基于三维建模的机械专业实训教学系统设计

武汉船舶职业技术学院 李迎飞

针对机械专业实训教学质量低下，提出了基于三维建模的机械专业实训教学系统设计。构建机械专业实训教学数据库，利用三维建模技术创新教学模块，设计主体教学功能模块。通过实验效果验证得出，基于三维建模的机械专业实训教学系统能够大大提升教学质量，激发学生学习兴趣。

在当今社会活动中，最为重要的就是教育。人们越来越重视孩子的教育。利用计算机科学技术对教育进行设计改革是如今十分热门的话题。教育在信息科技下的改革体现在科学技术与教育课程的结合，培养创新型人才。在互联网时代的加持下，教育教学逐渐网络化、智能化。

机械专业是传统的工科类专业，在学习过程中需要不断进行实践，才能够提升自身的专业素养，为今后的工作和学习打下坚实的基础。在传统的教学课程中，课上学习时间不能很好地被利用起来，学生在课堂上不能有效的吸取知识。尤其是专业实训课程，因为教学时间的限制，不能保证每个学生都能亲自上手进行操作，这就导致了教学质量大打折扣。

在此基础上，本文提出基于三维建模的机械专业实训教学系统设计。利用三维建模技术，对机械实训教学进行创秀优化，学生能够通过三维建模技术进行机械实践操作。巩固所学知识，提升机械专业教学质量。

1 基于三维建模的机械专业实训教学系统设计

1.1 硬件设计

基于三维建模的机械专业实训教学系统的设计依赖于良好软件环境与匹配的硬件设备。三维建模是基于微软Windows系统开发，需要DirectX插件来运行，而Windows系统一般自带DirectX插件，使用Windows系统的计算机都可直接运行。

本文所设计的基于三维建模的机械专业实训教学系统运行时采用CPU为Pentium4G、运行内存为256GB、储存内存为512GB的计算机。其中为了保证系统的运行流畅，外接一个内存为1M的移动硬盘。另外，保证计算机音频输出设备，鼠标、键盘输入设备正常使用。

1.2 构建机械专业实训教学数据库

由于在机械专业的实训教学过程中会用到许多物件的构造数据，为了保证教学质量和效率，需要建立合理的数据库来储存庞大的信息。

针对不同种类的建立储存模块。将采集到的数据分类标号输入到模块中。在不同构建中自定义序号，设置主键，建立零件数据表格，将构建中的标注信息和图片模型等信息输入到数据库中，同时在数据库中构建一个外界数据源，方便学生在使用数据时能够对数据进行个性化修改。

数据库采用了模块化的方式进行构建，模块化的方式开发，有助于降低程序的耦合性，提高聚合度。通过数据库实现数据交互，降低了开发难度。同时，开发的独立性也使得开发更有效率。并能够根据学生修改的数据实时动态调整，让学生能够理解答案结合实践的效果。

1.3 基于三维建模机械专业实训教学系统软件功能设计

设计三维建模教学功能。SolidWorks 三维建模技术是本文所设计系统的主要技术支撑之一。机械设计基础教学辅助系统设计的关键问题是对本课程中众多的三维模型进行制作和动态模拟，力求通过软件技术实现教学素材虚拟化，并建立起完整的素材库，为后续的系统制作、虚拟技术集成做好准备。

机械专业在实训教学中庞大的工作量决定本文所设计的系统需要选择简单易学，同时又方便数据管理和发布的SolidWorks软件技术，再加上SolidWorks组件多、参数化建模二次开发功能强大，这对齿轮传动三维建模来说是高效、高质量的。

为了加强学科联系和知识链接，可在本系统中大量运用机械装配工程图，加强学生对机械制图知识的运用。SolidWorks软件技术不仅提供了丰富的三维建模和动态模拟技术，还能快速生成完整符合实际产品设计的工程图，并对工程图中参数进行动态管理，方便于使用者根据自己的意愿进行修改。

由于Solidworks设计树功能强大，加之机械基础虚拟教学系统中涉及的齿轮、轮系、机械传动等三维模型繁多，选用此软件，可以提高机械基础课程中三维实例的三维建模的工作效率。

设计三维模型外观渲染。使用SolidWorks软件技术的内部插件PhotoWorks技术，该功能使得机械基础教学辅助系统中的教学素材图片、零件外观色彩、装配体模型更加形象生动。动感真实的图片使得本系统设计具有很强的艺术性。SolidWorks学习简单，操作方便，只要懂得了此软件的基本绘图结构原理以及三维放样特征，就能快速创建你想要的三维实体模型以及外观造型。

三维建模其实就是一个“基准面、二维工程图、特征功能实体造型”循序渐进的过程。建立模型的开始得自定义一个二维工程图的基准面，即草绘基准面，草绘基准面可以是SolidWorks中原始的三坐标，也可以根据零件的特征重新创建基准面。如齿轮的三维建模：先在基准面上通过圆，构造线等绘制齿轮零件的轮腹、轮齿的二维截面图，然后通过阵列造型生成所有轮齿。二维截面图画好后然后再根据特征功能，通过拉伸特征阵列以及打孔等操作来实现实体的制作。如果在使用过程中需要发布零件的二维工程图，不要担心因三维模型的改变而影响二维工程图。因为SolidWorks环境下无论使用者是在修改三维模型还是在修改二维工程图，SolidWorks后台都会自动完成所有尺寸的调整，包括装配体零件。零件建模过程，如图1。

