基于SolidWorks虛擬實驗素材庫的開發(fā)與應用

霍緒堯，王宏祥，陳 曄

基于SolidWorks虛擬實驗素材庫的開發(fā)與應用

霍緒堯，王宏祥，陳 曄

(遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001)

為了提高“機設專業(yè)綜合實驗”的教學質量，開闊學生專業(yè)視野，本文提出利用SolidWorks三維仿真軟件建立“機設專業(yè)綜合實驗”三維模型素材庫的方案，介紹了素材庫的基本組成與架構，同時以自動藥品裝盒機為例，闡述了三維模型素材庫在實驗教學中的應用。在實際教學應用過程中，學生通過對虛擬實驗素材庫中素材的學習，豐富了專業(yè)知識，對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到了積極的作用，教學效果良好。通過三維模型素材庫的輔助教學，可以有效增強師生之間的互動，提高課堂實驗教學質量，是一種行之有效的人才培養(yǎng)方式。

機械設計；虛擬仿真；素材庫；綜合實驗

“機設專業(yè)綜合實驗”是本科機械設計專業(yè)的綜合實驗課。課程需要“機械原理”“機械系統(tǒng)設計”“機械設計學”等多門課程的理論知識點作支撐，主要針對實驗設備進行功能原理分析、執(zhí)行系統(tǒng)分析和傳動系統(tǒng)分析。而實驗設備空間結構復雜，學生又常常缺乏相關感性認識，對實驗內容理解較差，給課堂教學帶來了很大的困難[1]。

隨著電子計算機技術的飛速發(fā)展，計算機輔助教學（CAI）技術得到了廣泛運用，這給實驗教學帶來了深刻的變化。根據(jù)《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》的指導精神，遼寧工業(yè)大學機械學院在實驗課程改革過程中，對“機設專業(yè)綜合實驗”進行了虛擬仿真方向的改革與探索，并取得了一定的成績[2]。但是，隨著現(xiàn)代科學技術不斷發(fā)展，各種新式設備不斷出現(xiàn)，本科教學用的實驗設備也亟待擴充。利用計算機虛擬仿真技術，將新式典型設備進行三維建模并歸類管理，對設備三維模型進行虛擬仿真素材庫建設并不斷拓展完善，可以有效地改善并彌補實驗教學設備陳舊與不足的弊端[3]。虛擬仿真實驗的方式可以對實驗教學中存在的不足之處進行有效的補充。“機設專業(yè)綜合實驗”是一門綜合性較強的專業(yè)實驗課程。這門實驗課程的主旨是通過實驗的方式培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，是培養(yǎng)學生動手能力以及創(chuàng)新能力最高效的途徑。為了更好地擴展實驗教學的途徑和效果，就要使虛擬仿真實驗高效地融入實驗課程中。建立虛擬仿真實驗設備模型素材庫，是開展虛擬仿真實驗的先決條件。它可以為學生提供豐富的實驗教學資源，拓展學生的視野，充分發(fā)揮學生在實驗過程中的主動性，從而達到培養(yǎng)學生綜合能力的目的，同時也是符合我國國情和教育資源現(xiàn)狀的有效途徑[4,5]。

一、當前“機設專業(yè)綜合實驗”教學狀況

目前“機設專業(yè)綜合實驗”在機設專業(yè)教研室和專業(yè)實驗中心不斷改革、努力探索下，已經有了很大程度上的改觀，提高了學生自主學習的積極性，加深了學生對工程實踐的認知，同時很大程度上強化了學生實踐創(chuàng)新能力。但是，在授課過程中，實驗指導教師需要在課上時間對當次實驗的實驗項目、教學目的、設備原理、操作步驟以及實驗過程中需要注意的問題和安全隱患等做詳盡的課前說明。一方面占用了大量的課上時間，另一方面部分學生自身對實驗興趣不大，課前對實驗的預習情況不好，對實驗了解掌握不足，同時由于實驗學生人數(shù)較多且設備臺套數(shù)不足，只能三到四人一組，很容易造成部分學生在教師講課時不聽，動手實驗時投入精力不足、積極性不高，不認真做實驗甚至不做實驗等現(xiàn)象，無法達到預期的實驗教學目的。這種授課模式不僅不能激發(fā)學生對專業(yè)綜合實驗的興趣，有時還會把學生探索知識的欲望扼殺在搖籃之中。加強機設專業(yè)綜合實驗課程的虛擬仿真建設可以有效地解決上述問題。但是，由于本課程虛擬仿真體系剛剛建立，可供學生使用的虛擬實驗素材不足的缺陷便凸顯出來。所以，建立一個內容豐富、難易層次分明的虛擬仿真素材庫，便成為了一個急需解決的問題。

