三維可視化對(duì)礦物加工專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)的融合與促進(jìn)

李吉輝 黃根 黃波 馬力強(qiáng)

［摘 要］ 在新工科建設(shè)和多學(xué)科交叉融合教學(xué)的背景下，在專(zhuān)業(yè)內(nèi)構(gòu)建多個(gè)課程群，使相關(guān)課程的教學(xué)深度交叉融合具有重要意義。通過(guò)礦物加工工程專(zhuān)業(yè)“三維設(shè)計(jì)”“過(guò)程流體機(jī)械”“選煤（礦）廠(chǎng)設(shè)計(jì)”等課程交叉融合教學(xué)的實(shí)踐和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)課程交叉和知識(shí)融合可以令相關(guān)課程中抽象、深?yuàn)W、枯燥的知識(shí)變得形象、簡(jiǎn)單和有趣，使得教師和學(xué)生都得到更好的教與學(xué)的體驗(yàn)，提升了課程間深入融合產(chǎn)生的教與學(xué)相互促進(jìn)和提升學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題能力的效果，為推動(dòng)高校多課程交叉融合和課程群建設(shè)提供借鑒。

［關(guān)鍵詞］ 三維設(shè)計(jì)；礦物加工；課程融合

［基金項(xiàng)目］ 2020年度中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）本科教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（J200405）

［作者簡(jiǎn)介］ 李吉輝（1987—），男，河南滎陽(yáng)人，博士，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院副教授，主要從事礦物加工原理、工藝及設(shè)備研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）32-0005-04 ［收稿日期］ 2022-10-21

引言

在國(guó)家重大戰(zhàn)略需求驅(qū)動(dòng)下，多學(xué)科交叉匯聚與多技術(shù)跨界融合成為常態(tài)，并不斷催生出新學(xué)科前沿、新科技領(lǐng)域和新創(chuàng)新形態(tài)［1］。多學(xué)科交叉融合，是指跨學(xué)科、多學(xué)科的學(xué)科交叉融合的研究、教學(xué)、應(yīng)用。在新工科建設(shè)和多學(xué)科交叉融合教學(xué)的大背景下，在專(zhuān)業(yè)內(nèi)構(gòu)建多個(gè)課程群，使相關(guān)課程的教學(xué)深度交叉融合具有另一個(gè)維度的重要性［2-4］。

三維設(shè)計(jì)具有所見(jiàn)即所得，可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、減輕設(shè)計(jì)工作量等優(yōu)勢(shì)，在科學(xué)、技術(shù)、工程、人文藝術(shù)等方面具有輔助跨學(xué)科教學(xué)的巨大潛力，有助于教師和學(xué)生將一定的想法或創(chuàng)意快速付諸實(shí)踐，并且可以貫穿教學(xué)的不同階段［5］。采用三維軟件輔助設(shè)計(jì)來(lái)逐步代替二維設(shè)計(jì)是行業(yè)未來(lái)的必然趨勢(shì)。目前常用的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件有AutoCAD、SolidWorks、Bentley、3D Max、SketchUp等，可支持工程圖自動(dòng)關(guān)聯(lián)、三維模型參數(shù)變化自動(dòng)調(diào)整、協(xié)同工作、碰撞檢查、模型預(yù)覽與出圖等功能。對(duì)于礦物加工工程專(zhuān)業(yè)而言，除了三維工廠(chǎng)建模、可視化設(shè)計(jì)等功能外，很多軟件還具備作業(yè)過(guò)程模擬、虛擬漫游等多種功能，是提高設(shè)計(jì)過(guò)程的有效手段［6］。

本文介紹了作者在礦物加工工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)實(shí)踐中探索出的一些教學(xué)方法和思考，對(duì)“計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)（SolidWorks）基礎(chǔ)”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“三維設(shè)計(jì)”）、“過(guò)程流體機(jī)械”、“選煤（礦）廠(chǎng)設(shè)計(jì)”等課程教學(xué)的交叉融合和促進(jìn)進(jìn)行闡述，以期拋磚引玉，為推動(dòng)高校多課程交叉融合和課程群建設(shè)、培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力提供借鑒。

