基于三維建模的機械專業實訓教學系統設計

武漢船舶職業技術學院 李迎飛

針對機械專業實訓教學質量低下，提出了基于三維建模的機械專業實訓教學系統設計。構建機械專業實訓教學數據庫，利用三維建模技術創新教學模塊，設計主體教學功能模塊。通過實驗效果驗證得出，基于三維建模的機械專業實訓教學系統能夠大大提升教學質量，激發學生學習興趣。

在當今社會活動中，最為重要的就是教育。人們越來越重視孩子的教育。利用計算機科學技術對教育進行設計改革是如今十分熱門的話題。教育在信息科技下的改革體現在科學技術與教育課程的結合，培養創新型人才。在互聯網時代的加持下，教育教學逐漸網絡化、智能化。

機械專業是傳統的工科類專業，在學習過程中需要不斷進行實踐，才能夠提升自身的專業素養，為今后的工作和學習打下堅實的基礎。在傳統的教學課程中，課上學習時間不能很好地被利用起來，學生在課堂上不能有效的吸取知識。尤其是專業實訓課程，因為教學時間的限制，不能保證每個學生都能親自上手進行操作，這就導致了教學質量大打折扣。

在此基礎上，本文提出基于三維建模的機械專業實訓教學系統設計。利用三維建模技術，對機械實訓教學進行創秀優化，學生能夠通過三維建模技術進行機械實踐操作。鞏固所學知識，提升機械專業教學質量。

1 基于三維建模的機械專業實訓教學系統設計

1.1 硬件設計

基于三維建模的機械專業實訓教學系統的設計依賴于良好軟件環境與匹配的硬件設備。三維建模是基于微軟Windows系統開發，需要DirectX插件來運行，而Windows系統一般自帶DirectX插件，使用Windows系統的計算機都可直接運行。

本文所設計的基于三維建模的機械專業實訓教學系統運行時采用CPU為Pentium4G、運行內存為256GB、儲存內存為512GB的計算機。其中為了保證系統的運行流暢，外接一個內存為1M的移動硬盤。另外，保證計算機音頻輸出設備，鼠標、鍵盤輸入設備正常使用。

1.2 構建機械專業實訓教學數據庫

由于在機械專業的實訓教學過程中會用到許多物件的構造數據，為了保證教學質量和效率，需要建立合理的數據庫來儲存龐大的信息。

針對不同種類的建立儲存模塊。將采集到的數據分類標號輸入到模塊中。在不同構建中自定義序號，設置主鍵，建立零件數據表格，將構建中的標注信息和圖片模型等信息輸入到數據庫中，同時在數據庫中構建一個外界數據源，方便學生在使用數據時能夠對數據進行個性化修改。

數據庫采用了模塊化的方式進行構建，模塊化的方式開發，有助于降低程序的耦合性，提高聚合度。通過數據庫實現數據交互，降低了開發難度。同時，開發的獨立性也使得開發更有效率。并能夠根據學生修改的數據實時動態調整，讓學生能夠理解答案結合實踐的效果。

1.3 基于三維建模機械專業實訓教學系統軟件功能設計

設計三維建模教學功能。SolidWorks 三維建模技術是本文所設計系統的主要技術支撐之一。機械設計基礎教學輔助系統設計的關鍵問題是對本課程中眾多的三維模型進行制作和動態模擬，力求通過軟件技術實現教學素材虛擬化，并建立起完整的素材庫，為后續的系統制作、虛擬技術集成做好準備。

機械專業在實訓教學中龐大的工作量決定本文所設計的系統需要選擇簡單易學，同時又方便數據管理和發布的SolidWorks軟件技術，再加上SolidWorks組件多、參數化建模二次開發功能強大，這對齒輪傳動三維建模來說是高效、高質量的。

為了加強學科聯系和知識鏈接，可在本系統中大量運用機械裝配工程圖，加強學生對機械制圖知識的運用。SolidWorks軟件技術不僅提供了豐富的三維建模和動態模擬技術，還能快速生成完整符合實際產品設計的工程圖，并對工程圖中參數進行動態管理，方便于使用者根據自己的意愿進行修改。

