基于3DVIA Composer 3D动画在机床夹具CAI中的应用研究

牛鹏辉　刘救世　李大磊

摘 要 文章简述了动画是现代化的教学模式CAI的主要手段，在课堂教学中起着不可缺少的重要作用，分析了动画在课堂教学中的作用机理，根据机床夹具设计课程实践性强的特点，论述了将3D动画软件3DVIA Composer应用于课堂教学的必要性，介绍了应用该软件制作3D画的一般方法和步骤，对基于3DVIA Composer的动画在机床夹具CAI中的教学实践和效果进行了总结。

关键词 3DVIA Composer CAI 3D动画 机床夹具

中图分类号：TP391.7 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.12.015

Research on Application of 3DVIA Composer 3D Animation in

Machine Tool Fixture CAI

NIU Penghui， LIU Jiushi， LI Dalei

（School of Mechanical Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan 450001）

Abstract The animation is the main means of CAI teaching mode of modernization， plays an indispensable role in the classroom teaching， analyzes the mechanism of animation in the classroom teaching， according to the fixture design course practical characteristics， discusses the necessity of 3D animation software 3DVIA Composer is applied to classroom teaching， introduction the general methods and steps of making use of the software of 3DVIA 3D painting， composer based animation in the machine tool CAI in teaching practice and effect are summarized.

Keywords 3DVIA； Composer； CAI； 3D Animation； machine tool fixture

機床夹具设计是机械类专业技术专业课“机械制造工艺学”中的重要内容，课程的实践性强。在教学实践中，夹具的工作原理需要通过复杂的夹具结构来说明，对学生的空间想象能力有较高要求，而传统的教学方式往往达不到预期的效果。而随着新的教学手段的不断出现，现代化的教学方法代替原有传统的教学模式已显得十分必要。笔者将基于3DVIA Composer的3D动画应用于机床夹具设计课程课堂教学中，收到了显著的教学效果。

1 CAI教学模式

当代教学模式的发展和创新，突出强调的是学生本位的教学价值、信息化的教学媒体和师生互动的教学形式。尽管教学模式的发展呈多样化，但充分利用多种技术手段来设计和丰富教学模式是当前教学模式发展的一个显趋，其中最具时代特征的是计算机辅助教学的教学模式。[1]计算机辅助教学——CAI （Computer Aided Instruction）是利用计算机的人机对话、快速计算、图形和动画等功能，采用文字、声像、动画等手段，创造交互性强的多媒体CAI课件来完成教学的一种现代化的教学方式，其理论基础是建构主义学习理论。

建构主义心理学指出，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境下，利用必要的学习资料，借助他人的帮助，通过意义建构的方式而获得。以建构主义心理学为基础的教学模式的设计思想是：教师要提供一种有利于学生自主建构知识的、良好的学习环境以有效地激发学生的学习主动性和积极性，从而实现对知识的自主学习和自主建构。[2]已有的研究充分证实，不同的学习形式对学生的学习效果影响差异很大。在CAI教学模式下，学生能获得最佳的学习效果。随着现代信息技术的发展，借助计算机进行辅助教学已成为必然的趋势。CAI的兴起是教育界进行信息革命的最有代表性的产物，而动画在CAI中的作用尤为重要。

2 动画在CAI中的作用机理

随着生命科学的发展，教育领域也进入一个重要的时代——脑时代。CAI中的动画对课堂教学的作用符合脑学习理论，它激发了大脑的潜能，极大提高了课堂教学效率和教学质量。

现代脑科学家认为，“脑按照一个由大量联结在一起的模块元件组成的分布式系统排列。”人的大脑分为左右两个半球，左半球主要管理语言，包括说话、书写、计算等抽象思维功能；右半球管理音乐、图画、表象等形象思维功能。大脑左右两半球既相互分工，又密切合作，人们在日常学习工作中所从事的所有活动，都是左右脑协调活动的结果。大脑把感觉器官对外界所进行的各种非言语感知和言语感知的各个方面都储存在不同的区域，存储区域内的各细胞之间就构建起“路径”，从而建立起相应的联系，然后大脑组织由各种各样的刺激产生的信息数据，从而实现脑功能的整合。[3]

在机床夹具课堂教学过程中，3D动画利用声音、图像等逼真地模拟了机床夹具的装配、工作过程，给人以身临其境之感，充分调动了学生的各种感觉器官，把学生的多种感官有机地组合起来。这种情景下，脑内大量的区域被同时激活，更强地刺激了大脑中神经细胞之间的联系，提高了大脑整合大量信息的能力，从而显著增强了学习效果。

3 专用机床夹具的教学特点endprint

“机械制造工艺学”是与工程实际紧密结合的专业课，课程的重要任务之一是使学生基本掌握机床夹具的专业理论知识和具有初步的结构设计能力。“专用夹具设计”部分是学生学习的重点也是难点。在课堂教学的过程中，对于一些复杂的夹具结构，教师仅根据教材中的二维结构简图，很难用语言表达清楚夹具的定位、夹紧等工作过程。不少同学在学完该课程后，往往对机床夹具的具体结构和工作原理一知半解，达不到预期的教学效果。为此，笔者使用3DVIA Composer制作了典型机床夹具的装配和工作过程3D动画，应用于课堂教学，收到了非常好的教学效果。3D动画能更有效地刺激大脑，提高学生脑内的神经元联结，产生更多突触，由此提高其学习能力。此时学生能极大地发挥学习潜能，积极地投入到学习中去，使学生对课程知识有更深层次的理解。因此，将3DVIA Composer应用于专用夹具设计的课堂教学，能帮助学生快速、深入理解夹具的结构和工作原理。

