基于《機械基礎》課程三維教學模型的構建研究

黃龔

（蘇州市電子信息技師學院，江蘇 蘇州 215000）

前言

技工院校是國家培育技能型人才和創(chuàng)新型人才的重要基地，也是國家從制造大國走向制造強國的重要保證。目前，絕大多數(shù)技工院校的招生對象是初中畢業(yè)的學生，這些學生的知識面較窄，知識結構單一，缺乏空間想象能力和實踐經歷，學習中表現(xiàn)出明顯的力不從心。《機械基礎》課程本身也具有其獨有的特點，它融合了《機械原理》《機械設計》等課程的知識，涵蓋了常用的傳動機構、標準零部件等的應用。結合課程本身和學生自身知識結構的特點，《機械基礎》課程教學改革已勢在必行，不能再局限于傳統(tǒng)的教學模式，必須在理論教學的同時，加入必要的實踐教學環(huán)節(jié)。目前《機械基礎》實踐教學的形式，比較流行的方式有兩種，一是學校采購實物模型供學生實操拆裝使用；二是利用虛擬仿真軟件，進行虛擬仿真教學使用。采購實物模型進行實操訓練，既受到實訓場地的限制，又受到實訓設備數(shù)量的限制，同時還需考慮學生安全和設備損壞等，實施過程的局限性很大；然而利用三維模型軟件，建立起符合實訓要求的虛擬仿真實訓模型，既能滿足安全、經濟、可控的要求，又能滿足實訓教學的需要，對學生學習《機械基礎》課程知識具有非常重要意義。

一、三維模型建設理念

《機械基礎》課程三維教學模型的構建，應融合教學對課程內容的要求、專業(yè)對人才培養(yǎng)的要求和企業(yè)對人才素質的要求，如圖1 所示，開發(fā)出能同時滿足以上三者要求的三維教學模型教學平臺，以供教學實踐所用。

圖1 三維教學模型三融合要求

教學對課程內容的要求與三維教學模型相融合，要求《機械基礎》課程三維教學模型的建設與教材內容相適應?！稒C械基礎》課程很多內容涉及三維零件，根據(jù)教學要求，確定具體的零部件，利用三維軟件制作需要的虛擬三維模型，如：齒輪、軸和帶輪等；三維模型的制作，有利于提高學生的視覺效果，使三維模型與教學內容緊密結合，相輔相成。

專業(yè)對人才的培養(yǎng)要與三維教學模型相融合，要求《機械基礎》課程三維教學模型的建設應有利于專業(yè)對人才的培養(yǎng)?！稒C械基礎》課程作為機械類專業(yè)學生的專業(yè)基礎課程，相關專業(yè)培養(yǎng)出來的學生，在學生畢業(yè)后，主要是從事機械設備安裝、調試、維修和保養(yǎng)等方面的工作，這就需要培養(yǎng)學生不僅要懂機械設備，更要懂得機械設備的結構特點和工作原理，具備從事機械方面的問題分析和解決的能力，因此在專業(yè)人才的培養(yǎng)上，需要按照人才培養(yǎng)的需要，通過理論和實踐相結合的培養(yǎng)模式，培養(yǎng)出符合專業(yè)要求的人才，而《機械基礎》課程三維模型的構建，能大大滿足《機械基礎》課程對課程實踐的要求。因此，機械基礎三維教學模型的構建過程，應按照人才培養(yǎng)需要的要求，構建為人才培養(yǎng)服務的三維教學模型。

企業(yè)對人才素質的要求與三維教學模型相融合，要求《機械基礎》課程三維教學模型的建設應滿足企業(yè)對人才素質的要求。企業(yè)對機械從業(yè)者素質的要求，從技術方面，主要表現(xiàn)在遇到實際機械方面的問題時，能運用所學的機械知識，從機械的工作原理和結構組成方面入手，解決遇到的問題，對典型的或類似的機械問題，能夠觸類旁通，舉一反三；從能力方面，主要表現(xiàn)在員工能在自身知識的基礎上，通過實踐不斷深化自己的知識基礎，能提出改進產品的意見，從而具備開發(fā)和創(chuàng)新的能力。因此，《機械基礎》課程三維教學模型的構建，不僅需要有滿足學生學習機械相關知識的作用，還需要具有能開發(fā)學生主動思考的作用。

二、三維模型建設內容

《機械基礎》課程三維教學模型的構建，主要由以下三部分內容構成，如圖2 所示，三部分的內容層層遞進。一是常用機械零部件和機構的建模；二是制作虛擬機構裝配動畫，三是生成虛擬拆裝模型，可完成典型機構的虛擬拆裝。

