一種導(dǎo)彈發(fā)射閥教學(xué)講解方法探討*

唐茂華，譚 慶，楚哲宇，伍 洋

(湖南國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 武器裝備技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207)

0 引言

國(guó)內(nèi)外對(duì)二維工程圖向三維實(shí)體重構(gòu)的研究主要面向單個(gè)零件展開。劉念[1]提出了一種通過(guò)二值化、綜合形態(tài)學(xué)去躁、中值濾波、細(xì)化等方法提取輪廓曲線，基于Pro、ToolKit應(yīng)用程序的軸類零件工程圖紙到零件三維模型成型的方法。劉國(guó)華[2]提出了基于工程語(yǔ)義的特征識(shí)別和三維重構(gòu)的方法。李燕[3]對(duì)二維-三維重構(gòu)技術(shù)的原理和發(fā)展進(jìn)行了分析。楊燕燕[4]提出了一種從工業(yè)化設(shè)計(jì)草圖、效果圖或者有關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的外型圖片出發(fā)，進(jìn)行三維重構(gòu)的方法，還提出了面向工業(yè)設(shè)計(jì)的基于幾何和圖像的混合建模方法。黃艷華[5]提出了一種用ObjectARX2002對(duì)AutoCAD進(jìn)行開發(fā)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)三維重建。呂興壽[6]對(duì)矢量化方法的工程圖紙計(jì)算機(jī)處理技術(shù)進(jìn)展與存在的問題進(jìn)行了梳理。2013年清華大學(xué)和以色列Tel Aviv大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了一款名為3-Sweep的軟件，該軟件可以從2D圖片中提取物體的3D信息，無(wú)需拍攝多張照片就可以建立物體的3D模型。該方法的關(guān)鍵之處在于將人類的認(rèn)知能力和計(jì)算機(jī)的精確性結(jié)合到一起，使用者只需用鼠標(biāo)描出物體輪廓，告訴軟件物體的軸線在哪里，然后軟件就可以自動(dòng)提取物體信息，建立3D模型。目前，該軟件在對(duì)煙斗、水杯、水龍頭等單一零件建模上展現(xiàn)出了強(qiáng)大的外輪廓三維重構(gòu)能力，但對(duì)內(nèi)部裝配關(guān)系的表達(dá)還無(wú)相應(yīng)功能模塊[7-15]。

在面向高職學(xué)生進(jìn)行《發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)造》課程講解時(shí)，通常采用的教學(xué)過(guò)程為：老師依托實(shí)物、三維模型、動(dòng)畫和掛圖進(jìn)行理論講解，講解過(guò)程中視情況對(duì)學(xué)生進(jìn)行隨機(jī)提問。整個(gè)教學(xué)活動(dòng)主要是以教師為主體的較為落后的教學(xué)方式，未充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，不是以學(xué)生作為教學(xué)主體。為提高教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生愿學(xué)、易學(xué)、樂學(xué)，本課題提出了一種讓學(xué)生依托二維原理圖進(jìn)行三維建模，然后教師再進(jìn)行輔助講解的授課模式。

1 傳統(tǒng)教學(xué)流程

本文以壓縮空氣彈射發(fā)射閥為例，介紹傳統(tǒng)的教學(xué)流程。傳統(tǒng)教學(xué)流程分為以下兩步：①介紹發(fā)射閥結(jié)構(gòu)組成；②利用二維流程演示圖對(duì)工作原理進(jìn)行講解說(shuō)明。

第一步：介紹發(fā)射閥結(jié)構(gòu)組成。利用如圖1所示的掛圖向?qū)W生介紹該裝置的主要組成。發(fā)射閥是壓縮空氣彈射裝置用于開啟和密閉壓縮空氣的關(guān)鍵部件，其由壓力罐、上隔板、管道Ⅰ、導(dǎo)氣管、活塞、管道Ⅱ和往復(fù)件等組成。

1-壓力罐；2-上隔板；3-管道Ⅰ；4-導(dǎo)氣管；5-活塞；6-管道Ⅱ；7-往復(fù)件

第二步：利用二維流程演示圖(如圖2所示)對(duì)工作原理進(jìn)行講解說(shuō)明。氣體未進(jìn)入管道Ⅰ之前，氣體由管道Ⅱ和空腔Ⅱ到導(dǎo)氣管的通路被活塞阻隔，氣體不能由空腔Ⅱ進(jìn)入導(dǎo)氣管。

