機械設(shè)計與制造專業(yè)教學(xué)中虛擬資源的開發(fā)利用

王素梅

(甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車系，蘭州 730070)

1 計算機虛擬設(shè)計和制造技術(shù)

虛擬設(shè)計是利用計算機的仿真技術(shù)來為現(xiàn)代設(shè)計方法與技術(shù)進行基礎(chǔ)展示的一項內(nèi)容，是通過利用計算機技術(shù)來制造一種特殊的人工環(huán)境，讓人們能夠在這種環(huán)境中生出與現(xiàn)實世界相似的想象，這種時間和空間是可以改變的，從而幫助人們在這一環(huán)境中完成對現(xiàn)實生活中所需要的設(shè)計制造過程，最終實現(xiàn)節(jié)約成本、優(yōu)化系統(tǒng)和改善制造周期的目標(biāo)[1]。虛擬設(shè)計主要是利用軟件建立一個機械系統(tǒng)的三維模型來進行展示，這樣可以讓設(shè)計者將更多精力集中在創(chuàng)造設(shè)計中，而復(fù)雜的繪圖等工作都是由計算機來完成的。另外，在進行編輯修改時，利用計算機系統(tǒng)可以極大提高效率。虛擬制造和仿真則是更高級的階段，是通過計算機來完成從產(chǎn)品設(shè)計制造到檢驗的整個過程，可對物體進行實際模擬，并從設(shè)計規(guī)劃到制造等各個環(huán)節(jié)來進行檢驗，從而提高各級的決策控制能力，減少設(shè)計者在設(shè)計開發(fā)過程中所遇到的問題，以便更快地完成新產(chǎn)品研發(fā)。

2 虛擬技術(shù)的研究現(xiàn)狀

虛擬技術(shù)能夠同時為人們提供聽覺、視覺和觸覺的感受，只需要通過系統(tǒng)提前設(shè)計好的程序就能夠完成在虛擬環(huán)境中的一些動作，讓人們產(chǎn)生一種身臨其境的真實感受。虛擬技術(shù)平臺主要依靠的是計算機，同時還會結(jié)合圖像傳輸處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機對話技術(shù)，等等。以前，人們一直都在探索如何去打破傳統(tǒng)的數(shù)字化展示方式，希望能夠創(chuàng)造出圖文并茂的真實情境供人們享受，讓用戶能夠在這樣的情形下去處理信息，從而提高自身的認知[2]。

目前，全國各大高校都開始改革自身的人才培養(yǎng)模式，但還有很多學(xué)校的教學(xué)仍然是利用最原始的方式，學(xué)生自身的積極性得不到調(diào)動，難以激發(fā)出他們的創(chuàng)新意識和能力。而將虛擬技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域則能夠為學(xué)生營造出更加真實的場景，讓他們能夠坐在教室中就獲得良好的實踐體驗，使學(xué)生能夠?qū)W(xué)習(xí)內(nèi)容更加感興趣，不斷提高教學(xué)效果。

3 開發(fā)虛擬資源的意義

機械設(shè)計和制造專業(yè)的實踐性非常強，在教學(xué)時會受到環(huán)境設(shè)施以及場地等種種因素的影響，學(xué)生很少有機會可以去相關(guān)的制造廠參觀，這樣就導(dǎo)致學(xué)生難以真正理解書本中的理論內(nèi)容，無法達到融會貫通的效果[3]。而將虛擬技術(shù)應(yīng)用其中就可以讓學(xué)生更真實地觀察每一零部件的構(gòu)造，明白它們之間的關(guān)系，加深對這些機械加工工藝的了解。在這種虛擬教學(xué)中，學(xué)生可以自由選擇自己喜歡的方式和環(huán)境進行學(xué)習(xí)，能夠獲得更多課堂中沒有的內(nèi)容，在實際操作中也可以通過大量的練習(xí)來減少錯誤率。另外，虛擬技術(shù)的應(yīng)用能夠減少學(xué)校在購買教學(xué)設(shè)備等方面的資金投入，很好地解決了不能及時更新設(shè)備這一問題。學(xué)生在進行實習(xí)時會消耗大量的材料，操作不當(dāng)會有可能造成機械的磨損，而虛擬技術(shù)的應(yīng)用就能夠完全避免這些問題。虛擬平臺技術(shù)還有網(wǎng)絡(luò)功能，能夠完成遠程教育，即使學(xué)生和教師不處在同一空間也可以進行面對面的交流和學(xué)習(xí)。虛擬平臺技術(shù)可利用寬帶對數(shù)據(jù)進行傳輸處理，從而實現(xiàn)雙向交流。這一技術(shù)還可以為教師生成自動的功課答卷，并利用網(wǎng)絡(luò)進行分數(shù)評價、查詢和分析，極大地減輕了教師平時的工作壓力，同時也使得無紙化辦公變得越來越普及。