一、三維可視化在“過(guò)程流體機(jī)械”課程中的交叉融合

礦物加工工程專(zhuān)業(yè)所講授的“過(guò)程流體機(jī)械”課程，主要內(nèi)容包括往復(fù)式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、離心泵等機(jī)械的典型結(jié)構(gòu)、工作原理、工作特性、選用原則及選型計(jì)算等，而上述機(jī)械的典型結(jié)構(gòu)和工作原理是其他內(nèi)容的基礎(chǔ)。作者深度參考和對(duì)比了目前市面上的多本教材，發(fā)現(xiàn)不同教材對(duì)典型結(jié)構(gòu)和工作原理的文字描述部分趨于成熟，但是插圖的直觀(guān)性不高，多數(shù)插圖為二維示意圖。分析其原因，不外乎實(shí)物拆解素材缺乏，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片難以獲得。此問(wèn)題的存在，對(duì)于第一次接觸此類(lèi)機(jī)械的學(xué)習(xí)者，或者渴望深入掌握相關(guān)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理的高級(jí)學(xué)者，都造成了一定的障礙。

而三維建模可以較好地解決這一問(wèn)題。比如，對(duì)于壓縮和膨脹過(guò)程較抽象的往復(fù)式壓縮機(jī)工作過(guò)程，在三維基礎(chǔ)課程中，作者帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)打氣筒這一簡(jiǎn)單、常見(jiàn)的典型案例進(jìn)行了拆解和建模（如圖1所示），讓學(xué)生深入了解了工作腔、活塞、活塞桿、氣閥等結(jié)構(gòu)，另外通過(guò)動(dòng)畫(huà)制作功能中的馬達(dá)功能，實(shí)現(xiàn)打氣筒運(yùn)動(dòng)部件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使學(xué)生能夠深入了解往復(fù)壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，更加深刻地了解到工作容積與余隙容積等抽象的概念和關(guān)系，對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)調(diào)整和運(yùn)行調(diào)節(jié)具有更形象的認(rèn)識(shí)。

與“過(guò)程流體機(jī)械”內(nèi)容較相似的還有“化工原理”“物理化學(xué)”“流體力學(xué)”等基礎(chǔ)課程，如果能夠在“三維設(shè)計(jì)”課程中進(jìn)行建模和仿真運(yùn)動(dòng)，將是對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容非常好的反芻，可使學(xué)生重新認(rèn)識(shí)學(xué)過(guò)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，產(chǎn)生幡然醒悟一般的新高度認(rèn)知。

二、三維可視化在“選礦機(jī)械”課程中的交叉融合

作為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)機(jī)械類(lèi)課程具有天然的銜接能力和輔助功能。礦物加工工程專(zhuān)業(yè)所講授的“選礦機(jī)械”課程，主要內(nèi)容包括破碎設(shè)備、篩分設(shè)備、離心脫水設(shè)備、運(yùn)輸提升設(shè)備等。主要教學(xué)目標(biāo)為掌握上述機(jī)械的典型結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過(guò)程和運(yùn)行調(diào)節(jié)等。

對(duì)于非機(jī)械類(lèi)學(xué)生，三維可視化對(duì)“選礦機(jī)械”課程的促進(jìn)效果更是顯而易見(jiàn)。課程中，作者指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了多種選礦設(shè)備的三維建模（如圖2所示），并實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)仿真。學(xué)生反饋，設(shè)計(jì)過(guò)程中就像親手制作零部件、組裝成整機(jī)，并且實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)一樣，印象非常深刻。學(xué)生對(duì)這些原本陌生設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、主要部件、零部件裝配關(guān)系、工作原理和過(guò)程等有了形象的認(rèn)識(shí)。通過(guò)建模和運(yùn)動(dòng)仿真訓(xùn)練，學(xué)生更加深刻地理解和記憶了相關(guān)概念和知識(shí)點(diǎn)，并且能夠提出很多結(jié)構(gòu)改造和優(yōu)化思路，學(xué)生的創(chuàng)新思維也得到了強(qiáng)化。

三、三維可視化在“選煤（礦）廠(chǎng)設(shè)計(jì)”課程中的交叉融合

“選煤（礦）廠(chǎng)設(shè)計(jì)”是礦物加工工程專(zhuān)業(yè)的核心必修課，是本科教育中的重要組成部分。設(shè)計(jì)過(guò)程涉及大量數(shù)據(jù)計(jì)算、圖形繪制、設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的熟練掌握是提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)。但是實(shí)踐表明，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)存在模塊化、設(shè)計(jì)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)處理不成熟、設(shè)備配置自主化和可視化程度低、信息傳達(dá)抽象且局限、沉浸感缺乏等缺點(diǎn)［7］，這不僅會(huì)限制設(shè)計(jì)質(zhì)量與速度的提升，而且容易造成信息傳達(dá)的錯(cuò)誤。