圖2 三維教學模型內容

（一）常用機械零部件和機構的建模

《機械基礎》課程中，有很多常用機構與機械傳動的內容；常用機構中，有平面連桿機構、凸輪機構和間歇運動機構等；在平面連桿機構中，可以根據(jù)教學或建模需要，把平面連桿機構的三維模型建設成為曲柄連桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構和曲柄滑塊機構等；在凸輪機構中，可以根據(jù)教學或建模需要，把凸輪機構的三維模型建設成為盤形凸輪、移動凸輪和圓柱凸輪等；在間歇運動機構中，可以根據(jù)教學或建模需要，把間歇運動機構的三維模型建設成為棘輪機構、槽輪機構和不完全齒輪機構等。機械傳動中，有齒輪傳動、帶傳動與鏈傳動、聯(lián)接、軸系零件等；在齒輪傳動中，可以根據(jù)教學或建模需要，把齒輪傳動的三維模型建設成為直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸輪傳動和減速器等；在帶傳動與鏈傳動中，可以根據(jù)教學或建模需要，把帶傳動與鏈傳動的三維模型建設成為平帶傳動、V 帶傳動、多鍥帶傳動和鏈傳動等；在聯(lián)接形式中，可根據(jù)教學或建模需要，把聯(lián)接形式的三維模型建設成為鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接和螺紋聯(lián)接等；在軸系零件中，可根據(jù)教學或建模需要，把軸系零件的三維模型建設成為軸、滑動軸承、滾動軸承、聯(lián)軸器和離合器等。

（二）制作虛擬機構裝配動畫

在常用機構和機械傳動三維模型零件建設完成之后，需要將建設好的零部件裝配成型，利用三維軟件自帶的仿真動畫功能，制作常用機構和機械傳動的仿真動畫，再利用三維軟件自帶的動畫錄屏功能，將制作好的仿真動畫視頻保存成常見的文件格式，供教學或學習使用，使學生的思維不受限制，能通過視覺觀察來掌握所學知識；同時，制作好的仿真裝配動畫，也能為下一步虛擬裝配服務，學生能通過學習常用機構和機械傳動的虛擬裝配動畫過程，完成模型的裝配流程。

（三）生成虛擬拆裝模型

在虛擬裝配動畫制作完成之后，常用機構與機械傳動的三維裝配模型也裝配完成，為了實現(xiàn)虛擬拆裝教學與實踐要求，需要利用虛擬裝配技術，實現(xiàn)典型零部件的交互式操作要求，制作出滿足學生實踐要求的虛擬拆裝模型，如圖3，可以利用虛擬模型完成齒輪軸上零件的拆裝。這種虛擬拆裝模型，能彌補部分學校硬件設施的不足，也能為學生學習提供一個交互式的虛擬學習環(huán)境，學生通過這種虛擬模型，能提高對常用零件結構的感性認知，能提高對機械零部件之間的裝配關系的認知，也能有利于培養(yǎng)實際動手實操能力。

圖3 齒輪軸上零件的拆裝

三、三維模型建設方法

在《機械基礎》課程的建設理念和建設內容確定之后，需要選擇合適的三維CAD 軟件來完成三維教學模型的構建，目前比較流行的三維設計軟件有Pro/E、UG 和Solidworks 等，由于Solidworks 軟件具有易學、易用的特點，可實現(xiàn)復雜零部件的三維建模、虛擬裝配和運動仿真等功能，還具有很多自帶式的插件模塊和兼容性很強的二次開發(fā)接口，因此，本課程的三維教學模型的構建選用Solidworks 軟件作為主要軟件來完成。

《機械基礎》課程的三維教學模型主要包括常用零件的構建，常用機構和機械傳動模型的裝配，教學裝配視頻的錄制和虛擬裝配平臺的構建。在常用零件的構建中，可利用Solidworks的基本建模功能來完成三維建模；在零件三維模型建好之后，在利用Solidworks 智能裝配配合技術來完成零件的快速裝配，形成課程需要的基本裝配單元；在完成裝配關系后，需要檢查零部件之間的干涉關系，檢查完成即可利用Solidworks 提供的爆炸視圖功能來完成仿真視頻的輸出，或通過Solidworks 提供的運動算例功能來為模型添加動畫效果，以生成需要的仿真視頻；最后，利用Solidworks自帶的eDrawings 瀏覽器，在eDrawings 環(huán)境下編輯*.easm 文件，生成具有交互式要求的用戶界面，具體技術實現(xiàn)過程如圖4 所示。

圖4 交互式用戶界面實現(xiàn)流程

四、特色與應用

《機械基礎》課程三維教學模型的建設，依托課程、專業(yè)和企業(yè)對人才的要求，構建了一個能滿足教學和實踐要求的交互式虛擬仿真平臺，能滿足“能學、輔教”的定位功能，使《機械基礎》課程的教學過程更形象、更直觀，既有仿真動畫的形式將機械零件的構造、運動真實地展現(xiàn)給學生，又有各種常用機構、機械傳動的虛擬實訓操作，能讓學生輕松掌握《機械基礎》課程的相關知識。同時《機械基礎》課程三維教學模型的構建，解決了傳統(tǒng)教學對實訓場地和設備的限制，有效的彌補了因場地、實訓設備不足帶來的困擾，對深化教學模式和教學形式具有重要的意義，值得在類似的課程專業(yè)之間推廣。