基于《机械基础》课程三维教学模型的构建研究

黄龚

（苏州市电子信息技师学院，江苏 苏州 215000）

前言

技工院校是国家培育技能型人才和创新型人才的重要基地，也是国家从制造大国走向制造强国的重要保证。目前，绝大多数技工院校的招生对象是初中毕业的学生，这些学生的知识面较窄，知识结构单一，缺乏空间想象能力和实践经历，学习中表现出明显的力不从心。《机械基础》课程本身也具有其独有的特点，它融合了《机械原理》《机械设计》等课程的知识，涵盖了常用的传动机构、标准零部件等的应用。结合课程本身和学生自身知识结构的特点，《机械基础》课程教学改革已势在必行，不能再局限于传统的教学模式，必须在理论教学的同时，加入必要的实践教学环节。目前《机械基础》实践教学的形式，比较流行的方式有两种，一是学校采购实物模型供学生实操拆装使用；二是利用虚拟仿真软件，进行虚拟仿真教学使用。采购实物模型进行实操训练，既受到实训场地的限制，又受到实训设备数量的限制，同时还需考虑学生安全和设备损坏等，实施过程的局限性很大；然而利用三维模型软件，建立起符合实训要求的虚拟仿真实训模型，既能满足安全、经济、可控的要求，又能满足实训教学的需要，对学生学习《机械基础》课程知识具有非常重要意义。

一、三维模型建设理念

《机械基础》课程三维教学模型的构建，应融合教学对课程内容的要求、专业对人才培养的要求和企业对人才素质的要求，如图1 所示，开发出能同时满足以上三者要求的三维教学模型教学平台，以供教学实践所用。

图1 三维教学模型三融合要求

教学对课程内容的要求与三维教学模型相融合，要求《机械基础》课程三维教学模型的建设与教材内容相适应。《机械基础》课程很多内容涉及三维零件，根据教学要求，确定具体的零部件，利用三维软件制作需要的虚拟三维模型，如：齿轮、轴和带轮等；三维模型的制作，有利于提高学生的视觉效果，使三维模型与教学内容紧密结合，相辅相成。

专业对人才的培养要与三维教学模型相融合，要求《机械基础》课程三维教学模型的建设应有利于专业对人才的培养。《机械基础》课程作为机械类专业学生的专业基础课程，相关专业培养出来的学生，在学生毕业后，主要是从事机械设备安装、调试、维修和保养等方面的工作，这就需要培养学生不仅要懂机械设备，更要懂得机械设备的结构特点和工作原理，具备从事机械方面的问题分析和解决的能力，因此在专业人才的培养上，需要按照人才培养的需要，通过理论和实践相结合的培养模式，培养出符合专业要求的人才，而《机械基础》课程三维模型的构建，能大大满足《机械基础》课程对课程实践的要求。因此，机械基础三维教学模型的构建过程，应按照人才培养需要的要求，构建为人才培养服务的三维教学模型。

企业对人才素质的要求与三维教学模型相融合，要求《机械基础》课程三维教学模型的建设应满足企业对人才素质的要求。企业对机械从业者素质的要求，从技术方面，主要表现在遇到实际机械方面的问题时，能运用所学的机械知识，从机械的工作原理和结构组成方面入手，解决遇到的问题，对典型的或类似的机械问题，能够触类旁通，举一反三；从能力方面，主要表现在员工能在自身知识的基础上，通过实践不断深化自己的知识基础，能提出改进产品的意见，从而具备开发和创新的能力。因此，《机械基础》课程三维教学模型的构建，不仅需要有满足学生学习机械相关知识的作用，还需要具有能开发学生主动思考的作用。

二、三维模型建设内容

《机械基础》课程三维教学模型的构建，主要由以下三部分内容构成，如图2 所示，三部分的内容层层递进。一是常用机械零部件和机构的建模；二是制作虚拟机构装配动画，三是生成虚拟拆装模型，可完成典型机构的虚拟拆装。