近年來(lái)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，作者指導(dǎo)學(xué)生對(duì)選煤（礦）廠(chǎng)的三維可視化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探索。學(xué)生在“三維設(shè)計(jì)”課程當(dāng)中掌握的建模、裝配設(shè)計(jì)、工程圖等知識(shí)為這一環(huán)節(jié)打下了良好的基礎(chǔ)。畢業(yè)設(shè)計(jì)中，學(xué)生在“三維設(shè)計(jì)”空間內(nèi)按照規(guī)范構(gòu)建廠(chǎng)房，然后根據(jù)自己的資料整理與計(jì)算、制定和優(yōu)選的分選工藝流程對(duì)選定設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)籌布置及不斷優(yōu)化。在傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)過(guò)程中，同一設(shè)備的三個(gè)視圖間的布置關(guān)系轉(zhuǎn)換對(duì)很多學(xué)生是個(gè)考驗(yàn)，對(duì)多個(gè)設(shè)備在空間布置的合理性、上下設(shè)備之間物流的通順性、設(shè)備周邊預(yù)留檢修空間等指標(biāo)更是難以判斷。而在“三維設(shè)計(jì)”空間內(nèi)（如圖3所示），類(lèi)似上述一些之前很困難的操作都變得非常簡(jiǎn)單：對(duì)于不同視角設(shè)備的外形圖的確定與布置已然不用考慮；設(shè)備的空間關(guān)系是否合理也可以通過(guò)剖視圖的定性判斷和各種虛擬測(cè)量工具定量分析和調(diào)整；物料流通和運(yùn)輸?shù)目尚行砸部梢酝ㄟ^(guò)虛擬管道和溜槽鋪設(shè)等實(shí)現(xiàn)可視化評(píng)估。類(lèi)似超越二維設(shè)計(jì)的便利之處不勝枚舉。

作者發(fā)現(xiàn)，在三維可視化技術(shù)輔助下的“選煤（礦）廠(chǎng)設(shè)計(jì)”，可很好地融合設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)字化與集成化，解決傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法難以實(shí)現(xiàn)的多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、計(jì)算與繪圖難以有效結(jié)合、可視化設(shè)計(jì)過(guò)程不強(qiáng)等實(shí)際問(wèn)題。“三維設(shè)計(jì)”更直觀(guān)和清晰地反映工程設(shè)計(jì)結(jié)果，但從二維圖形設(shè)計(jì)到三維圖形設(shè)計(jì)，不僅僅是軟件、模型和數(shù)據(jù)的進(jìn)步，還有設(shè)計(jì)流程和模式的變革。“三維設(shè)計(jì)”使選礦設(shè)計(jì)結(jié)果更加精確和合理，設(shè)計(jì)成果無(wú)碰撞情況，材料統(tǒng)計(jì)更精確，可減少因設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的返工次數(shù)［7-9］。

“三維設(shè)計(jì)”更加直觀(guān)的表達(dá)方式可讓學(xué)生更快克服繪圖本身帶來(lái)的干擾，利于將精力更多地投入“選煤（礦）廠(chǎng)設(shè)計(jì)”的核心工作，以更好地實(shí)現(xiàn)“選煤（礦）廠(chǎng)設(shè)計(jì)”的教學(xué)目標(biāo)。

四、課程深入交叉融合有利于學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題能力的提高

本科專(zhuān)業(yè)課堂應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的方法，對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的享受，以及辯證地、全面地分析問(wèn)題和有效地解決問(wèn)題的能力。要解決一個(gè)問(wèn)題、完成一件作品，依靠單一的課程知識(shí)往往是不夠的。跨課程能力是指面對(duì)無(wú)法靠單一課程知識(shí)來(lái)解決的真實(shí)復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，綜合運(yùn)用兩個(gè)或多個(gè)課程知識(shí)和思維分析情境來(lái)解決問(wèn)題的能力，是21世紀(jì)的重要高階思維能力，關(guān)乎學(xué)生如何應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)生活和工作中非常規(guī)情景下的復(fù)雜、綜合問(wèn)題。

