機械設計與制造專業(yè)教學中虛擬資源的開發(fā)利用

王素梅

(甘肅交通職業(yè)技術學院 汽車系，蘭州 730070)

1 計算機虛擬設計和制造技術

虛擬設計是利用計算機的仿真技術來為現(xiàn)代設計方法與技術進行基礎展示的一項內容，是通過利用計算機技術來制造一種特殊的人工環(huán)境，讓人們能夠在這種環(huán)境中生出與現(xiàn)實世界相似的想象，這種時間和空間是可以改變的，從而幫助人們在這一環(huán)境中完成對現(xiàn)實生活中所需要的設計制造過程，最終實現(xiàn)節(jié)約成本、優(yōu)化系統(tǒng)和改善制造周期的目標[1]。虛擬設計主要是利用軟件建立一個機械系統(tǒng)的三維模型來進行展示，這樣可以讓設計者將更多精力集中在創(chuàng)造設計中，而復雜的繪圖等工作都是由計算機來完成的。另外，在進行編輯修改時，利用計算機系統(tǒng)可以極大提高效率。虛擬制造和仿真則是更高級的階段，是通過計算機來完成從產品設計制造到檢驗的整個過程，可對物體進行實際模擬，并從設計規(guī)劃到制造等各個環(huán)節(jié)來進行檢驗，從而提高各級的決策控制能力，減少設計者在設計開發(fā)過程中所遇到的問題，以便更快地完成新產品研發(fā)。

2 虛擬技術的研究現(xiàn)狀

虛擬技術能夠同時為人們提供聽覺、視覺和觸覺的感受，只需要通過系統(tǒng)提前設計好的程序就能夠完成在虛擬環(huán)境中的一些動作，讓人們產生一種身臨其境的真實感受。虛擬技術平臺主要依靠的是計算機，同時還會結合圖像傳輸處理技術、網(wǎng)絡技術、人機對話技術，等等。以前，人們一直都在探索如何去打破傳統(tǒng)的數(shù)字化展示方式，希望能夠創(chuàng)造出圖文并茂的真實情境供人們享受，讓用戶能夠在這樣的情形下去處理信息，從而提高自身的認知[2]。

目前，全國各大高校都開始改革自身的人才培養(yǎng)模式，但還有很多學校的教學仍然是利用最原始的方式，學生自身的積極性得不到調動，難以激發(fā)出他們的創(chuàng)新意識和能力。而將虛擬技術應用在教育領域則能夠為學生營造出更加真實的場景，讓他們能夠坐在教室中就獲得良好的實踐體驗，使學生能夠對學習內容更加感興趣，不斷提高教學效果。

3 開發(fā)虛擬資源的意義

機械設計和制造專業(yè)的實踐性非常強，在教學時會受到環(huán)境設施以及場地等種種因素的影響，學生很少有機會可以去相關的制造廠參觀，這樣就導致學生難以真正理解書本中的理論內容，無法達到融會貫通的效果[3]。而將虛擬技術應用其中就可以讓學生更真實地觀察每一零部件的構造，明白它們之間的關系，加深對這些機械加工工藝的了解。在這種虛擬教學中，學生可以自由選擇自己喜歡的方式和環(huán)境進行學習，能夠獲得更多課堂中沒有的內容，在實際操作中也可以通過大量的練習來減少錯誤率。另外，虛擬技術的應用能夠減少學校在購買教學設備等方面的資金投入，很好地解決了不能及時更新設備這一問題。學生在進行實習時會消耗大量的材料，操作不當會有可能造成機械的磨損，而虛擬技術的應用就能夠完全避免這些問題。虛擬平臺技術還有網(wǎng)絡功能，能夠完成遠程教育，即使學生和教師不處在同一空間也可以進行面對面的交流和學習。虛擬平臺技術可利用寬帶對數(shù)據(jù)進行傳輸處理，從而實現(xiàn)雙向交流。這一技術還可以為教師生成自動的功課答卷，并利用網(wǎng)絡進行分數(shù)評價、查詢和分析，極大地減輕了教師平時的工作壓力，同時也使得無紙化辦公變得越來越普及。

