所有的學(xué)生同時(shí)清楚地看到教師的操作步驟，但如果將學(xué)生進(jìn)行分組，逐一向各組學(xué)生進(jìn)行講解，又會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。這樣的教學(xué)步驟通常結(jié)果是只有部分“好運(yùn)”的學(xué)生能真正學(xué)習(xí)和掌握課堂內(nèi)容。

在3D機(jī)械教學(xué)中，教師可以在課前利用UG軟件完成發(fā)動(dòng)機(jī)的建模，然后利用3DMAX進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝動(dòng)畫的制作。這樣教師在課堂上可以將制作好的拆裝動(dòng)畫展示給學(xué)生看，甚至可以將課件提前發(fā)送至學(xué)習(xí)群，讓學(xué)生能在課前揣摩具體操作，熟悉注意事項(xiàng)，使學(xué)生直觀地看到拆裝過程，然后再進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，從而提高教學(xué)效果和效率。

綜上所述，3D技術(shù)是信息化時(shí)代的重要產(chǎn)物，它的出現(xiàn)必然將影響和改變未來機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，技術(shù)學(xué)院在機(jī)械教學(xué)中應(yīng)接受3D技術(shù)，早日將3D技術(shù)融入教學(xué)，不僅是為了提高課堂教學(xué)效果，也是為了學(xué)生在未來行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)。

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