圖2 發(fā)射閥發(fā)射過(guò)程

氣體進(jìn)入管道Ⅰ后進(jìn)入空腔Ⅰ，氣體將上隔板、往復(fù)件和活塞往上推，使得貯氣罐內(nèi)部氣體壓力升高，與此同時(shí)氣體由空腔Ⅱ進(jìn)入導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管內(nèi)的氣體被導(dǎo)入至導(dǎo)彈下方，完成對(duì)導(dǎo)彈的彈射。

導(dǎo)彈發(fā)射完成后，導(dǎo)氣管內(nèi)的壓力迅速下降，上隔板、往復(fù)件和活塞在貯氣罐內(nèi)的氣體壓力作用下下降，活塞貼緊導(dǎo)氣管斜面，關(guān)閉空腔Ⅱ到導(dǎo)氣管的氣體通路，完成一次發(fā)射任務(wù)。

2 結(jié)合三維快速建模的教學(xué)流程

由于《發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)造》課程在大二第二個(gè)學(xué)期授課。在人才培養(yǎng)方案中，本校“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)專業(yè)”的學(xué)生大二第一學(xué)期開設(shè)有《SolidWorks應(yīng)用》課程，學(xué)生具備簡(jiǎn)單三維制圖的功底。因此可以考慮在授課過(guò)程中加入短時(shí)間的三維快速建模環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收效果。

結(jié)合三維快速建模的教學(xué)分為以下4步：①向?qū)W生介紹發(fā)射閥結(jié)構(gòu)組成，用時(shí)10 min；②學(xué)生使用教師提供的CAD簡(jiǎn)圖，依托SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行快速建模，用時(shí)10 min；③教師使用學(xué)生繪制的三維模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作原理講解，用時(shí)20 min；④提問和答疑，用時(shí)5 min。

第一步：向?qū)W生介紹發(fā)射閥結(jié)構(gòu)組成。

第二步：學(xué)生使用教師提供的CAD簡(jiǎn)圖，依托UG三維建模軟件進(jìn)行快速建模。建模流程如下：將掛圖照片復(fù)制粘貼到二維制圖軟件中→教師課前對(duì)照片中的主要輪廓線描圖已繪制工程圖并下發(fā)給學(xué)生→學(xué)生將繪制的工程圖導(dǎo)入U(xiǎn)G三維建模軟件，使用拉伸和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)命令快速建模。建模耗時(shí)8 min左右。圖3為依據(jù)發(fā)射閥二維圖進(jìn)行三維快速建模。

圖3 依據(jù)發(fā)射閥二維圖進(jìn)行三維快速建模

第三步：教師使用學(xué)生繪制的三維模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作原理講解。挑選一個(gè)建模比較快速細(xì)致的學(xué)生，借助其構(gòu)建的三維模型，使用3/4剖視圖和軟件中的移動(dòng)命令，對(duì)發(fā)射閥工作過(guò)程中各機(jī)構(gòu)的作用和動(dòng)作進(jìn)行演示。

第四步：答疑。隨機(jī)選擇同學(xué)對(duì)發(fā)射流程進(jìn)行復(fù)述，針對(duì)學(xué)生錯(cuò)誤率較高的節(jié)點(diǎn)，有針對(duì)性地對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)動(dòng)作原理進(jìn)行點(diǎn)撥，及時(shí)解決學(xué)生的疑惑。

3 教學(xué)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了探究新設(shè)計(jì)的教學(xué)流程能否可以大幅度提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果，選擇A、B、C、D四個(gè)前三個(gè)學(xué)期成績(jī)相近的平行班中開展了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。A、B兩班共100人采用傳統(tǒng)教學(xué)方式，C、D兩班共106人采用新的教學(xué)流程。A、B、C、D四個(gè)班，隨堂小測(cè)驗(yàn)正確率分別為76.8%、77%、80.8%和81.5%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)比了傳統(tǒng)導(dǎo)彈教學(xué)設(shè)計(jì)和結(jié)合三維快速建模的教學(xué)設(shè)計(jì)兩種授課模式下的教學(xué)效果，結(jié)果表明后者的教學(xué)效果更佳，學(xué)生通過(guò)親身實(shí)踐既了解了零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，熟悉了零件的名稱，又進(jìn)一步強(qiáng)化了其三維建模能力，且有助于提高學(xué)生的成就感和學(xué)習(xí)興趣。