基于3DVIA Composer 3D動畫在機床夾具CAI中的應用研究

牛鵬輝　劉救世　李大磊

摘 要 文章簡述了動畫是現代化的教學模式CAI的主要手段，在課堂教學中起著不可缺少的重要作用，分析了動畫在課堂教學中的作用機理，根據機床夾具設計課程實踐性強的特點，論述了將3D動畫軟件3DVIA Composer應用于課堂教學的必要性，介紹了應用該軟件制作3D畫的一般方法和步驟，對基于3DVIA Composer的動畫在機床夾具CAI中的教學實踐和效果進行了總結。

關鍵詞 3DVIA Composer CAI 3D動畫 機床夾具

中圖分類號：TP391.7 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.12.015

Research on Application of 3DVIA Composer 3D Animation in

Machine Tool Fixture CAI

NIU Penghui， LIU Jiushi， LI Dalei

（School of Mechanical Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan 450001）

Abstract The animation is the main means of CAI teaching mode of modernization， plays an indispensable role in the classroom teaching， analyzes the mechanism of animation in the classroom teaching， according to the fixture design course practical characteristics， discusses the necessity of 3D animation software 3DVIA Composer is applied to classroom teaching， introduction the general methods and steps of making use of the software of 3DVIA 3D painting， composer based animation in the machine tool CAI in teaching practice and effect are summarized.

Keywords 3DVIA； Composer； CAI； 3D Animation； machine tool fixture

機床夾具設計是機械類專業技術專業課“機械制造工藝學”中的重要內容，課程的實踐性強。在教學實踐中，夾具的工作原理需要通過復雜的夾具結構來說明，對學生的空間想象能力有較高要求，而傳統的教學方式往往達不到預期的效果。而隨著新的教學手段的不斷出現，現代化的教學方法代替原有傳統的教學模式已顯得十分必要。筆者將基于3DVIA Composer的3D動畫應用于機床夾具設計課程課堂教學中，收到了顯著的教學效果。

1 CAI教學模式

當代教學模式的發展和創新，突出強調的是學生本位的教學價值、信息化的教學媒體和師生互動的教學形式。盡管教學模式的發展呈多樣化，但充分利用多種技術手段來設計和豐富教學模式是當前教學模式發展的一個顯趨，其中最具時代特征的是計算機輔助教學的教學模式。[1]計算機輔助教學——CAI （Computer Aided Instruction）是利用計算機的人機對話、快速計算、圖形和動畫等功能，采用文字、聲像、動畫等手段，創造交互性強的多媒體CAI課件來完成教學的一種現代化的教學方式，其理論基礎是建構主義學習理論。

建構主義心理學指出，知識不是通過教師傳授得到的，而是學習者在一定的情境下，利用必要的學習資料，借助他人的幫助，通過意義建構的方式而獲得。以建構主義心理學為基礎的教學模式的設計思想是：教師要提供一種有利于學生自主建構知識的、良好的學習環境以有效地激發學生的學習主動性和積極性，從而實現對知識的自主學習和自主建構。[2]已有的研究充分證實，不同的學習形式對學生的學習效果影響差異很大。在CAI教學模式下，學生能獲得最佳的學習效果。隨著現代信息技術的發展，借助計算機進行輔助教學已成為必然的趨勢。CAI的興起是教育界進行信息革命的最有代表性的產物，而動畫在CAI中的作用尤為重要。

2 動畫在CAI中的作用機理

隨著生命科學的發展，教育領域也進入一個重要的時代——腦時代。CAI中的動畫對課堂教學的作用符合腦學習理論，它激發了大腦的潛能，極大提高了課堂教學效率和教學質量。

現代腦科學家認為，“腦按照一個由大量聯結在一起的模塊元件組成的分布式系統排列。”人的大腦分為左右兩個半球，左半球主要管理語言，包括說話、書寫、計算等抽象思維功能；右半球管理音樂、圖畫、表象等形象思維功能。大腦左右兩半球既相互分工，又密切合作，人們在日常學習工作中所從事的所有活動，都是左右腦協調活動的結果。大腦把感覺器官對外界所進行的各種非言語感知和言語感知的各個方面都儲存在不同的區域，存儲區域內的各細胞之間就構建起“路徑”，從而建立起相應的聯系，然后大腦組織由各種各樣的刺激產生的信息數據，從而實現腦功能的整合。[3]

在機床夾具課堂教學過程中，3D動畫利用聲音、圖像等逼真地模擬了機床夾具的裝配、工作過程，給人以身臨其境之感，充分調動了學生的各種感覺器官，把學生的多種感官有機地組合起來。這種情景下，腦內大量的區域被同時激活，更強地刺激了大腦中神經細胞之間的聯系，提高了大腦整合大量信息的能力，從而顯著增強了學習效果。

3 專用機床夾具的教學特點endprint

“機械制造工藝學”是與工程實際緊密結合的專業課，課程的重要任務之一是使學生基本掌握機床夾具的專業理論知識和具有初步的結構設計能力。“專用夾具設計”部分是學生學習的重點也是難點。在課堂教學的過程中，對于一些復雜的夾具結構，教師僅根據教材中的二維結構簡圖，很難用語言表達清楚夾具的定位、夾緊等工作過程。不少同學在學完該課程后，往往對機床夾具的具體結構和工作原理一知半解，達不到預期的教學效果。為此，筆者使用3DVIA Composer制作了典型機床夾具的裝配和工作過程3D動畫，應用于課堂教學，收到了非常好的教學效果。3D動畫能更有效地刺激大腦，提高學生腦內的神經元聯結，產生更多突觸，由此提高其學習能力。此時學生能極大地發揮學習潛能，積極地投入到學習中去，使學生對課程知識有更深層次的理解。因此，將3DVIA Composer應用于專用夾具設計的課堂教學，能幫助學生快速、深入理解夾具的結構和工作原理。