二、“機設專業(yè)綜合實驗”立體化素材庫的架構

“機設專業(yè)綜合實驗”是一門綜合性較強、涉獵知識點較多的實驗課程，需要機械原理、機械設計學、機械系統(tǒng)設計、液壓與氣壓傳動以及機械制造技術等多門課程的相關知識點作為理論支撐，要求學生具備過硬的想象能力和空間思維。在實驗教學中，如何直觀準確地向學生展示實驗設備內部結構、工作原理以及具體零部件裝配細節(jié)是本門課程的首要任務。多數(shù)學生由于實踐經驗比較缺乏，都是首次接觸實驗設備，而不知從何下手。這就需要使用三維虛擬仿真模型作為教學工具進行結構展示、功能原理分解，以及執(zhí)行系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)分析。虛擬仿真實驗是應用現(xiàn)代信息化技術來重建實際設備的實驗方式，是依托虛擬現(xiàn)實技術模擬實際設備內部結構甚至操作過程的實驗模式。同時，虛擬仿真實驗的開設不是脫離和取代傳統(tǒng)的實驗教學方式，而是在傳統(tǒng)實驗教學基礎上，應用虛擬仿真技術更好地解決傳統(tǒng)實驗過程中不好解決的問題，從而突破教學過程中的重點和難點，進而有效實現(xiàn)課程目的，是對傳統(tǒng)實驗教學方式的重要補充。為了更好地開展虛擬仿真實驗，針對傳統(tǒng)實驗教學過程中現(xiàn)存問題以及向學生展示設備內部原理結構的需要，設置了如圖1所示的三維模型素材庫架構。

根據(jù)機械學院專業(yè)特點，素材庫主要分為農業(yè)機械、包裝機械、工程機械以及常用機械四大主要模塊，其中以包裝機械為例，又分為裝箱機、裝盒機、填充機、封口機、裹包機等設備模塊。每個設備模塊下根據(jù)不同功能要求細分出相應的子功能模塊。

圖1 虛擬仿真模型素材庫結構

三、“機設專業(yè)綜合實驗”三維模型和仿真動畫的建立

鑒于SolidWorks三維仿真軟件功能強大、操作簡單，三維模型素材庫采用SolidWorks軟件進行三維虛擬建模與裝配，然后使用軟件內置的 Cosmosmotio運動分析功能，對實驗設備模型進行運動仿真，并輸出avi格式的仿真視頻，方便學生們直觀上理解設備的功能結構。通過這些功能，實驗教師可以將虛擬仿真設備模型的運行過程錄制成視頻，再配以說明字幕，在虛擬仿真的視頻中將實驗對象設備的介紹、實驗對象設備的參數(shù)說明、實驗對象設備的操作過程等內容分別進行說明，將實驗對象設備全面地展示在學生眼前。這樣，學生就能夠按照自身的需要進行篩選觀看，在課前的預習環(huán)節(jié)以及課后的復習環(huán)節(jié)均能夠有目的地查找到自己想要的知識點[6]?？梢杂行娀瘜W生對理論結構與設備模型之間聯(lián)系的理解，加深學生對理論知識的認知程度[7]。

本文以自動藥品裝盒機為例，對立體化模型的建立進行簡單說明。自動藥品裝盒機主要由7個執(zhí)行機構組成，分別是送盒機構、推盒機構、導向機構、推藥機構、送藥機構、下藥機構以及夾持機構。實驗教師可以引入虛擬仿真的自動藥品裝盒機模型，并將錄制好的自動藥品裝盒機各個機構模型的機構說明以及運動視頻制作成微課，上傳到慕課學習平臺上，運用微課視頻的方式來說明自動藥品裝盒機的各部分功能。這能夠使相對生澀的理論知識變得形象起來。學生通過觀看微課視頻，能夠有針對性地對不明白的知識點進行重點學習，進而熟悉并掌握自動藥品裝盒機的結構及工作原理[6]。為使學生進一步加深對實驗設備功能原理的理解、強化設備結構與設備模型之間聯(lián)系，實驗教師可以要求學生畫出虛擬設備的方案簡圖，如圖2所示。

