基于仿真軟件的虛擬模擬庫的構(gòu)建與應(yīng)用研究

摘要：介紹了機械制圖、機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，探討了基于造型和仿真軟件的虛擬模型庫的特點和開發(fā)方法，說明了虛擬模型庫在教學(xué)中的應(yīng)用，應(yīng)用虛擬模型庫有助于提高學(xué)生的空間想象能力和創(chuàng)新能力，為機械制圖、機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)提供了一種提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：造型 仿真 虛擬模型庫

1 概述

機械制圖、機械設(shè)計基礎(chǔ)是工科類各專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，為了直觀教學(xué)，使學(xué)生更快掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，擴展學(xué)生的思維，一般教學(xué)中普遍采用實物教具模型、多媒體課件輔助教學(xué)，這些教學(xué)手段雖然可以在一定程度上增強教學(xué)的直觀性，但還存在許多不足。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，搭建計算機軟件平臺，構(gòu)建虛擬模型庫，建立虛擬實驗室，將在教學(xué)中發(fā)揮更大的作用。應(yīng)用虛擬模型庫，學(xué)生既可以在虛擬實驗平臺上動手操作，也可以自己設(shè)計實驗。與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，學(xué)生能夠更加直觀地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)興趣，得到更好的學(xué)習(xí)效果。

2 課程的教學(xué)現(xiàn)狀

目前，機械制圖、機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)中，利用實物教具模型、多媒體課件等手段輔助教學(xué)，這些教學(xué)手段存在以下幾方面的問題：①實物模型不易攜帶，且易損壞，不便于保管[1]，課堂上不可能學(xué)生人手一件，由于課時的原因，學(xué)生不可能仔細研究模型，不利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果不佳。②實物模型更新速度慢，成本高，舊模型基本沒有再利用的價值，造成很大浪費[2]。③機械部件組成、結(jié)構(gòu)特點及工作原理的教學(xué)中，對于教材中靜態(tài)的裝配圖、原理圖，不能完整地表達機械部件的所有結(jié)構(gòu)，不能進行運動演示，學(xué)生看圖、讀圖困難[3]，不利于學(xué)生準(zhǔn)確掌握教學(xué)內(nèi)容。

3 虛擬模型庫的特點

與實物教具模型、掛圖和多媒體課件相比，虛擬模型庫有以下特點：①虛擬模型庫儲存在虛擬實驗室的電腦或U盤中，比實物模型、掛圖攜帶方便，不易損壞，便于保管，學(xué)生不僅可以在課堂中觀看，課下還可以在自己的電腦中觀看。②虛擬模型庫比教學(xué)實物模型和掛圖更新?lián)Q代容易，且可以根據(jù)需要實時改變虛擬模型的結(jié)構(gòu)，既避免了因舊模型沒有利用價值而造成的浪費，又可以提高學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。③虛擬模型庫能夠完整地表達機械部件的所有結(jié)構(gòu)，給學(xué)生的學(xué)習(xí)提供方便。

4 虛擬模型庫的構(gòu)建

構(gòu)建基于造型與仿真軟件的虛擬模型庫需要有一些的軟、硬件條件的支持，硬件需要一個具有50臺計算機的機房作為教學(xué)課堂，軟件需要UG.NX、Pro/E/、ADAMS等軟件。利用三維造型軟件的實體造型功能，把教學(xué)中的截割體、相貫體、常用件、標(biāo)準(zhǔn)件及部件等匯聚起來，將實體造型的各構(gòu)件裝配成各種機構(gòu)，建立起虛擬模型庫。建立的模型庫不僅模型精度高、質(zhì)感好、形象逼真、色彩豐富、能夠進行機構(gòu)運動演示、運動分析、動力分析、仿真干涉檢查，而且可直接調(diào)用實體模型，實時修改實體模型的結(jié)構(gòu)、機構(gòu)結(jié)構(gòu)，大大提高了學(xué)生的空間思維能力、想象力和創(chuàng)新能力。構(gòu)建虛擬模型庫可以充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)資源共享。模型庫能夠通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，學(xué)生在課后學(xué)習(xí)中遇到困難，可以通過網(wǎng)絡(luò)打開模型庫，尋找相同、相似的模型進行觀察，鞏固課堂的知識。另外，學(xué)生可以通過將自己的繪圖與模型庫中對比，檢驗自己的讀圖、繪圖能力，有助于學(xué)生從被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，從而提高學(xué)習(xí)效果。

4.1 建立基礎(chǔ)模型庫。在UG.NX、Pro/E/、ADAMS軟件的支持下建立基礎(chǔ)模型庫，庫中的圖形文件成為零件庫的原形零件文件。

4.2 創(chuàng)建衍生模型庫。創(chuàng)建形狀結(jié)構(gòu)相似而略有不同的模型庫，其特點是便于學(xué)生比較不同形狀結(jié)構(gòu)的圖形繪制和機構(gòu)運動情況。如創(chuàng)建剖切面位置不同的剖切零件、不同的疊加情況下的零件、構(gòu)件不同組合的機構(gòu)（兩種不同插秧機、牛頭刨床、顎式破碎機等），利于學(xué)生觀察實際零件和機構(gòu)，觀察不同情況下圖形的繪制情況和機構(gòu)的運動狀態(tài)。

4.3 創(chuàng)建新模型庫。在教學(xué)中，教師可以根據(jù)學(xué)生的想象力實時改變零件、機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，快速制作教學(xué)模型，提高學(xué)生的空間想象能力和創(chuàng)新能力。

4.4 機械教學(xué)模型庫的應(yīng)用。學(xué)習(xí)相貫線、截交線和組合體時，為幫助學(xué)生想象，一般利用模型輔助教學(xué)，每個實物模型是固定的結(jié)構(gòu)，難以實時地、任意地控制，利用模型庫不僅可以觀察模型的結(jié)構(gòu)、組合體的形成過程、截交線或相貫線的形成及變化趨勢等，而且可以實時改變模型庫中模型的結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生舉一反三，提高空間想象力；學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)件、常用件、零件圖、裝配圖，學(xué)生按照實物想象裝配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的繪制比較困難，利用模型庫可以動態(tài)演示裝配體的裝配過程，使學(xué)生仔細觀察裝配體中零件之間的裝配關(guān)系，把握裝配體的特點和要求，必要時還可剖切模型，讓學(xué)生觀察模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

基于造型和仿真軟件的虛擬模型庫，具有成本低、操作靈活、修改更新方便、便于觀察模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系、易于進行運動和動力分析等優(yōu)點，改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式，克服了傳統(tǒng)實物教具模型和普通多媒體課件的不足。在教學(xué)中，教師利用模型庫組織、指導(dǎo)學(xué)生觀察和學(xué)習(xí)，學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃铀伎迹ぐl(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的空間想象力、觀察能力和創(chuàng)造力。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，造型與仿真軟件的廣泛應(yīng)用，虛擬模型庫在機械制圖、機械設(shè)計基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用將更加廣泛。

參考文獻：

[1]陳靜.基于VB環(huán)境下的教學(xué)模型庫的開發(fā)與研究[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報，2007，4：115-120.

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[3]羅益寧.機械制圖課程教學(xué)模型與動畫庫的開發(fā)[J].電腦與信息技術(shù)，2001，4：21-23.