基于Solid Works的過程流體機械微課設計

許桂英，劉 浪，胡團橋，王 山，王聰哲，張成偉，黃 灶，周子杰

(重慶理工大學化學化工學院，重慶 401320)

1 引言

伴隨我國過程工業的發展，逐漸突顯出過程裝備與控制工程這門學科的重要性，過程工業的持續發展關鍵在于人才的創新能力，而如何培養出社會需要的過控新型人才已成為熱門話題。過程流體機械作為過程裝備與控制工程專業主干核心課，其教學效果將直接影響整個專業的教學質量。因此，為適應當代教育改革潮流的需要和學生的實際需求。本文通過建立微課結合建模軟件和3D打印技術，來應用于過程流體機械乃至整個專業課的教學中。

2 傳統過程流體機械教育存在的弊端

多年來，傳統教學重點是能否掌握教材，往往在課堂上通過反復灌輸、重點強調、大量練習的方法來迫使學生對課程繼續學習。長此以往，學生的學習熱情與學習主動性逐漸下降。尤其是進入大學以后，成年人的思維讓大學生不再像之前那般遵從教師的思維[1]。事實上，每一個人不管是個性和思維方式等方面都是存在明顯差異的，一個班的學生接受知識的能力也往往參差不齊，而在傳統教學上，老師往往只能顧及到部分學生，甚至前排零星的幾個學生。

另外在過去數十年的教育信息化發展中，傳統的課堂實錄式的視頻教學視頻可以說并不算少，許多名校都愿意將本校的優勢課程錄制下來作為教學視頻廣泛地進行交流[2]。但由于傳統教學視頻僅僅是對傳統教學的數字化，存在時間長、內容多、連貫性大的問題，并且對網絡寬帶、硬件存儲等都有較高的要求。導致學生的課余時間被大量占用，極大地降低了學習效率，容易出現學習模式僵化、學習主動性降低以及學習興趣喪失等問題。

3 微課用于過程流體機械的可行性

微課(Microlecture)是指內容短小、集中解釋說明一個問題的小課程[3]。由美國某大學開創，并于1970年正式引入美國的課程改革。而微課在我國是由佛山市教育局信息中心的胡鐵生老師帶頭使用的，他通過對我國現有教育信息資源利用率低下的問題進行分析，率先提出來利用微課這種

全新的教育模式完善傳統教育的不足[4]。微課在如今微型化、碎片化、移動化的學習趨勢下，可以滿足廣大學習者的個性化需求。就流體機械課程中所介紹的三大類機械(泵，壓縮機，分離機)而言，教師在教學過程中也往往難以找到足夠多的教學模型與教學視頻。一個重要原因便是這三大類機械雖然原理大同小異，但機械種類細分較多，以致在課堂上無法一一舉例和說明。而這教師就可以通過5分鐘左右的微課介紹單一流體機械的結構和原理。既充分利用課前、課間零碎時間又進一步加深學生對流體機械的認知與理解。

4 流體機械中微課的運用

4.1 solidworks計算機建模與裝配

對于流體機械設備的實物的視頻錄制雖然可以讓學生了解機械實物，但往往只能看到其外觀，不能看到其內部結構，而對機械的拆機通常比較復雜，為了介紹其簡單的運動原理而進行拆解顯得得不償失，所以，通過solidworks進行建模得到精確的模型，用數字模型模擬仿真的形式介紹流體機械就比較方便了。在這里我們利用solidworks軟件對齒輪泵中的機械進行相應的三維立體建模，齒輪泵裝配效果圖(圖1)。

圖1 齒輪泵裝配效果圖

4.2 solidworks圖片渲染

Solidworks的一大特色就是利用軟件中包含的animator插件[5]，可以簡單方便地生成工程機構的演示動畫，讓原本呆板的設計圖紙變成鮮活的動畫，實現對設計產品的功能展示。在solidworks中，通過運動算例功能可以快速完成機構的仿真運動及動畫設計，運動算例可以模擬圖形的運動及裝配體中的部件直觀屬性，并生成基于Windows的avi視頻文件[6]。而裝配體運動模擬是通過添加馬達進行驅動來控制裝配體的運動，或者決定裝配體在不同時間時的外觀。通過設定鍵碼點，可以確定裝配體運動從一個位置到另一個位置所需的順序。緊接著圖片渲染利用solidworks中的photoview360插件[7],在渲染工具中可以設置渲染的尺寸與質量，圖片尺寸一般選取1080×1920以便于后期視頻編輯，還可以設置外觀的材質顏色以及布景，隨后添加相機和光源同時可以調整模型的位置即可開始的最終渲染，渲染的時長由渲染的質量與尺寸決定[8]，往往幾十秒到十幾分鐘不等，渲染完成后即可得圖示精美圖片(圖2)。