4 3DVIA Composer 3D動畫特點

目前常用于制作CAI課件中動畫的軟件有Flash和3D MAX。Flash 用于設計和編輯 Flash 文檔，制作過程簡單，但動畫為二維，無立體效果，不能給學生留下深刻印象；3D MAX 是制作建筑效果圖和3D動畫的專業工具，廣泛應用于電視及娛樂業中，雖效果逼真，但本身沒有剛性聯接、自由度約束，而且不能實現機床夾具各部件動作及相互作用的需求，也沒有精度、公差等精度信息，更無法生成工程圖。3DVIA Composer是由法國達索信息公司（Dassault Systerms）開發的圖形軟件，具有簡潔明了的操作界面、強大的3D功能，可以直接利用已有的3D模型制作3D動畫。由3DVIA Composer制作的3D動畫精美逼真，畫面光艷奪目、金屬質感超強，可以生動地實現各種機構和裝置的剛性運動，給學生留下極其強烈的感官印象。

作為與SolidWorks無縫集成的一個插件，3DVIA Composer易學習、上手快，動畫制作簡單快捷，使用者幾乎無需具備相關的CAD知識和接受專門的培訓，因此特別適合機械機構和結構的CAI課件制作，使傳統的機床夾具教學方式煥然一新。

5 3DVIA Composer 3D動畫在機床夾具CAI中的應用

5.1 3DVIA Composer在機床夾具教學中的應用效果

傳統的教學由于其信息的單一性和平面化始終不能很好地滿足教師和學生的要求，而利用3DVIA Composer軟件可為學生提供多元化、立體感的信息，充分調動學生的學習興趣，激發大腦的學習潛能，加深對知識的理解。學習并不是大腦內分離和孤立的事件，而是所有相關腦區的共同協作。動畫可以將無法親身感知的，難以實現的抽象現象，借助動畫的形式真實形象地展現出來，彌補了常規教學的不足，從而極大地調動了學生的學習積極性。此時，大腦處于興奮狀態，知識便迅速而深刻地烙印在大腦里，學生則在輕松愉快的心情下感悟新的知識。[4]

筆者在教學實踐活動中，以加工推土機鏟臂右支架2€住？3.5孔專用夾具為例，利用3DVIA Composer制作其工作過程的3D動畫，不僅能準確地表達出該機床夾具由定位心軸、分度盤、對定插銷、鉆模板、鉆套和夾具體等所組成，而且生動地展示了使用該機床夾具對工件進行定位、分度、夾緊、擴孔及裝卸工件等動作過程，充分展現了該夾具的工作原理和裝配過程。本來枯燥難懂的知識瞬間變成了學生感興趣的動畫，極大提高了學生的興趣，加深了學生的理解，收到了良好的教學效果。同時，CAI課件中3D動畫提供的生動、直觀的學習材料不僅能提高學生的學習興趣，調動學生的學習積極性，而且遵循了大腦的學習規律，最大化地發揮了大腦的潛能，從而增加了學生對知識的理解和記憶，實現了學生對知識的自主建構，達到了預期的教學效果。

5.2 3DVIA Composer制作動畫的一般步驟

3DVIA Composer制作3D動畫的關鍵在于合理地放置關鍵幀，具體是通過拖動時間線配合調整模型（平移、旋轉、更改透明度等）來實現，整個動畫制作都要根據動畫的動作順序不斷反復平移、旋轉模型或改變視角。3DVIA Composer能夠根據產品的需求生成其裝配、爆炸及工作過程的AVI動畫文件，并以此用于CAI教學。3DVIA Composer可讀取SolidWorks、CATIA、Pro/E及其他多種三維CAD格式文件。

運用3DVIA Composer制作機床夾具3D動畫的一般步驟是：在三維建模軟件中建立機床夾具的三維模型，渲染后得到符合工程實際的色彩效果；規劃和設計三維模型中各元件的動作順序；將機床夾具的三維模型導入到3DVIA Composer軟件中，選擇合適的視角作為夾具動畫的初始位置；按照機床夾具操作過程中的動作要求放置關鍵幀，同時進行視圖的變換、零件的平移、旋轉等操作，系統及時記錄完成3D動畫制作；將制作完成的動畫文件另存為PDF、HTML或AVI格式，以脫離3DVIA Composer獨立進行播放。

6 結束語

3DVIA Composer軟件的3D動畫制作是“機械制造工藝學”等工程類專業課CAI教學的有力手段， 其為學生提供的多元化、立體感的信息，能將抽象的知識形象化，充分調動學生的學習興趣，激發大腦的學習潛能，讓學生從形象生動的直觀出發達到豐富的感性認識。筆者根據多年的教學經驗，充分考慮到機械制造工藝學課程實踐性強的特點，利用3DVIA Composer軟件制作專用機床夾具的裝配及工作過程3D動畫，用于課堂教學，符合學生的學習和認知規律，極大地活躍了課堂教學的氛圍，提高了學生的學習效率，收到了非常好的課堂教學效果。

參考文獻

[1] 吳愛琴，楊蘭芳.淺析教模式與教學方法[J].教育教學研究，2007.3.

[2] 沈鳳梅.基于建構主義認識論的教學設計[J].中國教育學刊，2011.6.

[3] 李世光.適于腦的教學[J].西昌學院學報，2006.12.Voll8，N0.4.

[4] 張繼明.通往高等教育——我國高等教育研究的反思與建議[J].中國高教研究，2001.3.endprint