黃龔

（蘇州市電子信息技師學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

前言

技工院校是國家培育技能型人才和創(chuàng)新型人才的重要基地，也是國家從制造大國走向制造強(qiáng)國的重要保證。目前，絕大多數(shù)技工院校的招生對(duì)象是初中畢業(yè)的學(xué)生，這些學(xué)生的知識(shí)面較窄，知識(shí)結(jié)構(gòu)單一，缺乏空間想象能力和實(shí)踐經(jīng)歷，學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出明顯的力不從心?！稒C(jī)械基礎(chǔ)》課程本身也具有其獨(dú)有的特點(diǎn)，它融合了《機(jī)械原理》《機(jī)械設(shè)計(jì)》等課程的知識(shí)，涵蓋了常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)零部件等的應(yīng)用。結(jié)合課程本身和學(xué)生自身知識(shí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，《機(jī)械基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革已勢在必行，不能再局限于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，必須在理論教學(xué)的同時(shí)，加入必要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。目前《機(jī)械基礎(chǔ)》實(shí)踐教學(xué)的形式，比較流行的方式有兩種，一是學(xué)校采購實(shí)物模型供學(xué)生實(shí)操拆裝使用；二是利用虛擬仿真軟件，進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)使用。采購實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練，既受到實(shí)訓(xùn)場地的限制，又受到實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量的限制，同時(shí)還需考慮學(xué)生安全和設(shè)備損壞等，實(shí)施過程的局限性很大；然而利用三維模型軟件，建立起符合實(shí)訓(xùn)要求的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)模型，既能滿足安全、經(jīng)濟(jì)、可控的要求，又能滿足實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需要，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)《機(jī)械基礎(chǔ)》課程知識(shí)具有非常重要意義。

一、三維模型建設(shè)理念

《機(jī)械基礎(chǔ)》課程三維教學(xué)模型的構(gòu)建，應(yīng)融合教學(xué)對(duì)課程內(nèi)容的要求、專業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的要求和企業(yè)對(duì)人才素質(zhì)的要求，如圖1 所示，開發(fā)出能同時(shí)滿足以上三者要求的三維教學(xué)模型教學(xué)平臺(tái)，以供教學(xué)實(shí)踐所用。

圖1 三維教學(xué)模型三融合要求

教學(xué)對(duì)課程內(nèi)容的要求與三維教學(xué)模型相融合，要求《機(jī)械基礎(chǔ)》課程三維教學(xué)模型的建設(shè)與教材內(nèi)容相適應(yīng)?！稒C(jī)械基礎(chǔ)》課程很多內(nèi)容涉及三維零件，根據(jù)教學(xué)要求，確定具體的零部件，利用三維軟件制作需要的虛擬三維模型，如：齒輪、軸和帶輪等；三維模型的制作，有利于提高學(xué)生的視覺效果，使三維模型與教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，相輔相成。

專業(yè)對(duì)人才的培養(yǎng)要與三維教學(xué)模型相融合，要求《機(jī)械基礎(chǔ)》課程三維教學(xué)模型的建設(shè)應(yīng)有利于專業(yè)對(duì)人才的培養(yǎng)?！稒C(jī)械基礎(chǔ)》課程作為機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)出來的學(xué)生，在學(xué)生畢業(yè)后，主要是從事機(jī)械設(shè)備安裝、調(diào)試、維修和保養(yǎng)等方面的工作，這就需要培養(yǎng)學(xué)生不僅要懂機(jī)械設(shè)備，更要懂得機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，具備從事機(jī)械方面的問題分析和解決的能力，因此在專業(yè)人才的培養(yǎng)上，需要按照人才培養(yǎng)的需要，通過理論和實(shí)踐相結(jié)合的培養(yǎng)模式，培養(yǎng)出符合專業(yè)要求的人才，而《機(jī)械基礎(chǔ)》課程三維模型的構(gòu)建，能大大滿足《機(jī)械基礎(chǔ)》課程對(duì)課程實(shí)踐的要求。因此，機(jī)械基礎(chǔ)三維教學(xué)模型的構(gòu)建過程，應(yīng)按照人才培養(yǎng)需要的要求，構(gòu)建為人才培養(yǎng)服務(wù)的三維教學(xué)模型。