图2 三维教学模型内容

（一）常用机械零部件和机构的建模

《机械基础》课程中，有很多常用机构与机械传动的内容；常用机构中，有平面连杆机构、凸轮机构和间歇运动机构等；在平面连杆机构中，可以根据教学或建模需要，把平面连杆机构的三维模型建设成为曲柄连杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构和曲柄滑块机构等；在凸轮机构中，可以根据教学或建模需要，把凸轮机构的三维模型建设成为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮等；在间歇运动机构中，可以根据教学或建模需要，把间歇运动机构的三维模型建设成为棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构等。机械传动中，有齿轮传动、带传动与链传动、联接、轴系零件等；在齿轮传动中，可以根据教学或建模需要，把齿轮传动的三维模型建设成为直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗轮传动和减速器等；在带传动与链传动中，可以根据教学或建模需要，把带传动与链传动的三维模型建设成为平带传动、V 带传动、多锲带传动和链传动等；在联接形式中，可根据教学或建模需要，把联接形式的三维模型建设成为键联接、销联接和螺纹联接等；在轴系零件中，可根据教学或建模需要，把轴系零件的三维模型建设成为轴、滑动轴承、滚动轴承、联轴器和离合器等。

（二）制作虚拟机构装配动画

在常用机构和机械传动三维模型零件建设完成之后，需要将建设好的零部件装配成型，利用三维软件自带的仿真动画功能，制作常用机构和机械传动的仿真动画，再利用三维软件自带的动画录屏功能，将制作好的仿真动画视频保存成常见的文件格式，供教学或学习使用，使学生的思维不受限制，能通过视觉观察来掌握所学知识；同时，制作好的仿真装配动画，也能为下一步虚拟装配服务，学生能通过学习常用机构和机械传动的虚拟装配动画过程，完成模型的装配流程。

（三）生成虚拟拆装模型

在虚拟装配动画制作完成之后，常用机构与机械传动的三维装配模型也装配完成，为了实现虚拟拆装教学与实践要求，需要利用虚拟装配技术，实现典型零部件的交互式操作要求，制作出满足学生实践要求的虚拟拆装模型，如图3，可以利用虚拟模型完成齿轮轴上零件的拆装。这种虚拟拆装模型，能弥补部分学校硬件设施的不足，也能为学生学习提供一个交互式的虚拟学习环境，学生通过这种虚拟模型，能提高对常用零件结构的感性认知，能提高对机械零部件之间的装配关系的认知，也能有利于培养实际动手实操能力。

图3 齿轮轴上零件的拆装

三、三维模型建设方法

在《机械基础》课程的建设理念和建设内容确定之后，需要选择合适的三维CAD 软件来完成三维教学模型的构建，目前比较流行的三维设计软件有Pro/E、UG 和Solidworks 等，由于Solidworks 软件具有易学、易用的特点，可实现复杂零部件的三维建模、虚拟装配和运动仿真等功能，还具有很多自带式的插件模块和兼容性很强的二次开发接口，因此，本课程的三维教学模型的构建选用Solidworks 软件作为主要软件来完成。

《机械基础》课程的三维教学模型主要包括常用零件的构建，常用机构和机械传动模型的装配，教学装配视频的录制和虚拟装配平台的构建。在常用零件的构建中，可利用Solidworks的基本建模功能来完成三维建模；在零件三维模型建好之后，在利用Solidworks 智能装配配合技术来完成零件的快速装配，形成课程需要的基本装配单元；在完成装配关系后，需要检查零部件之间的干涉关系，检查完成即可利用Solidworks 提供的爆炸视图功能来完成仿真视频的输出，或通过Solidworks 提供的运动算例功能来为模型添加动画效果，以生成需要的仿真视频；最后，利用Solidworks自带的eDrawings 浏览器，在eDrawings 环境下编辑*.easm 文件，生成具有交互式要求的用户界面，具体技术实现过程如图4 所示。

图4 交互式用户界面实现流程

四、特色与应用

《机械基础》课程三维教学模型的建设，依托课程、专业和企业对人才的要求，构建了一个能满足教学和实践要求的交互式虚拟仿真平台，能满足“能学、辅教”的定位功能，使《机械基础》课程的教学过程更形象、更直观，既有仿真动画的形式将机械零件的构造、运动真实地展现给学生，又有各种常用机构、机械传动的虚拟实训操作，能让学生轻松掌握《机械基础》课程的相关知识。同时《机械基础》课程三维教学模型的构建，解决了传统教学对实训场地和设备的限制，有效的弥补了因场地、实训设备不足带来的困扰，对深化教学模式和教学形式具有重要的意义，值得在类似的课程专业之间推广。