基于三維建模的機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李迎飛

針對機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量低下，提出了基于三維建模的機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。構(gòu)建機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)數(shù)據(jù)庫，利用三維建模技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)模塊，設(shè)計主體教學(xué)功能模塊。通過實驗效果驗證得出，基于三維建模的機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)能夠大大提升教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

在當(dāng)今社會活動中，最為重要的就是教育。人們越來越重視孩子的教育。利用計算機科學(xué)技術(shù)對教育進行設(shè)計改革是如今十分熱門的話題。教育在信息科技下的改革體現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)與教育課程的結(jié)合，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。在互聯(lián)網(wǎng)時代的加持下，教育教學(xué)逐漸網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

機械專業(yè)是傳統(tǒng)的工科類專業(yè)，在學(xué)習(xí)過程中需要不斷進行實踐，才能夠提升自身的專業(yè)素養(yǎng)，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)的教學(xué)課程中，課上學(xué)習(xí)時間不能很好地被利用起來，學(xué)生在課堂上不能有效的吸取知識。尤其是專業(yè)實訓(xùn)課程，因為教學(xué)時間的限制，不能保證每個學(xué)生都能親自上手進行操作，這就導(dǎo)致了教學(xué)質(zhì)量大打折扣。

在此基礎(chǔ)上，本文提出基于三維建模的機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。利用三維建模技術(shù)，對機械實訓(xùn)教學(xué)進行創(chuàng)秀優(yōu)化，學(xué)生能夠通過三維建模技術(shù)進行機械實踐操作。鞏固所學(xué)知識，提升機械專業(yè)教學(xué)質(zhì)量。

1 基于三維建模的機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

基于三維建模的機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計依賴于良好軟件環(huán)境與匹配的硬件設(shè)備。三維建模是基于微軟Windows系統(tǒng)開發(fā)，需要DirectX插件來運行，而Windows系統(tǒng)一般自帶DirectX插件，使用Windows系統(tǒng)的計算機都可直接運行。

本文所設(shè)計的基于三維建模的機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)運行時采用CPU為Pentium4G、運行內(nèi)存為256GB、儲存內(nèi)存為512GB的計算機。其中為了保證系統(tǒng)的運行流暢，外接一個內(nèi)存為1M的移動硬盤。另外，保證計算機音頻輸出設(shè)備，鼠標(biāo)、鍵盤輸入設(shè)備正常使用。

1.2 構(gòu)建機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)數(shù)據(jù)庫

由于在機械專業(yè)的實訓(xùn)教學(xué)過程中會用到許多物件的構(gòu)造數(shù)據(jù)，為了保證教學(xué)質(zhì)量和效率，需要建立合理的數(shù)據(jù)庫來儲存龐大的信息。

針對不同種類的建立儲存模塊。將采集到的數(shù)據(jù)分類標(biāo)號輸入到模塊中。在不同構(gòu)建中自定義序號，設(shè)置主鍵，建立零件數(shù)據(jù)表格，將構(gòu)建中的標(biāo)注信息和圖片模型等信息輸入到數(shù)據(jù)庫中，同時在數(shù)據(jù)庫中構(gòu)建一個外界數(shù)據(jù)源，方便學(xué)生在使用數(shù)據(jù)時能夠?qū)?shù)據(jù)進行個性化修改。

數(shù)據(jù)庫采用了模塊化的方式進行構(gòu)建，模塊化的方式開發(fā)，有助于降低程序的耦合性，提高聚合度。通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，降低了開發(fā)難度。同時，開發(fā)的獨立性也使得開發(fā)更有效率。并能夠根據(jù)學(xué)生修改的數(shù)據(jù)實時動態(tài)調(diào)整，讓學(xué)生能夠理解答案結(jié)合實踐的效果。

1.3 基于三維建模機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

設(shè)計三維建模教學(xué)功能。SolidWorks 三維建模技術(shù)是本文所設(shè)計系統(tǒng)的主要技術(shù)支撐之一。機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)輔助系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題是對本課程中眾多的三維模型進行制作和動態(tài)模擬，力求通過軟件技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)素材虛擬化，并建立起完整的素材庫，為后續(xù)的系統(tǒng)制作、虛擬技術(shù)集成做好準(zhǔn)備。

機械專業(yè)在實訓(xùn)教學(xué)中龐大的工作量決定本文所設(shè)計的系統(tǒng)需要選擇簡單易學(xué)，同時又方便數(shù)據(jù)管理和發(fā)布的SolidWorks軟件技術(shù)，再加上SolidWorks組件多、參數(shù)化建模二次開發(fā)功能強大，這對齒輪傳動三維建模來說是高效、高質(zhì)量的。

為了加強學(xué)科聯(lián)系和知識鏈接，可在本系統(tǒng)中大量運用機械裝配工程圖，加強學(xué)生對機械制圖知識的運用。SolidWorks軟件技術(shù)不僅提供了豐富的三維建模和動態(tài)模擬技術(shù)，還能快速生成完整符合實際產(chǎn)品設(shè)計的工程圖，并對工程圖中參數(shù)進行動態(tài)管理，方便于使用者根據(jù)自己的意愿進行修改。

