三维建模与仿真技术在机械类课程教学改革中的应用实践*

2012-11-11赵敬云

河南工学院学报 2012年1期

赵敬云，任娟

（1.河南机电高等专科学校，河南新乡 453000;2.河南省工业科技学校河南新乡 453003）

机械制造及自动化专业作为一门传统的工科专业，由于对实践教学要求较高，教学设备投入较大，课堂教学需准备大量的教具、挂图。虽然各高校的基础不同，在办学过程中如何做到在保证教学效果的前提下少投入，即追求教学效果的“性价比”，这一点认识是统一的。国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)指出:教师要把教学作为首要任务，不断提高教育教学水平;加强实验室、校内外实习基地、课程教材等教学基本建设，深化教学改革［1］。因此在现有教学条件下如何提高教学质量，提高实践教学效果是每所工科高校必须面对的基本课题。

就目前机械制造及自动化专业来讲，其主干课程机械制图、机械设计基础、工程力学、金属工艺学、液压与气压传动、机械制造技术等本身在教学过程中需要准备大量的教具，学生测绘、设计等课程需要使用大量的教学模型，这种现状的缺点一是教学投入大，二是教具的管理繁琐，三是挂图和模型都是静止的，不够直观。随着数字化技术的不断发展，在机械制造及自动化专业教学中引入三维建模与仿真技术，将传统挂图改为电子挂图，教具改为电子教具，教学模型改为电子模型，利用机房或者学生自己的计算机，任课教师提供相应的软件，就可以完成测绘、课程设计等实践环节的教学;也可以作为实践教学的辅助教学手段，提高了教学效果，优化了教学资源配置。

1 教学内容的改革

1)对制图课的教具进行改革，将实物教学模型改为电子教学模型，如图1所示，将电子模型作为作业和教具发布于校园网中，拓展课堂教学。在液压传动课程中引入三维数字模型，将液压泵、液压阀的的模型利用三维软件进行三维管道连接，通过计算机模拟液压工作站的装配过程，增加液压传动课程的可观性，教学效果增强。

2)对制图测绘过程改革，将测绘零件的三维数字模型发给学生，将零件的手工测绘改为电子测绘。这样可以增加制图测绘的分组数目，而且可以减少模型的投入，并且可以杜绝学生在测绘过程中的抄袭现象。

3)在机械制造基础课程中引入三维数字模型，将传统的机械加工过程改为在虚拟加工软件中演示，通过修改刀具参数进行加工模拟，使学生直观地了解到刀具前角、后角、刃倾角、主偏角、副偏角等对切削过程的影响。在学习切削机床过程中，甚至可以将虚拟演播室的视角引入到主轴箱内部，从而提高教学效率，增强课程的直观性。

4)在机械设计基础课程中引入三维数字模型，将四连杆机构，行星轮机构，齿轮机构的传动模型全部利用pro/e的三维运动功能模拟，进行形象教学。特别在讲述四连杆机构时，学生通过修改参数可以直观地得到曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构的转换。

图1 机械制图课程电子教具库

2 教学方法的改革

1)教学形式采用多媒体教学

随着多媒体技术在教学中的广泛应用，其在工科教学中应用必然成为一种趋势。机械制图是一门知识性和实践性都很强的课程。采用多媒体教学，大大缩短了授课时间，学生有时间在课堂上对学习的知识进行消化和吸收，能够及时地发现问题、解决问题。

图2 机构运动仿真在教学中的应用

在教学过程中，强化学生绘制木模草图的训练，可以加强学生由三维到二维、二维到三维的相对融合，对提高学生的视图表达能力和绘制手工草图的能力有极大的帮助。因而在讲解组合体时，始终贯穿着绘制木模的训练，教师只是起到了引导和总结方法的作用。

2)充分利用校园网平台

校园网络介于局域网与广域网之间，既具有局域网络的高速性，又拥有互联网的广泛信息，因此可以充分利用校园网作为现代网络教学的基本平台。通过校园网的留言系统、或者利用即时通信软件可以实现师生的交流。比如建立一个公共的在线答疑系统，为每个教研室建立一个网络答疑室，每天在答疑时间安排教师值班，可以通过校园网实现全校讲授课程的在线答疑。这种课程辅导形式不仅可以实现教师随时解惑，而且节约教学资源，不参与答疑的教师可以有更多的时间投入到科研、教研活动中去。