圖2 自動藥品裝盒機方案簡圖

根據(jù)自動藥品裝盒機結構圖并結合設備模型，用三維軟件對其進行虛擬零件裝配，三維模型如圖3所示，同時可根據(jù)自動藥品裝盒機實際工作情況，對模型添加動力源，進行運動仿真和運動參數(shù)分析。方案簡圖與三維仿真模型的相輔相成，加深學生對自動藥品裝盒機結構特點及工作原理的理解。

圖3 自動藥品裝盒三維仿真模型

四、立體化素材庫的應用

“機設專業(yè)綜合實驗”是培養(yǎng)機械設計專業(yè)學生分析能力與設計能力的重要途徑，還是學生鞏固加深理論知識的重要環(huán)節(jié)。在實驗教學中運用三維虛擬仿真模型，可以有效提高學生課上時間利用率，把相對復雜的空間機械結構用三維虛擬模型的方式呈現(xiàn)在電腦屏幕上。同時，學生可以自己動手操作，隨意選擇不同視角來觀察實驗設備模型，使用軟件內置的剖面工具對實驗設備模型在不同平面進行剖視操作，更加直觀形象地了解零部件及實驗設備的內部結構。學生還可以在軟件中虛擬仿真設備模型的拆裝過程，使學生進一步了解設備具體安裝的工藝流程，把復雜的問題簡單化、形象化，進一步加深對理論知識的理解。

以自動藥品裝盒機為例，實驗教師將虛擬仿真模型的操作方式以及說明編寫成虛擬仿真實驗課程指導書，再把各虛擬仿真實驗的操作流程錄制成微課，作為實驗課程的課程資源上傳到慕課平臺。學生能夠自主地確定時間，進行在線預習，使預習環(huán)節(jié)更有側重點和針對性，還能夠和課程教師進行線上溝通、留言互動，按要求完成實驗的課前預習報告，并作為實驗預習成績的背景材料[8]。

鑒于實際設備拆裝不便，導致內部結構細節(jié)難以完全看清，大部分學生很難理解其具體結構及功能原理，即使有些同學看懂了設備工作原理，對具體細節(jié)結構仍存在很多疑問，而利用圖3所示三維仿真模型，學生就能很直觀地看清問題的本質。通過前期理論知識的鋪墊，學生可以通過對虛擬仿真的自動藥品裝盒機進行放大、縮小、切換視角等操作來查看各個部件的內部結構、連接尺寸及裝配位置等特征，從而對自動藥品裝盒機有更加實際客觀的整體認知[9]。通過簡單的軟件操作，使原本晦澀難懂的問題迎刃而解。利用計算機虛擬技術展現(xiàn)在每個學生眼前，就可以很容易理清自動藥品裝盒機的工作流程：通過下藥機構，將藥板從儲料架中分離，使藥板掉入送藥機構中；藥板通過送藥機構向前移動，推藥機構中的推桿由送藥機構帶動向前移動，與送藥板同步運動，同時推桿通過導向機構，將藥板推入到藥盒中，完成整個工作過程。最后，學生根據(jù)虛擬仿真實驗任務完成課上實驗報告，最終以預習報告、課上實驗報告以及答辯的形式對學生進行“機設專業(yè)綜合實驗”總成績的考核[8]。

五、結束語

使用SolidWorks三維軟件，建立內容豐富的“機設專業(yè)綜合實驗”三維模型素材庫，結合素材庫中的仿真模型，有助于學生深入了解實驗設備的空間結構及功能原理，提高了課堂教學效率。通過建立三維虛擬實驗教學場景，很好地擺脫了傳統(tǒng)填鴨式的教學模式，很大程度上簡化了教師的實驗教學過程，同時有效增強了學生與教師之間的互動，很好地提高了教學質量。

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10.15916/j.issn1674-327x.2022.05.031

G642.1

B

1674-327X (2022)05-0111-03

2021-11-29

遼寧省教育廳基礎研究項目(JJL202015401)

霍緒堯(1985-)，男，山東煙臺人，高級實驗師。

(責任編輯：付春玲)