由于Solidworks設(shè)計樹功能強大，加之機械基礎(chǔ)虛擬教學(xué)系統(tǒng)中涉及的齒輪、輪系、機械傳動等三維模型繁多，選用此軟件，可以提高機械基礎(chǔ)課程中三維實例的三維建模的工作效率。

設(shè)計三維模型外觀渲染。使用SolidWorks軟件技術(shù)的內(nèi)部插件PhotoWorks技術(shù)，該功能使得機械基礎(chǔ)教學(xué)輔助系統(tǒng)中的教學(xué)素材圖片、零件外觀色彩、裝配體模型更加形象生動。動感真實的圖片使得本系統(tǒng)設(shè)計具有很強的藝術(shù)性。SolidWorks學(xué)習(xí)簡單，操作方便，只要懂得了此軟件的基本繪圖結(jié)構(gòu)原理以及三維放樣特征，就能快速創(chuàng)建你想要的三維實體模型以及外觀造型。

三維建模其實就是一個“基準(zhǔn)面、二維工程圖、特征功能實體造型”循序漸進的過程。建立模型的開始得自定義一個二維工程圖的基準(zhǔn)面，即草繪基準(zhǔn)面，草繪基準(zhǔn)面可以是SolidWorks中原始的三坐標(biāo)，也可以根據(jù)零件的特征重新創(chuàng)建基準(zhǔn)面。如齒輪的三維建模：先在基準(zhǔn)面上通過圓，構(gòu)造線等繪制齒輪零件的輪腹、輪齒的二維截面圖，然后通過陣列造型生成所有輪齒。二維截面圖畫好后然后再根據(jù)特征功能，通過拉伸特征陣列以及打孔等操作來實現(xiàn)實體的制作。如果在使用過程中需要發(fā)布零件的二維工程圖，不要擔(dān)心因三維模型的改變而影響二維工程圖。因為SolidWorks環(huán)境下無論使用者是在修改三維模型還是在修改二維工程圖，SolidWorks后臺都會自動完成所有尺寸的調(diào)整，包括裝配體零件。零件建模過程，如圖1。

圖1 零件建模過程Fig.1 Part modeling process

現(xiàn)在主流的CAD/CAM技術(shù)中，絕大數(shù)三維軟件都具有裝配體技術(shù)功能。主要是為使用者提供比較完整的大型機械設(shè)計的設(shè)計平臺。使用者可以在虛擬軟件空間快速對機械進行裝配，并對裝配的配合度、零部件的設(shè)計結(jié)構(gòu)、設(shè)計尺寸進行反復(fù)修改、調(diào)整，最終高效的完成產(chǎn)品零件的造型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。在SolidWorks環(huán)境下裝配零件。

（1）創(chuàng)建好了一個裝配圖文檔，在裝配體工具欄上單擊新零件并插入要裝配的零部件。插入完所需的零部件之后，根據(jù)零件之間的相對關(guān)系，選擇基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)孔等作為裝配參考，根據(jù)自己的需要配合好零件。

（2）設(shè)計機械傳動演示視頻分析功能。由于在Solid Works中對機械基礎(chǔ)教材上的機械傳動進行三維動態(tài)建模的。但為了可以更準(zhǔn)確地控制機械傳動并加上同頻率的音頻介紹，我們把機械傳動的三維動態(tài)視頻保存導(dǎo)出。再使用錄制視頻功能，并將視頻格式保存為AVI視頻格式，設(shè)置視頻的大小之后保存，然后使用格式轉(zhuǎn)換軟件將其轉(zhuǎn)換為FLV格式。接著導(dǎo)入到Flash里面，在文件中建立一個新的圖層，并添加錄制完備的內(nèi)容講解音頻，再借助Flash流線控制特征，對嵌入到Flash里面FLV動畫和音頻的每一幀動畫進行編輯，使音頻中的內(nèi)容講解和機械傳動動態(tài)模擬同步。這樣輔助教學(xué)系統(tǒng)里面的模擬視頻就制作完成了。

（3）主體教學(xué)功能設(shè)計。輔助教學(xué)系統(tǒng)提供了機械基礎(chǔ)全書的章節(jié)大綱、理論知識要點、章節(jié)習(xí)題課測評和講解。課程上涉及的實例場景以及相關(guān)的生活實例場景和知識拓展。老師和學(xué)生只需鼠標(biāo)雙擊事件圖標(biāo)，就能進入系統(tǒng)初始界面。如圖2所示，主體教學(xué)功能運行流程。

圖2 主題教學(xué)功能運行流程圖Fig.2 The flow chart of the operation of the theme teaching function

在初始界面上任意位置單擊鼠標(biāo)事件就能進入系統(tǒng)的學(xué)習(xí)界面。教學(xué)過程中找到文件夾，雙擊圖標(biāo)，進入初始界面，在初始界面任意位置單擊鼠標(biāo)左鍵就能進入輔助教學(xué)系統(tǒng)的主體界面。單擊章節(jié)圖標(biāo)，系統(tǒng)將在右上方彈出本章的學(xué)習(xí)內(nèi)容。單擊右上方菜單欄目“歷史發(fā)展”，系統(tǒng)在左上方首先自動彈出本課程的學(xué)習(xí)的初始界面。單擊下頁按鈕，系統(tǒng)將展示機械基礎(chǔ)發(fā)展的基本過程。