图1 零件建模过程Fig.1 Part modeling process

现在主流的CAD/CAM技术中，绝大数三维软件都具有装配体技术功能。主要是为使用者提供比较完整的大型机械设计的设计平台。使用者可以在虚拟软件空间快速对机械进行装配，并对装配的配合度、零部件的设计结构、设计尺寸进行反复修改、调整，最终高效的完成产品零件的造型和内部结构设计。在SolidWorks环境下装配零件。

（1）创建好了一个装配图文档，在装配体工具栏上单击新零件并插入要装配的零部件。插入完所需的零部件之后，根据零件之间的相对关系，选择基准面、基准轴、基准孔等作为装配参考，根据自己的需要配合好零件。

（2）设计机械传动演示视频分析功能。由于在Solid Works中对机械基础教材上的机械传动进行三维动态建模的。但为了可以更准确地控制机械传动并加上同频率的音频介绍，我们把机械传动的三维动态视频保存导出。再使用录制视频功能，并将视频格式保存为AVI视频格式，设置视频的大小之后保存，然后使用格式转换软件将其转换为FLV格式。接着导入到Flash里面，在文件中建立一个新的图层，并添加录制完备的内容讲解音频，再借助Flash流线控制特征，对嵌入到Flash里面FLV动画和音频的每一帧动画进行编辑，使音频中的内容讲解和机械传动动态模拟同步。这样辅助教学系统里面的模拟视频就制作完成了。

（3）主体教学功能设计。辅助教学系统提供了机械基础全书的章节大纲、理论知识要点、章节习题课测评和讲解。课程上涉及的实例场景以及相关的生活实例场景和知识拓展。老师和学生只需鼠标双击事件图标，就能进入系统初始界面。如图2所示，主体教学功能运行流程。

图2 主题教学功能运行流程图Fig.2 The flow chart of the operation of the theme teaching function

在初始界面上任意位置单击鼠标事件就能进入系统的学习界面。教学过程中找到文件夹，双击图标，进入初始界面，在初始界面任意位置单击鼠标左键就能进入辅助教学系统的主体界面。单击章节图标，系统将在右上方弹出本章的学习内容。单击右上方菜单栏目“历史发展”，系统在左上方首先自动弹出本课程的学习的初始界面。单击下页按钮，系统将展示机械基础发展的基本过程。

学习完课程后，可将鼠标移动到课程性质上，由于每个图标都是一个鼠标触发事件，并增加了背景音乐，因此很容易引起学习者注意。直接单击课程性质，系统播放窗口将自动跳转播放内容，学习都只需单击下页按钮就能完成课程性质的学习。

（4）章节检测和学习思考。

2 实验论证分析

为了验证本文所设计的基于三维建模的机械专业实训教学系统能否有效的提升教学质量，于是进行对比实验进行验证。选取某大学的机械专业班级作为研究试验对象，一个班利用本文所设计的基于三维建模的机械专业实训教学系统进行教学，另一个班采用传统的机械专业实训教学方式进行教学，两个班选取相同的课程进行实训教学，最后纵向对比学生的学习效果。

将利用本文所设计的基于三维建模的机械专业实训教学系统进行教学的地点选择在A班教室，A班教室是一般的学生上课场所，学生的电脑提前安装好本文所设计的系统并激活资源，选取教学内容对应的模块进行学习。B班同学由老师带领到实地参加机械专业实训。

（1）A班的同学，点击进入所要学习的课程界面，教学过程中找到文件夹，双击图标，进入初始界面，在初始界面任意位置单击鼠标左键就能进入辅助教学系统的主体界面。单击章节图标，系统将在右上方弹出本章的学习内容。

（2）根据教学内容，打开SolidWorks2009点击新建，点击零件。绘制长方形基本的二维草图，使用三维拉伸切命令创建回转副零件的三维实体，继续画线，点击“矩形”按钮，绘制一个15mm×45mm矩形。修改草图。点击右键删除矩形在圆内的一边。点击拉伸切除命令，选择切除外面的基体。随后创建直径为12mm的三维通孔。点击“颜色”按钮，设置零件的外观颜色。机械零件创建完成。

（3）根据所学知识不断调整零件数据。教师能够通过教师端对学生的学习情况进行实时掌握。学生端的同学们沉浸探索、得出课程结果，最后利用云评价对于本堂课进行评价反思。

在整个教学过程中，教师端是导入者的角色，带学生端的学生进入情境。在整个实践过程中最重要的一步骤就是利用三维建模对机械零件设计，进行沉浸探索，真正体验机械零件构造的整个过程，课程结束后将实践过程总结归纳，课程结束后对课程进行评价反思。

采集学生课后评价，大多数使用传统方法进行写实训教学的同学反映，课程学习任务繁杂，时间紧迫，不能很好吸收教学知识，不能每个同学都上手进行时间操作。采用本文所设计的基于三维建模的机械专业实训教学系统进行学习的学生反馈，对实践教学系统的沉浸式教学的兴趣浓厚，几乎每个学生完成任务后都不舍得离开系统，渴望继续尝试章节的课程学习，在课程实践中学生对三维建模模块产生了十分浓厚的兴趣，很配合教师的教学实施，很乐意尝试教学系统的机械实训。每个同学都能够根据所学内容进行操作练习。

3 结语

在机械专业实训教学过程中，很多学校不能够提供足够的场地供学生进行实际操作。这样就使得学生学习效果大打折扣。本文所设计的基于三维建模的机械专业实训教学系统，通过三维建模技术，设计出低成本、高效率的教学系统。通过软件和硬件的配合为学生打造专属的操作台，提升学生操作经验。为机械专业实训教学提供了良好的平台，大大增加了学生的学习质量。但由于时间限制，本文没有进行多次试验，还需要在今后的研究中不断完善。