利用校园网建立网络教学资源库，通过网络教学精品课程建设平台共享网络教学资源库。从而减少教师备课时查找资料的重复性工作时间，提高教师备课的效率。此外，精品课程建设平台可向社会提供服务，在网络运行中可以得到实践，在扩大学校影响的同时，促进精品课程的发展和完善。学生在学习之余可以根据自己的学习程度访问这些共享资源，通过网页提供的链接或在网站的索引中，可轻松自如地进入相应的学习环境，在获得知识同时，锻炼了信息处理的能力及学习的态度，便于学生自学，提高学习效率。

电子图书资源作为网络资源库的有机组成部分，其应用程度决定着教学改革的成败。目前很多高校都拥有清华学术期刊、万方电子资源数据库、中国人民大学报刊数据库等电子期刊查询、阅览服务，这对于专业知识的扩充提供了方便，而且电子期刊查询方便，快捷。对于课外知识的扩充可以访问书生之家电子图书、超星数字图书等电子图书资源。不仅如此，有声图书资源，多媒体学习资源库的建立更是进一步拓宽了网络图书资源的应用。

3)虚拟工程环境应用

图3 网络环境教学资源库的应用

工科高校毕业生就业后执业能力取决于在校期间工程环境训练程度，因此工程环境的建立是每所工科高校必备的课题。目前很多高校与企业联合建立了大量的工程训练中心、工程实训中心，有的高校提出订单式培养，毕业生动手能力强、上手快、就业率高。各个高校的基本情况大不相同，有的高校由于资金问题，仪器设备不足，只能几个人一组，学生动手的机会很少，有的高校辅导教师人员不足，在制订专业培养计划时学时有限，实验实训课程开出率较低。有的高校既不缺资金，也不缺人员，但由于专业特殊，像航空维修与工程、航空维修管理等专业，学校不可能买来几架波音飞机供学生拆装实习。针对不同的教学基础建立虚拟实验室，充分利用虚拟设计、虚拟实训等资源，利用多媒体技术、网络技术等营造出一个身临其境的实训仿真环境;对学生利用虚拟教学资源演示教学，让学生在仿真环境中反复模拟实验、操作、演练等，这样在真实操作中可以提高学生操作的准确率并缩短真实实训所需的时间。

工程环境仿真软件可以降低实验材料的损耗，比如数控加工实训，学生直接上机床实验，材料、刀具、设备损耗都非常大，在实训之前借助数控仿真软件，熟悉机床操作，通过仿真软件检验数控编程的相符程度，从而节省了大量经费。

由于视觉的原因，某些真实设备不如虚拟设备直观，比如机床减速器，仿真的减速器将上箱体作为透明，从而清楚地看到减速器的具体结构，特别是液压元件，其原理图和零件的实际结构图相差迥异，通过虚拟零件获得原理性知识更为深刻。

图4 虚拟实验室仪器设备

3 考试方法的改革

课程考试的方式主要有闭卷考试、开卷考试、课程书写论文、大型作业、课程答辩等，目前我国大多数高校仍沿用必修课程采取闭卷考试方式，选修课程结合课程要求采取其他考试形式。而开卷考试、书写论文、大型作业等往往依靠教师主观评定学生成绩，存在偏差，教师的工作量很大。如果采取闭卷考试，以成绩作为评价学生课程掌握程度的话，虽然闭卷考试可以分为主观题目和客观题目，但是有些学习能力的测试无法在试卷上体现;比如计算机绘图课程，可以利用闭卷考试考察命令掌握情况，但是命令的综合应用能力无法测试，如果采用上机考试，如果当场打分，教师的工作量很大，如果不当场打分，成绩的公正性又无法得到保证。因此必须进行考试方式改革。

以计算机绘图课程为例，为了测试学生综合应用能力，建立一个计算机绘图课程的图形库，利用通用网络考试系统随机抽题，可以保证考试效果，但这些试题属于主观试题，考试结束需要教师人工改卷，后续工作量较大。可以把学生绘制的复杂图形化解，学生图形绘制完毕，让其测量图形面积，给出几个备选答案。如果图形绘制正确，面积测量正确，那么就可以选出一个正确答案。这样就把主观题目改造成为客观题目，便于计算机评分，将教师从复杂的劳动中解脱出来。

4 备课方式的改革

建立教研室专用机房。当前的计算机软件更新很快，同时新的教学软件不断涌现，因而要求任课教师必须不断地更新知识，加强交流与学习。另一方面，多媒体教学使得计算机的应用更加广泛，备好一节课需要大量的多媒体素材;集中备课可以使教学课件在大纲的统一要求下，每位教师的课件又各有特色，避免了课件一个人做，大家用，千篇一律的现象，从而加快教研室的发展和完善，使这种全新的教学模式尽快地趋于成熟，确保教学质量的稳定。