學(xué)習(xí)完課程后，可將鼠標(biāo)移動到課程性質(zhì)上，由于每個圖標(biāo)都是一個鼠標(biāo)觸發(fā)事件，并增加了背景音樂，因此很容易引起學(xué)習(xí)者注意。直接單擊課程性質(zhì)，系統(tǒng)播放窗口將自動跳轉(zhuǎn)播放內(nèi)容，學(xué)習(xí)都只需單擊下頁按鈕就能完成課程性質(zhì)的學(xué)習(xí)。

（4）章節(jié)檢測和學(xué)習(xí)思考。

2 實驗論證分析

為了驗證本文所設(shè)計的基于三維建模的機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)能否有效的提升教學(xué)質(zhì)量，于是進行對比實驗進行驗證。選取某大學(xué)的機械專業(yè)班級作為研究試驗對象，一個班利用本文所設(shè)計的基于三維建模的機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)進行教學(xué)，另一個班采用傳統(tǒng)的機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)方式進行教學(xué)，兩個班選取相同的課程進行實訓(xùn)教學(xué)，最后縱向?qū)Ρ葘W(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

將利用本文所設(shè)計的基于三維建模的機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)進行教學(xué)的地點選擇在A班教室，A班教室是一般的學(xué)生上課場所，學(xué)生的電腦提前安裝好本文所設(shè)計的系統(tǒng)并激活資源，選取教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)的模塊進行學(xué)習(xí)。B班同學(xué)由老師帶領(lǐng)到實地參加機械專業(yè)實訓(xùn)。

（1）A班的同學(xué)，點擊進入所要學(xué)習(xí)的課程界面，教學(xué)過程中找到文件夾，雙擊圖標(biāo)，進入初始界面，在初始界面任意位置單擊鼠標(biāo)左鍵就能進入輔助教學(xué)系統(tǒng)的主體界面。單擊章節(jié)圖標(biāo)，系統(tǒng)將在右上方彈出本章的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

（2）根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，打開SolidWorks2009點擊新建，點擊零件。繪制長方形基本的二維草圖，使用三維拉伸切命令創(chuàng)建回轉(zhuǎn)副零件的三維實體，繼續(xù)畫線，點擊“矩形”按鈕，繪制一個15mm×45mm矩形。修改草圖。點擊右鍵刪除矩形在圓內(nèi)的一邊。點擊拉伸切除命令，選擇切除外面的基體。隨后創(chuàng)建直徑為12mm的三維通孔。點擊“顏色”按鈕，設(shè)置零件的外觀顏色。機械零件創(chuàng)建完成。

（3）根據(jù)所學(xué)知識不斷調(diào)整零件數(shù)據(jù)。教師能夠通過教師端對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進行實時掌握。學(xué)生端的同學(xué)們沉浸探索、得出課程結(jié)果，最后利用云評價對于本堂課進行評價反思。

在整個教學(xué)過程中，教師端是導(dǎo)入者的角色，帶學(xué)生端的學(xué)生進入情境。在整個實踐過程中最重要的一步驟就是利用三維建模對機械零件設(shè)計，進行沉浸探索，真正體驗機械零件構(gòu)造的整個過程，課程結(jié)束后將實踐過程總結(jié)歸納，課程結(jié)束后對課程進行評價反思。

采集學(xué)生課后評價，大多數(shù)使用傳統(tǒng)方法進行寫實訓(xùn)教學(xué)的同學(xué)反映，課程學(xué)習(xí)任務(wù)繁雜，時間緊迫，不能很好吸收教學(xué)知識，不能每個同學(xué)都上手進行時間操作。采用本文所設(shè)計的基于三維建模的機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)的學(xué)生反饋，對實踐教學(xué)系統(tǒng)的沉浸式教學(xué)的興趣濃厚，幾乎每個學(xué)生完成任務(wù)后都不舍得離開系統(tǒng)，渴望繼續(xù)嘗試章節(jié)的課程學(xué)習(xí)，在課程實踐中學(xué)生對三維建模模塊產(chǎn)生了十分濃厚的興趣，很配合教師的教學(xué)實施，很樂意嘗試教學(xué)系統(tǒng)的機械實訓(xùn)。每個同學(xué)都能夠根據(jù)所學(xué)內(nèi)容進行操作練習(xí)。

3 結(jié)語

在機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)過程中，很多學(xué)校不能夠提供足夠的場地供學(xué)生進行實際操作。這樣就使得學(xué)生學(xué)習(xí)效果大打折扣。本文所設(shè)計的基于三維建模的機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，通過三維建模技術(shù)，設(shè)計出低成本、高效率的教學(xué)系統(tǒng)。通過軟件和硬件的配合為學(xué)生打造專屬的操作臺，提升學(xué)生操作經(jīng)驗。為機械專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)提供了良好的平臺，大大增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。但由于時間限制，本文沒有進行多次試驗，還需要在今后的研究中不斷完善。