圖2 渲染后的齒輪泵圖

4.3 solidworks仿真動畫

制作過程是依靠solidworks包含的animator[9]，通過新建裝配體或者打開已有的裝配體，點擊界面中動算例按鈕，開啟運動算例，隨即點開爆炸視圖，單個拆離某一個或者多個零件，得到自己想要的效果圖；為了進一步便于觀察，可以點擊外觀，給各個零部件添加各種顏色便于區分，同時，為了美觀與區分方便，給部分零件添加透明或者半透明材質，泵體前蓋添加透明玻璃材質，透過前蓋就可以觀察到齒輪泵齒輪的運動(圖3)。制作動畫只有零部件的拆解運動是無法直接讓學習者了解到工作原理的，此時就需要給機械添加運動部件了，再點擊添加一個電機，選擇旋轉電機，設置轉數等后，葉輪與傳動軸就都可以運動起來了,此時通過動畫向導可以設置一些諸如爆炸效果的模板運動效果，設置完后此時可以自由更改鍵碼的排列組合，以達到自己需要的運動效果設置完成后，可點擊左下角的動畫保存鍵，得到設置界面，為了后期的剪輯方便，建議將分辨率設置為1280×720以便于后期視頻編輯，幀數設置為8幀即可[10]，同時為了得到更好的效果，使用之前所講的photoview360渲染器渲染普通視圖，之后就可以得到精美的仿真動畫視頻了。

圖3 齒輪泵前蓋選擇透明材質過程圖

4.4 3D打印教學模型與裝配

3D打印技術本身是一種增加材料的制造技術(Additive Manufacturing ,AM)[11]。原理類似于編制毛衣，通過物料一層層的累積疊加，得到一個完整的物體。需要注意的是因為打印機精度限制與圖紙未標注設計配合公差，因此許多零件往往配合緊密，甚至無法裝配。在裝配過程中注意使用銼刀和砂紙對配合面進行修整和打磨。同時裝配過程中需要注意3D打印零件的方向，底端由于打印時緊貼基臺往往不如頂端光澤度好，裝配時可以考慮將更美觀的頂端設置為可見位置，裝配過程中可以采用由內至外的裝配方式，逐步裝配完成后稱量重量測量尺寸。對前面用solidworks所建齒輪泵模型進行3D打印。

4.5 資料匯總與視頻剪輯

通過以上的眾多工作，已經積累了大量的視頻圖片素材，要想完成一部微課，還需要將素材剪輯成為一個5～10min的視頻。通過使用的Adobe Premiere Pro CC軟件可以快速簡單地進行視頻編輯剪輯工作。微課視頻是為了介紹齒輪泵基于Solidworks的過程流體機械微課設計的運動原理，因此將之前solidworks的仿真動畫導入至視頻內，為了更好的解釋運動過程，可以添加配音，也可以為運動畫面添加指示箭頭。在微課視頻中加入3D打印體的總裝視頻能更加直觀地教學。最后，編輯完成的微課視頻就可以導出，此時將格式設置為H.264，分辨率設為720p30幀，同時進行壓縮。這樣得到的微課視頻體積較小，便于發布傳播。

5 結論

本論文說明了在流體機械課程中加入微課的重要意義，理清了創作微課具體過程的思路，總結了微課資源建設的教訓與經驗。本次微課的創造過程中利用 Solidworks 軟件繪制計算機三維模型，利用 3D 打印技術制作實體模型，實現了數字化與傳統教學完美結合，同時對流體機械課程的微課的內容進行了很好的填充。

致謝：重慶市教委基金(No. KJ1400901)的支持。感謝重慶理工大學《過程流體機械》和《過程設備設計》核心課程的支持。