由于Solidworks設計樹功能強大，加之機械基礎虛擬教學系統中涉及的齒輪、輪系、機械傳動等三維模型繁多，選用此軟件，可以提高機械基礎課程中三維實例的三維建模的工作效率。

設計三維模型外觀渲染。使用SolidWorks軟件技術的內部插件PhotoWorks技術，該功能使得機械基礎教學輔助系統中的教學素材圖片、零件外觀色彩、裝配體模型更加形象生動。動感真實的圖片使得本系統設計具有很強的藝術性。SolidWorks學習簡單，操作方便，只要懂得了此軟件的基本繪圖結構原理以及三維放樣特征，就能快速創建你想要的三維實體模型以及外觀造型。

三維建模其實就是一個“基準面、二維工程圖、特征功能實體造型”循序漸進的過程。建立模型的開始得自定義一個二維工程圖的基準面，即草繪基準面，草繪基準面可以是SolidWorks中原始的三坐標，也可以根據零件的特征重新創建基準面。如齒輪的三維建模：先在基準面上通過圓，構造線等繪制齒輪零件的輪腹、輪齒的二維截面圖，然后通過陣列造型生成所有輪齒。二維截面圖畫好后然后再根據特征功能，通過拉伸特征陣列以及打孔等操作來實現實體的制作。如果在使用過程中需要發布零件的二維工程圖，不要擔心因三維模型的改變而影響二維工程圖。因為SolidWorks環境下無論使用者是在修改三維模型還是在修改二維工程圖，SolidWorks后臺都會自動完成所有尺寸的調整，包括裝配體零件。零件建模過程，如圖1。

圖1 零件建模過程Fig.1 Part modeling process

現在主流的CAD/CAM技術中，絕大數三維軟件都具有裝配體技術功能。主要是為使用者提供比較完整的大型機械設計的設計平臺。使用者可以在虛擬軟件空間快速對機械進行裝配，并對裝配的配合度、零部件的設計結構、設計尺寸進行反復修改、調整，最終高效的完成產品零件的造型和內部結構設計。在SolidWorks環境下裝配零件。

（1）創建好了一個裝配圖文檔，在裝配體工具欄上單擊新零件并插入要裝配的零部件。插入完所需的零部件之后，根據零件之間的相對關系，選擇基準面、基準軸、基準孔等作為裝配參考，根據自己的需要配合好零件。

（2）設計機械傳動演示視頻分析功能。由于在Solid Works中對機械基礎教材上的機械傳動進行三維動態建模的。但為了可以更準確地控制機械傳動并加上同頻率的音頻介紹，我們把機械傳動的三維動態視頻保存導出。再使用錄制視頻功能，并將視頻格式保存為AVI視頻格式，設置視頻的大小之后保存，然后使用格式轉換軟件將其轉換為FLV格式。接著導入到Flash里面，在文件中建立一個新的圖層，并添加錄制完備的內容講解音頻，再借助Flash流線控制特征，對嵌入到Flash里面FLV動畫和音頻的每一幀動畫進行編輯，使音頻中的內容講解和機械傳動動態模擬同步。這樣輔助教學系統里面的模擬視頻就制作完成了。

（3）主體教學功能設計。輔助教學系統提供了機械基礎全書的章節大綱、理論知識要點、章節習題課測評和講解。課程上涉及的實例場景以及相關的生活實例場景和知識拓展。老師和學生只需鼠標雙擊事件圖標，就能進入系統初始界面。如圖2所示，主體教學功能運行流程。

圖2 主題教學功能運行流程圖Fig.2 The flow chart of the operation of the theme teaching function