4 虛擬資源在機械設(shè)計與制造專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

4.1 強化學(xué)生的三維思維能力

以往的教學(xué)都是讓學(xué)生通過參觀模型來提高思維能力和看圖技術(shù)，而在課堂中應(yīng)用了虛擬技術(shù)以后，可以讓學(xué)生更真實地了解不同機械的構(gòu)造。這種新型的教學(xué)方式不僅激起了學(xué)生的求知欲望，還能通過三維虛擬的模型庫讓學(xué)生的思維和想象得到擴展。這種三維設(shè)計的方式不僅直觀形象，而且還簡單易操作，既增加了設(shè)計內(nèi)容，又給了學(xué)生足夠的想象空間。

4.2 改革傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式

運動的虛擬仿真分析主要應(yīng)用在與機械原理有關(guān)的實驗中，它可以進行運動結(jié)構(gòu)的模擬及仿真展示，同時還可以根據(jù)運動做出正確的曲線圖參考，并與實際所測量的曲線進行分析和比較，從而得出正確的數(shù)據(jù)結(jié)果，幫助學(xué)生對機械運動的內(nèi)容進行理解，真實地了解運動規(guī)律以及速度的調(diào)節(jié)。機械產(chǎn)品的設(shè)計分析與應(yīng)用極大改善了機械實驗的教學(xué)環(huán)節(jié)，在減速器設(shè)計、拆裝實驗以及機械系統(tǒng)方案的綜合實驗中，可通過三維設(shè)計軟件來將不同零件的構(gòu)造形狀做成三維模型，然后按照正確的方式將不同零件組裝在一起，最后使一臺機器得到完整組裝，并向?qū)W生們展示，讓他們能夠更直觀地去了解機械的設(shè)計拼裝。在這一過程中就應(yīng)用了虛擬技術(shù)和運動仿真技術(shù)，為日后的運動仿真應(yīng)用打下了學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。通過軟件進行動態(tài)仿真，不僅解決了在教學(xué)過程中學(xué)生無法參觀機械組裝的問題，而且還用一種全新的方式提高了學(xué)生在機械創(chuàng)新方面的思維能力。

4.3 提高教學(xué)效果，節(jié)約成本

數(shù)控仿真系統(tǒng)也是虛擬制造的一種，它是利用計算機來形成一個虛擬環(huán)境，這一環(huán)境就是在計算機圖形中所構(gòu)成的一種三維模型，它能夠創(chuàng)造出一個集視覺、聽覺為一體的人工環(huán)境。這一技術(shù)既能夠獨立運行，也能夠在線運行。獨立運行主要是指機床模型，在實驗過程中需要一臺微機，實際的數(shù)控機場操作過程都是通過顯示器中的仿真面板來進行操作的，有關(guān)零件的切削過程都是通過三維動畫來完成模擬。在線運行主要是指機床的工作方式，要將教學(xué)系統(tǒng)與實際機床系統(tǒng)進行結(jié)合，并通過一系列硬件和軟件的幫助來完成零件的切削工作。在這一操作過程中，除了仿真面板的應(yīng)用以外，其他過程都是和實際操作完全一致的。在這種環(huán)境下，學(xué)生更能夠感受到真實的操作環(huán)境和步驟，不僅提高了教學(xué)效果，還避免了實際機床操作可能會出現(xiàn)的一系列風(fēng)險，既保障了學(xué)生的人身安全，又節(jié)約了成本。

4.4 提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果

機械設(shè)計制造專業(yè)中的理論學(xué)習(xí)很枯燥，而課堂多媒體的應(yīng)用能夠讓學(xué)生更加集中精神，可以將復(fù)雜抽象的內(nèi)容變得更簡單具體。讓學(xué)生和教師利用課件來進行互動可以提高學(xué)生的課堂參與度和學(xué)習(xí)效果，使課堂資源能夠發(fā)揮出最大價值。開放的虛擬教學(xué)可以讓課堂中的參與各方進行交流，這種自由化、人性化的環(huán)境能夠減少學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，同時也是改變教學(xué)方式的一種體現(xiàn)。這種虛擬實踐性的教學(xué)可以讓教師更快速準確地總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗，使教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用都能得到更好的體現(xiàn)。利用虛擬資源進行學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生的測試和學(xué)習(xí)都會由系統(tǒng)自動進行打分，然后根據(jù)結(jié)果來劃分教學(xué)的重點和難點。這種教學(xué)方向的更新可以讓學(xué)生及時對教學(xué)內(nèi)容提出質(zhì)疑，并向教師反饋自身的問題，這對于節(jié)約教學(xué)時間和提高課堂效率非常有意義。