三維建模逐漸替代二維制圖，成為當(dāng)代學(xué)生所需要掌握的一項(xiàng)基本技能，有助于學(xué)生提升解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。真實(shí)問(wèn)題場(chǎng)景中，很多問(wèn)題并不是只屬于一個(gè)學(xué)科，而是綜合性的問(wèn)題。這種真實(shí)問(wèn)題的解決不僅可以提升學(xué)生抽象問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，還可以全方位地培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，推動(dòng)新認(rèn)知、新產(chǎn)品的出現(xiàn)，能夠在此基礎(chǔ)上完成創(chuàng)新與創(chuàng)造，這也是課程群建設(shè)的初衷。作者通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，“三維設(shè)計(jì)”有利于相關(guān)課程之間的融會(huì)貫通，以專(zhuān)業(yè)課程中出現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的研究和解決為依托，帶領(lǐng)學(xué)生超出單課程研究的視野，全面認(rèn)識(shí)與解決復(fù)雜問(wèn)題或課題，使任課教師和學(xué)生共同培養(yǎng)出明確的、整合的研究方法與思維范式。

五、課程交叉融合與相互促進(jìn)是課程群建設(shè)的基礎(chǔ)

相關(guān)課程之間能夠有機(jī)結(jié)合，融合之后彼此促進(jìn)，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，收到“1+1＞2”的成效，是實(shí)現(xiàn)課程群建設(shè)的基礎(chǔ)。筆者將“三維設(shè)計(jì)”課程與“過(guò)程流體機(jī)械”“選礦機(jī)械”“選煤（礦）廠(chǎng)設(shè)計(jì)”等課程相互交叉的嘗試，實(shí)現(xiàn)了將“三維設(shè)計(jì)”課程中習(xí)得知識(shí)立即轉(zhuǎn)為專(zhuān)業(yè)應(yīng)用的目的，讓學(xué)生對(duì)“三維設(shè)計(jì)”產(chǎn)生更加濃厚的興趣和認(rèn)同感，也讓相關(guān)機(jī)械和設(shè)計(jì)類(lèi)課程中原本抽象、深?yuàn)W、枯燥的知識(shí)變得形象、簡(jiǎn)單和有趣，以實(shí)踐驗(yàn)證了課程間的深入融合產(chǎn)生的效果。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)礦物加工工程專(zhuān)業(yè)“三維設(shè)計(jì)”與“過(guò)程流體機(jī)械”“選煤（礦）廠(chǎng)設(shè)計(jì)”等課程的交叉融合的論述與分析，發(fā)現(xiàn)通過(guò)課程交叉、知識(shí)融合，令相關(guān)課程中抽象、深?yuàn)W、枯燥的知識(shí)變得形象、簡(jiǎn)單和有趣，使得教師和學(xué)生都得到更好的教與學(xué)的體驗(yàn)，以實(shí)踐驗(yàn)證了課程間的深入融合產(chǎn)生的相互促進(jìn)效果，并且有助于學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題能力的培養(yǎng)，為推動(dòng)高校多課程交叉融合和課程群建設(shè)提供借鑒。

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Integration and Promotion of 3D Visualization to Mineral Processing Specialty Course Teaching

LI Ji-hui， HUANG Gen， HUANG Bo， MA Li-qiang

（School of Chemical & Environmental Engineering， China University of Mining and Technology -Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract： Under the background of “Emerging Engineering Education” construction and interdisciplinary teaching， it is of great significance to construct multiple course groups within the major so that the teaching of relevant courses has deep integration and promotion. From the teaching integrations practice and summary of Three-dimensional Design， Process Fluid Machinery， and Coal Preparation （Mine） Factory Design of mineral processing engineering， found that course cross and knowledge fusion can make relevant courses in the abstract， profound， boring knowledge become image， simple and interesting， make teachers and students experience a better experience of teaching and learning. It verifies the mutual promotion of “teaching and learning” and the improvement of students ability to solve complex problems by the deep integration of courses. This paper provides a reference for promoting the cross-integration of multiple courses and constructing courses group in colleges and universities.

Key words： three-dimensional design; mineral processing; course integration