4 虛擬資源在機械設計與制造專業(yè)教學中的應用

4.1 強化學生的三維思維能力

以往的教學都是讓學生通過參觀模型來提高思維能力和看圖技術，而在課堂中應用了虛擬技術以后，可以讓學生更真實地了解不同機械的構造。這種新型的教學方式不僅激起了學生的求知欲望，還能通過三維虛擬的模型庫讓學生的思維和想象得到擴展。這種三維設計的方式不僅直觀形象，而且還簡單易操作，既增加了設計內容，又給了學生足夠的想象空間。

4.2 改革傳統(tǒng)的實驗教學方式

運動的虛擬仿真分析主要應用在與機械原理有關的實驗中，它可以進行運動結構的模擬及仿真展示，同時還可以根據(jù)運動做出正確的曲線圖參考，并與實際所測量的曲線進行分析和比較，從而得出正確的數(shù)據(jù)結果，幫助學生對機械運動的內容進行理解，真實地了解運動規(guī)律以及速度的調節(jié)。機械產品的設計分析與應用極大改善了機械實驗的教學環(huán)節(jié)，在減速器設計、拆裝實驗以及機械系統(tǒng)方案的綜合實驗中，可通過三維設計軟件來將不同零件的構造形狀做成三維模型，然后按照正確的方式將不同零件組裝在一起，最后使一臺機器得到完整組裝，并向學生們展示，讓他們能夠更直觀地去了解機械的設計拼裝。在這一過程中就應用了虛擬技術和運動仿真技術，為日后的運動仿真應用打下了學習基礎。通過軟件進行動態(tài)仿真，不僅解決了在教學過程中學生無法參觀機械組裝的問題，而且還用一種全新的方式提高了學生在機械創(chuàng)新方面的思維能力。

4.3 提高教學效果，節(jié)約成本

數(shù)控仿真系統(tǒng)也是虛擬制造的一種，它是利用計算機來形成一個虛擬環(huán)境，這一環(huán)境就是在計算機圖形中所構成的一種三維模型，它能夠創(chuàng)造出一個集視覺、聽覺為一體的人工環(huán)境。這一技術既能夠獨立運行，也能夠在線運行。獨立運行主要是指機床模型，在實驗過程中需要一臺微機，實際的數(shù)控機場操作過程都是通過顯示器中的仿真面板來進行操作的，有關零件的切削過程都是通過三維動畫來完成模擬。在線運行主要是指機床的工作方式，要將教學系統(tǒng)與實際機床系統(tǒng)進行結合，并通過一系列硬件和軟件的幫助來完成零件的切削工作。在這一操作過程中，除了仿真面板的應用以外，其他過程都是和實際操作完全一致的。在這種環(huán)境下，學生更能夠感受到真實的操作環(huán)境和步驟，不僅提高了教學效果，還避免了實際機床操作可能會出現(xiàn)的一系列風險，既保障了學生的人身安全，又節(jié)約了成本。

4.4 提高學生的學習興趣和學習效果

機械設計制造專業(yè)中的理論學習很枯燥，而課堂多媒體的應用能夠讓學生更加集中精神，可以將復雜抽象的內容變得更簡單具體。讓學生和教師利用課件來進行互動可以提高學生的課堂參與度和學習效果，使課堂資源能夠發(fā)揮出最大價值。開放的虛擬教學可以讓課堂中的參與各方進行交流，這種自由化、人性化的環(huán)境能夠減少學生的學習壓力，同時也是改變教學方式的一種體現(xiàn)。這種虛擬實踐性的教學可以讓教師更快速準確地總結教學經(jīng)驗，使教師的主導作用和學生的主體作用都能得到更好的體現(xiàn)。利用虛擬資源進行學習的過程中，學生的測試和學習都會由系統(tǒng)自動進行打分，然后根據(jù)結果來劃分教學的重點和難點。這種教學方向的更新可以讓學生及時對教學內容提出質疑，并向教師反饋自身的問題，這對于節(jié)約教學時間和提高課堂效率非常有意義。