三維模型和動畫模擬在“界面分選技術”教學中的應用

黃波++韋彬

系統地總結了中國礦業大學（北京）礦物加工工程專業在專業課程教學過程的探索，總結了三維模型和動畫模擬技術在專業課程教學中的優點，介紹了基于Solidworks三維模型和動畫模擬的制作，基于校園網的動畫演示系統。

礦物加工界面分選三維模型礦物加工工程專業主要培養從事金屬、非金屬和煤炭的分選加工及礦產資源的綜合利用領域的高級人才。本專業是工程背景很強的專業，要求學生除了掌握礦物加工基本原理和工藝外，還需掌握礦物加工設備的結構和工作原理。界面分選技術是礦物加工工程專業一門重要的核心課程，主要講述界面分選的基本原理、工藝和界面分選設備。本課程的教學質量影響到學生對礦物加工專業的興趣和專業知識的系統性，因此，如何提高課堂教學質量成為任課教師首要考慮的問題。

長期以來，教師在講授設備的結構和工作原理時，都采用傳統的二維平面圖和示意圖，教師講授和學生理解都比較困難，教學效果不理想。隨著計算機技術的發展，三維制圖軟件逐漸在高校工科專業應用，三維模型可視性強，在課堂教學（尤其是機械設備）時具有明顯的優點。中國礦業大學（北京）礦物加工工程專業在學校課程建設項目的支持下，將三維模型和動畫模擬技術應用于課堂教學，收到很好的教學效果。

一、三維模型和動畫模擬在專業課程教學中優點

礦物加工工程專業是涉及物理、化學、熱力學、機械振動和流體力學等學科，專業知識很多。其中礦物分選原理與設備是本專業的必須要撐握的知識，一些微觀反應過程和設備內部結構與工作原理，依靠傳統的授課方式很難講清楚，教學效果差。實踐發現，供助三維制圖軟件和動畫模擬教學，可以起到事半功倍的效果，教學質量顯著提高。主要以下幾方面的優點：

1.直觀、可視性強，多視角展示設備內部結構

界面分選設備主要礦物分選創造一個適宜分離的物理場，設備構件多，結構復雜，依靠傳統的二維視圖，教師在有限的課堂時間內很難講解透徹，學生理解也很困難。三維模型直觀、可視性強，教師和學生不需要具備很強的三維空間想象能力，非常容易看懂、看明白設備的空間結構。此外，利用Solidworks“參考某一面去切割（僅顯示）”功能可以讓學生多視角觀看內部的詳細情況，加深學生對設備結構印象；利用“動態視圖旋轉”功能使模型任意旋轉，便于學生從各個角度甚至內部觀察設備，顯示設備的內部結構及各構件的配合關系，彌補了學生在選煤廠只能看到設備上部外觀，不能看到設備底部的不足。

2.設備“組裝和拆解”方便，提升學生動手能力

礦物加工工程專業是工程背景很強的專業，必須強化學生的工程能力和實踐能力的培養，要求學生掌握設備的“組裝和拆解”。然而，在實際的生產過程中，由于設備的裝配費時又費力，不可能經常進行拆卸和組裝。采用Solidworks繪制的三維模型，利用其Animator功能可以對設備的零部件進行虛擬裝配和運動模擬，了解設備的裝配過程，有助于理解設備的工作原理，培養了學生設備檢查和維修的工程能力。