在初始界面上任意位置單擊鼠標事件就能進入系統的學習界面。教學過程中找到文件夾，雙擊圖標，進入初始界面，在初始界面任意位置單擊鼠標左鍵就能進入輔助教學系統的主體界面。單擊章節圖標，系統將在右上方彈出本章的學習內容。單擊右上方菜單欄目“歷史發展”，系統在左上方首先自動彈出本課程的學習的初始界面。單擊下頁按鈕，系統將展示機械基礎發展的基本過程。

學習完課程后，可將鼠標移動到課程性質上，由于每個圖標都是一個鼠標觸發事件，并增加了背景音樂，因此很容易引起學習者注意。直接單擊課程性質，系統播放窗口將自動跳轉播放內容，學習都只需單擊下頁按鈕就能完成課程性質的學習。

（4）章節檢測和學習思考。

2 實驗論證分析

為了驗證本文所設計的基于三維建模的機械專業實訓教學系統能否有效的提升教學質量，于是進行對比實驗進行驗證。選取某大學的機械專業班級作為研究試驗對象，一個班利用本文所設計的基于三維建模的機械專業實訓教學系統進行教學，另一個班采用傳統的機械專業實訓教學方式進行教學，兩個班選取相同的課程進行實訓教學，最后縱向對比學生的學習效果。

將利用本文所設計的基于三維建模的機械專業實訓教學系統進行教學的地點選擇在A班教室，A班教室是一般的學生上課場所，學生的電腦提前安裝好本文所設計的系統并激活資源，選取教學內容對應的模塊進行學習。B班同學由老師帶領到實地參加機械專業實訓。

（1）A班的同學，點擊進入所要學習的課程界面，教學過程中找到文件夾，雙擊圖標，進入初始界面，在初始界面任意位置單擊鼠標左鍵就能進入輔助教學系統的主體界面。單擊章節圖標，系統將在右上方彈出本章的學習內容。

（2）根據教學內容，打開SolidWorks2009點擊新建，點擊零件。繪制長方形基本的二維草圖，使用三維拉伸切命令創建回轉副零件的三維實體，繼續畫線，點擊“矩形”按鈕，繪制一個15mm×45mm矩形。修改草圖。點擊右鍵刪除矩形在圓內的一邊。點擊拉伸切除命令，選擇切除外面的基體。隨后創建直徑為12mm的三維通孔。點擊“顏色”按鈕，設置零件的外觀顏色。機械零件創建完成。

（3）根據所學知識不斷調整零件數據。教師能夠通過教師端對學生的學習情況進行實時掌握。學生端的同學們沉浸探索、得出課程結果，最后利用云評價對于本堂課進行評價反思。

在整個教學過程中，教師端是導入者的角色，帶學生端的學生進入情境。在整個實踐過程中最重要的一步驟就是利用三維建模對機械零件設計，進行沉浸探索，真正體驗機械零件構造的整個過程，課程結束后將實踐過程總結歸納，課程結束后對課程進行評價反思。

采集學生課后評價，大多數使用傳統方法進行寫實訓教學的同學反映，課程學習任務繁雜，時間緊迫，不能很好吸收教學知識，不能每個同學都上手進行時間操作。采用本文所設計的基于三維建模的機械專業實訓教學系統進行學習的學生反饋，對實踐教學系統的沉浸式教學的興趣濃厚，幾乎每個學生完成任務后都不舍得離開系統，渴望繼續嘗試章節的課程學習，在課程實踐中學生對三維建模模塊產生了十分濃厚的興趣，很配合教師的教學實施，很樂意嘗試教學系統的機械實訓。每個同學都能夠根據所學內容進行操作練習。

3 結語

在機械專業實訓教學過程中，很多學校不能夠提供足夠的場地供學生進行實際操作。這樣就使得學生學習效果大打折扣。本文所設計的基于三維建模的機械專業實訓教學系統，通過三維建模技術，設計出低成本、高效率的教學系統。通過軟件和硬件的配合為學生打造專屬的操作臺，提升學生操作經驗。為機械專業實訓教學提供了良好的平臺，大大增加了學生的學習質量。但由于時間限制，本文沒有進行多次試驗，還需要在今后的研究中不斷完善。