4 3DVIA Composer 3D动画特点

目前常用于制作CAI课件中动画的软件有Flash和3D MAX。Flash 用于设计和编辑 Flash 文档，制作过程简单，但动画为二维，无立体效果，不能给学生留下深刻印象；3D MAX 是制作建筑效果图和3D动画的专业工具，广泛应用于电视及娱乐业中，虽效果逼真，但本身没有刚性联接、自由度约束，而且不能实现机床夹具各部件动作及相互作用的需求，也没有精度、公差等精度信息，更无法生成工程图。3DVIA Composer是由法国达索信息公司（Dassault Systerms）开发的图形软件，具有简洁明了的操作界面、强大的3D功能，可以直接利用已有的3D模型制作3D动画。由3DVIA Composer制作的3D动画精美逼真，画面光艳夺目、金属质感超强，可以生动地实现各种机构和装置的刚性运动，给学生留下极其强烈的感官印象。

作为与SolidWorks无缝集成的一个插件，3DVIA Composer易学习、上手快，动画制作简单快捷，使用者几乎无需具备相关的CAD知识和接受专门的培训，因此特别适合机械机构和结构的CAI课件制作，使传统的机床夹具教学方式焕然一新。

5 3DVIA Composer 3D动画在机床夹具CAI中的应用

5.1 3DVIA Composer在机床夹具教学中的应用效果

传统的教学由于其信息的单一性和平面化始终不能很好地满足教师和学生的要求，而利用3DVIA Composer软件可为学生提供多元化、立体感的信息，充分调动学生的学习兴趣，激发大脑的学习潜能，加深对知识的理解。学习并不是大脑内分离和孤立的事件，而是所有相关脑区的共同协作。动画可以将无法亲身感知的，难以实现的抽象现象，借助动画的形式真实形象地展现出来，弥补了常规教学的不足，从而极大地调动了学生的学习积极性。此时，大脑处于兴奋状态，知识便迅速而深刻地烙印在大脑里，学生则在轻松愉快的心情下感悟新的知识。[4]

笔者在教学实践活动中，以加工推土机铲臂右支架2€住？3.5孔专用夹具为例，利用3DVIA Composer制作其工作過程的3D动画，不仅能准确地表达出该机床夹具由定位心轴、分度盘、对定插销、钻模板、钻套和夹具体等所组成，而且生动地展示了使用该机床夹具对工件进行定位、分度、夹紧、扩孔及装卸工件等动作过程，充分展现了该夹具的工作原理和装配过程。本来枯燥难懂的知识瞬间变成了学生感兴趣的动画，极大提高了学生的兴趣，加深了学生的理解，收到了良好的教学效果。同时，CAI课件中3D动画提供的生动、直观的学习材料不仅能提高学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性，而且遵循了大脑的学习规律，最大化地发挥了大脑的潜能，从而增加了学生对知识的理解和记忆，实现了学生对知识的自主建构，达到了预期的教学效果。

5.2 3DVIA Composer制作动画的一般步骤

3DVIA Composer制作3D动画的关键在于合理地放置关键帧，具体是通过拖动时间线配合调整模型（平移、旋转、更改透明度等）来实现，整个动画制作都要根据动画的动作顺序不断反复平移、旋转模型或改变视角。3DVIA Composer能够根据产品的需求生成其装配、爆炸及工作过程的AVI动画文件，并以此用于CAI教学。3DVIA Composer可读取SolidWorks、CATIA、Pro/E及其他多种三维CAD格式文件。

运用3DVIA Composer制作机床夹具3D动画的一般步骤是：在三维建模软件中建立机床夹具的三维模型，渲染后得到符合工程实际的色彩效果；规划和设计三维模型中各元件的动作顺序；将机床夹具的三维模型导入到3DVIA Composer软件中，选择合适的视角作为夹具动画的初始位置；按照机床夹具操作过程中的动作要求放置关键帧，同时进行视图的变换、零件的平移、旋转等操作，系统及时记录完成3D动画制作；将制作完成的动画文件另存为PDF、HTML或AVI格式，以脱离3DVIA Composer独立进行播放。

6 结束语

3DVIA Composer软件的3D动画制作是“机械制造工艺学”等工程类专业课CAI教学的有力手段， 其为学生提供的多元化、立体感的信息，能将抽象的知识形象化，充分调动学生的学习兴趣，激发大脑的学习潜能，让学生从形象生动的直观出发达到丰富的感性认识。笔者根据多年的教学经验，充分考虑到机械制造工艺学课程实践性强的特点，利用3DVIA Composer软件制作专用机床夹具的装配及工作过程3D动画，用于课堂教学，符合学生的学习和认知规律，极大地活跃了课堂教学的氛围，提高了学生的学习效率，收到了非常好的课堂教学效果。

参考文献

[1] 吴爱琴，杨兰芳.浅析教模式与教学方法[J].教育教学研究，2007.3.

[2] 沈凤梅.基于建构主义认识论的教学设计[J].中国教育学刊，2011.6.

[3] 李世光.适于脑的教学[J].西昌学院学报，2006.12.Voll8，N0.4.

[4] 张继明.通往高等教育——我国高等教育研究的反思与建议[J].中国高教研究，2001.3.endprint