三维模型和动画模拟在“界面分选技术”教学中的应用

黄波++韦彬

系统地总结了中国矿业大学（北京）矿物加工工程专业在专业课程教学过程的探索，总结了三维模型和动画模拟技术在专业课程教学中的优点，介绍了基于Solidworks三维模型和动画模拟的制作，基于校园网的动画演示系统。

矿物加工界面分选三维模型矿物加工工程专业主要培养从事金属、非金属和煤炭的分选加工及矿产资源的综合利用领域的高级人才。本专业是工程背景很强的专业，要求学生除了掌握矿物加工基本原理和工艺外，还需掌握矿物加工设备的结构和工作原理。界面分选技术是矿物加工工程专业一门重要的核心课程，主要讲述界面分选的基本原理、工艺和界面分选设备。本课程的教学质量影响到学生对矿物加工专业的兴趣和专业知识的系统性，因此，如何提高课堂教学质量成为任课教师首要考虑的问题。

长期以来，教师在讲授设备的结构和工作原理时，都采用传统的二维平面图和示意图，教师讲授和学生理解都比较困难，教学效果不理想。随着计算机技术的发展，三维制图软件逐渐在高校工科专业应用，三维模型可视性强，在课堂教学（尤其是机械设备）时具有明显的优点。中国矿业大学（北京）矿物加工工程专业在学校课程建设项目的支持下，将三维模型和动画模拟技术应用于课堂教学，收到很好的教学效果。

一、三维模型和动画模拟在专业课程教学中优点

矿物加工工程专业是涉及物理、化学、热力学、机械振动和流体力学等学科，专业知识很多。其中矿物分选原理与设备是本专业的必须要撑握的知识，一些微观反应过程和设备内部结构与工作原理，依靠传统的授课方式很难讲清楚，教学效果差。实践发现，供助三维制图软件和动画模拟教学，可以起到事半功倍的效果，教学质量显著提高。主要以下几方面的优点：

1.直观、可视性强，多视角展示设备内部结构

界面分选设备主要矿物分选创造一个适宜分离的物理场，设备构件多，结构复杂，依靠传统的二维视图，教师在有限的课堂时间内很难讲解透彻，学生理解也很困难。三维模型直观、可视性强，教师和学生不需要具备很强的三维空间想象能力，非常容易看懂、看明白设备的空间结构。此外，利用Solidworks“参考某一面去切割（仅显示）”功能可以让学生多视角观看内部的详细情况，加深学生对设备结构印象；利用“动态视图旋转”功能使模型任意旋转，便于学生从各个角度甚至内部观察设备，显示设备的内部结构及各构件的配合关系，弥补了学生在选煤厂只能看到设备上部外观，不能看到设备底部的不足。

2.设备“组装和拆解”方便，提升学生动手能力

矿物加工工程专业是工程背景很强的专业，必须强化学生的工程能力和实践能力的培养，要求学生掌握设备的“组装和拆解”。然而，在实际的生产过程中，由于设备的装配费时又费力，不可能经常进行拆卸和组装。采用Solidworks绘制的三维模型，利用其Animator功能可以对设备的零部件进行虚拟装配和运动模拟，了解设备的装配过程，有助于理解设备的工作原理，培养了学生设备检查和维修的工程能力。

3.设备工作原理三维模拟演示，强化理解

界面分选是十分重要的矿物分离方法。通常，专业教师会用较多时间讲授界面分选的原理、工艺，学生结合专业基础课程知识，也容易听懂。根据课程安排，学生在进行专业课程学习时，还没有现场实习经历，也没有看过设备及模型。因此，学生们很难理解机械设备如何为矿物分离创造适合分选的物理场？如何实现多相流体系中物料的分离？以机械搅拌式浮选机充气原理为例：界面分选是利用矿物表面性质的差异，在气液界面实现分选。因此，无论何种形式的界面分选设备，必须提供气体吸入并形成气泡方法。机械搅拌式浮选机依靠叶轮高速旋转，在转子附近形成负压，空气从空心轴和套筒吸入，经流体的剪功作用形成气泡。由于学生未接触到实际的浮选机，也没有机会查看浮选机内部结构，往往很难理解气体如何吸入并形成气泡。利用三维模型和动画模拟气体吸入形成气泡过程来讲解，直观形象，十分容易理解，起来事半功倍的效果。

4.激发学生专业学习热情，提升学生设备实际操作技能

专业课程知识点多，涉及面宽，多学科交叉，传统的课堂教学模式造成学生专业学习积极性不高。采用三模型及动画模拟，形式新颖，提高了学生专业课学习热情。如讲解浮选机内部流场特性时，过去采用传统的流线图，学生不易理解。利用三维模型的流场模拟功能，无需进行流体力学试验，就可以模拟改变浮选机的结构参数和操作参数，观察浮选机内部流体速度场和压力场的变化，结合界面分选的理论来讲解这些变化对浮选的影响，大大提高了教学质量，与此同时也培养了学生现场操作技能，加深了流体力学知识的理解，学习积极性显著提高。

二、三维模型的制作

Solidworks是一个基于特征参数的实体建模三维设计软件，集零件造型、装配造型和自动生成二维图等功能于一体，具有易教、易学和易用的特点。

界面分选设备种类繁多，结构复杂，在制作三维模型时，应遵循从基本体到组合体、从零件图到装配图建模原则构造三维模型。浮选机主要由槽体、刮板、搅拌机构、传动装置和溜槽等组成，图1为利用Solidworks绘制三维模型图。

三、界面分选原理与工作过程的动画模拟

动画模拟主要涉及到两个方面，即界面分选基本原理的模拟和设备工作过程模拟。三维动画在多媒体教学过程中具有十分重要的作用，界面分选过程涉及到气、固、液三相，是一个复杂的物理化学过程。一些微观反应过程（如气泡矿化过程）采用单纯讲述很难讲解清楚，借助Flash动画就很好反映出气泡矿化三个微观过程：接触碰撞、气泡黏附和气泡脱附，同时将诱导时间和接触的概念也解释十分清楚。此外，周笔畅用Solidworks的流体模拟插件，还可以对分选设备内部流场进行数值模拟，进一步加深学生理解流场在界面分选过程中所起的作用和影响。

对于分选的设备工作过程和调节，我们利用制备了单体设备模型配合动画模拟物料进入进出，矿浆流量控制、浮选药剂添加和液位控制等操作，形象地反映生产过程设备工作状态和物料走向，便于学生理解。

四、三维模型及动画的网络应用

专业课程内容丰富，理论性和实践性强，信息量大，课时紧，在有限的课堂时间内只能将最基础的界面分选原理和重要的分选设备讲解透彻。随着计算机技术和网络技术的发展，借助利用校园网络开发了基于校园网的专业课程动画演示的网络系统，学生可以利用课余时间在线观看设备的三维模型和单元过程动画模拟，弥补教学时间的不足，有利于学生巩固课堂知识，取得了很好的教学效果。

五、总结

在专业课程教学过程中引入三维模型和动画模拟技术，不仅可以提高教学质量，还可以激发学生对专业课堂学习积极性，增强学生的工程实践能力。

参考文献：

[1]黄波，解维伟，马力强.矿物加工工程专业创新型人才培养体系的构建与实践[J].煤炭高等教育，2013，31（3）：92-94.

[2]江洪，吉维峰.运用三维绘图软件Solidworks改革工程图学教学的实践[J].工程图学学报，2004，（01）：109-113.endprint