企業(yè)對(duì)人才素質(zhì)的要求與三維教學(xué)模型相融合，要求《機(jī)械基礎(chǔ)》課程三維教學(xué)模型的建設(shè)應(yīng)滿足企業(yè)對(duì)人才素質(zhì)的要求。企業(yè)對(duì)機(jī)械從業(yè)者素質(zhì)的要求，從技術(shù)方面，主要表現(xiàn)在遇到實(shí)際機(jī)械方面的問題時(shí)，能運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械知識(shí)，從機(jī)械的工作原理和結(jié)構(gòu)組成方面入手，解決遇到的問題，對(duì)典型的或類似的機(jī)械問題，能夠觸類旁通，舉一反三；從能力方面，主要表現(xiàn)在員工能在自身知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過實(shí)踐不斷深化自己的知識(shí)基礎(chǔ)，能提出改進(jìn)產(chǎn)品的意見，從而具備開發(fā)和創(chuàng)新的能力。因此，《機(jī)械基礎(chǔ)》課程三維教學(xué)模型的構(gòu)建，不僅需要有滿足學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械相關(guān)知識(shí)的作用，還需要具有能開發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考的作用。

二、三維模型建設(shè)內(nèi)容

《機(jī)械基礎(chǔ)》課程三維教學(xué)模型的構(gòu)建，主要由以下三部分內(nèi)容構(gòu)成，如圖2 所示，三部分的內(nèi)容層層遞進(jìn)。一是常用機(jī)械零部件和機(jī)構(gòu)的建模；二是制作虛擬機(jī)構(gòu)裝配動(dòng)畫，三是生成虛擬拆裝模型，可完成典型機(jī)構(gòu)的虛擬拆裝。

圖2 三維教學(xué)模型內(nèi)容

（一）常用機(jī)械零部件和機(jī)構(gòu)的建模

《機(jī)械基礎(chǔ)》課程中，有很多常用機(jī)構(gòu)與機(jī)械傳動(dòng)的內(nèi)容；常用機(jī)構(gòu)中，有平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等；在平面連桿機(jī)構(gòu)中，可以根據(jù)教學(xué)或建模需要，把平面連桿機(jī)構(gòu)的三維模型建設(shè)成為曲柄連桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等；在凸輪機(jī)構(gòu)中，可以根據(jù)教學(xué)或建模需要，把凸輪機(jī)構(gòu)的三維模型建設(shè)成為盤形凸輪、移動(dòng)凸輪和圓柱凸輪等；在間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，可以根據(jù)教學(xué)或建模需要，把間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維模型建設(shè)成為棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)和不完全齒輪機(jī)構(gòu)等。機(jī)械傳動(dòng)中，有齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)與鏈傳動(dòng)、聯(lián)接、軸系零件等；在齒輪傳動(dòng)中，可以根據(jù)教學(xué)或建模需要，把齒輪傳動(dòng)的三維模型建設(shè)成為直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪、圓錐齒輪、蝸輪傳動(dòng)和減速器等；在帶傳動(dòng)與鏈傳動(dòng)中，可以根據(jù)教學(xué)或建模需要，把帶傳動(dòng)與鏈傳動(dòng)的三維模型建設(shè)成為平帶傳動(dòng)、V 帶傳動(dòng)、多鍥帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)等；在聯(lián)接形式中，可根據(jù)教學(xué)或建模需要，把聯(lián)接形式的三維模型建設(shè)成為鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接和螺紋聯(lián)接等；在軸系零件中，可根據(jù)教學(xué)或建模需要，把軸系零件的三維模型建設(shè)成為軸、滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器和離合器等。

（二）制作虛擬機(jī)構(gòu)裝配動(dòng)畫

在常用機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)三維模型零件建設(shè)完成之后，需要將建設(shè)好的零部件裝配成型，利用三維軟件自帶的仿真動(dòng)畫功能，制作常用機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)的仿真動(dòng)畫，再利用三維軟件自帶的動(dòng)畫錄屏功能，將制作好的仿真動(dòng)畫視頻保存成常見的文件格式，供教學(xué)或?qū)W習(xí)使用，使學(xué)生的思維不受限制，能通過視覺觀察來掌握所學(xué)知識(shí)；同時(shí)，制作好的仿真裝配動(dòng)畫，也能為下一步虛擬裝配服務(wù)，學(xué)生能通過學(xué)習(xí)常用機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)的虛擬裝配動(dòng)畫過程，完成模型的裝配流程。