3.設備工作原理三維模擬演示，強化理解

界面分選是十分重要的礦物分離方法。通常，專業教師會用較多時間講授界面分選的原理、工藝，學生結合專業基礎課程知識，也容易聽懂。根據課程安排，學生在進行專業課程學習時，還沒有現場實習經歷，也沒有看過設備及模型。因此，學生們很難理解機械設備如何為礦物分離創造適合分選的物理場？如何實現多相流體系中物料的分離？以機械攪拌式浮選機充氣原理為例：界面分選是利用礦物表面性質的差異，在氣液界面實現分選。因此，無論何種形式的界面分選設備，必須提供氣體吸入并形成氣泡方法。機械攪拌式浮選機依靠葉輪高速旋轉，在轉子附近形成負壓，空氣從空心軸和套筒吸入，經流體的剪功作用形成氣泡。由于學生未接觸到實際的浮選機，也沒有機會查看浮選機內部結構，往往很難理解氣體如何吸入并形成氣泡。利用三維模型和動畫模擬氣體吸入形成氣泡過程來講解，直觀形象，十分容易理解，起來事半功倍的效果。

4.激發學生專業學習熱情，提升學生設備實際操作技能

專業課程知識點多，涉及面寬，多學科交叉，傳統的課堂教學模式造成學生專業學習積極性不高。采用三模型及動畫模擬，形式新穎，提高了學生專業課學習熱情。如講解浮選機內部流場特性時，過去采用傳統的流線圖，學生不易理解。利用三維模型的流場模擬功能，無需進行流體力學試驗，就可以模擬改變浮選機的結構參數和操作參數，觀察浮選機內部流體速度場和壓力場的變化，結合界面分選的理論來講解這些變化對浮選的影響，大大提高了教學質量，與此同時也培養了學生現場操作技能，加深了流體力學知識的理解，學習積極性顯著提高。

二、三維模型的制作

Solidworks是一個基于特征參數的實體建模三維設計軟件，集零件造型、裝配造型和自動生成二維圖等功能于一體，具有易教、易學和易用的特點。

界面分選設備種類繁多，結構復雜，在制作三維模型時，應遵循從基本體到組合體、從零件圖到裝配圖建模原則構造三維模型。浮選機主要由槽體、刮板、攪拌機構、傳動裝置和溜槽等組成，圖1為利用Solidworks繪制三維模型圖。

三、界面分選原理與工作過程的動畫模擬

動畫模擬主要涉及到兩個方面，即界面分選基本原理的模擬和設備工作過程模擬。三維動畫在多媒體教學過程中具有十分重要的作用，界面分選過程涉及到氣、固、液三相，是一個復雜的物理化學過程。一些微觀反應過程（如氣泡礦化過程）采用單純講述很難講解清楚，借助Flash動畫就很好反映出氣泡礦化三個微觀過程：接觸碰撞、氣泡黏附和氣泡脫附，同時將誘導時間和接觸的概念也解釋十分清楚。此外，周筆暢用Solidworks的流體模擬插件，還可以對分選設備內部流場進行數值模擬，進一步加深學生理解流場在界面分選過程中所起的作用和影響。

對于分選的設備工作過程和調節，我們利用制備了單體設備模型配合動畫模擬物料進入進出，礦漿流量控制、浮選藥劑添加和液位控制等操作，形象地反映生產過程設備工作狀態和物料走向，便于學生理解。

四、三維模型及動畫的網絡應用

專業課程內容豐富，理論性和實踐性強，信息量大，課時緊，在有限的課堂時間內只能將最基礎的界面分選原理和重要的分選設備講解透徹。隨著計算機技術和網絡技術的發展，借助利用校園網絡開發了基于校園網的專業課程動畫演示的網絡系統，學生可以利用課余時間在線觀看設備的三維模型和單元過程動畫模擬，彌補教學時間的不足，有利于學生鞏固課堂知識，取得了很好的教學效果。

五、總結

在專業課程教學過程中引入三維模型和動畫模擬技術，不僅可以提高教學質量，還可以激發學生對專業課堂學習積極性，增強學生的工程實踐能力。

參考文獻：

[1]黃波，解維偉，馬力強.礦物加工工程專業創新型人才培養體系的構建與實踐[J].煤炭高等教育，2013，31（3）：92-94.

[2]江洪，吉維峰.運用三維繪圖軟件Solidworks改革工程圖學教學的實踐[J].工程圖學學報，2004，（01）：109-113.endprint