（三）生成虛擬拆裝模型

在虛擬裝配動(dòng)畫制作完成之后，常用機(jī)構(gòu)與機(jī)械傳動(dòng)的三維裝配模型也裝配完成，為了實(shí)現(xiàn)虛擬拆裝教學(xué)與實(shí)踐要求，需要利用虛擬裝配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)典型零部件的交互式操作要求，制作出滿足學(xué)生實(shí)踐要求的虛擬拆裝模型，如圖3，可以利用虛擬模型完成齒輪軸上零件的拆裝。這種虛擬拆裝模型，能彌補(bǔ)部分學(xué)校硬件設(shè)施的不足，也能為學(xué)生學(xué)習(xí)提供一個(gè)交互式的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生通過這種虛擬模型，能提高對(duì)常用零件結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)知，能提高對(duì)機(jī)械零部件之間的裝配關(guān)系的認(rèn)知，也能有利于培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手實(shí)操能力。

圖3 齒輪軸上零件的拆裝

三、三維模型建設(shè)方法

在《機(jī)械基礎(chǔ)》課程的建設(shè)理念和建設(shè)內(nèi)容確定之后，需要選擇合適的三維CAD 軟件來完成三維教學(xué)模型的構(gòu)建，目前比較流行的三維設(shè)計(jì)軟件有Pro/E、UG 和Solidworks 等，由于Solidworks 軟件具有易學(xué)、易用的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件的三維建模、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真等功能，還具有很多自帶式的插件模塊和兼容性很強(qiáng)的二次開發(fā)接口，因此，本課程的三維教學(xué)模型的構(gòu)建選用Solidworks 軟件作為主要軟件來完成。

《機(jī)械基礎(chǔ)》課程的三維教學(xué)模型主要包括常用零件的構(gòu)建，常用機(jī)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)模型的裝配，教學(xué)裝配視頻的錄制和虛擬裝配平臺(tái)的構(gòu)建。在常用零件的構(gòu)建中，可利用Solidworks的基本建模功能來完成三維建模；在零件三維模型建好之后，在利用Solidworks 智能裝配配合技術(shù)來完成零件的快速裝配，形成課程需要的基本裝配單元；在完成裝配關(guān)系后，需要檢查零部件之間的干涉關(guān)系，檢查完成即可利用Solidworks 提供的爆炸視圖功能來完成仿真視頻的輸出，或通過Solidworks 提供的運(yùn)動(dòng)算例功能來為模型添加動(dòng)畫效果，以生成需要的仿真視頻；最后，利用Solidworks自帶的eDrawings 瀏覽器，在eDrawings 環(huán)境下編輯*.easm 文件，生成具有交互式要求的用戶界面，具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程如圖4 所示。

圖4 交互式用戶界面實(shí)現(xiàn)流程

四、特色與應(yīng)用

《機(jī)械基礎(chǔ)》課程三維教學(xué)模型的建設(shè)，依托課程、專業(yè)和企業(yè)對(duì)人才的要求，構(gòu)建了一個(gè)能滿足教學(xué)和實(shí)踐要求的交互式虛擬仿真平臺(tái)，能滿足“能學(xué)、輔教”的定位功能，使《機(jī)械基礎(chǔ)》課程的教學(xué)過程更形象、更直觀，既有仿真動(dòng)畫的形式將機(jī)械零件的構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)真實(shí)地展現(xiàn)給學(xué)生，又有各種常用機(jī)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)的虛擬實(shí)訓(xùn)操作，能讓學(xué)生輕松掌握《機(jī)械基礎(chǔ)》課程的相關(guān)知識(shí)。同時(shí)《機(jī)械基礎(chǔ)》課程三維教學(xué)模型的構(gòu)建，解決了傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)實(shí)訓(xùn)場地和設(shè)備的限制，有效的彌補(bǔ)了因場地、實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足帶來的困擾，對(duì)深化教學(xué)模式和教學(xué)形式具有重要的意義，值得在類似的課程專業(yè)之間推廣。