霍緒堯，王宏祥，陳 曄

基于SolidWorks虛擬實(shí)驗(yàn)素材庫(kù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

霍緒堯，王宏祥，陳 曄

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

為了提高“機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)質(zhì)量，開(kāi)闊學(xué)生專(zhuān)業(yè)視野，本文提出利用SolidWorks三維仿真軟件建立“機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”三維模型素材庫(kù)的方案，介紹了素材庫(kù)的基本組成與架構(gòu)，同時(shí)以自動(dòng)藥品裝盒機(jī)為例，闡述了三維模型素材庫(kù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)素材庫(kù)中素材的學(xué)習(xí)，豐富了專(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到了積極的作用，教學(xué)效果良好。通過(guò)三維模型素材庫(kù)的輔助教學(xué)，可以有效增強(qiáng)師生之間的互動(dòng)，提高課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，是一種行之有效的人才培養(yǎng)方式。

機(jī)械設(shè)計(jì)；虛擬仿真；素材庫(kù)；綜合實(shí)驗(yàn)

“機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”是本科機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)課。課程需要“機(jī)械原理”“機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)”等多門(mén)課程的理論知識(shí)點(diǎn)作支撐，主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行功能原理分析、執(zhí)行系統(tǒng)分析和傳動(dòng)系統(tǒng)分析。而實(shí)驗(yàn)設(shè)備空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生又常常缺乏相關(guān)感性認(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容理解較差，給課堂教學(xué)帶來(lái)了很大的困難[1]。

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）技術(shù)得到了廣泛運(yùn)用，這給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了深刻的變化。根據(jù)《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》的指導(dǎo)精神，遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院在實(shí)驗(yàn)課程改革過(guò)程中，對(duì)“機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行了虛擬仿真方向的改革與探索，并取得了一定的成績(jī)[2]。但是，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，各種新式設(shè)備不斷出現(xiàn)，本科教學(xué)用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也亟待擴(kuò)充。利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，將新式典型設(shè)備進(jìn)行三維建模并歸類(lèi)管理，對(duì)設(shè)備三維模型進(jìn)行虛擬仿真素材庫(kù)建設(shè)并不斷拓展完善，可以有效地改善并彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備陳舊與不足的弊端[3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式可以對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足之處進(jìn)行有效的補(bǔ)充。“機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”是一門(mén)綜合性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程。這門(mén)實(shí)驗(yàn)課程的主旨是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力以及創(chuàng)新能力最高效的途徑。為了更好地?cái)U(kuò)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的途徑和效果，就要使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)高效地融入實(shí)驗(yàn)課程中。建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型素材庫(kù)，是開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的先決條件。它可以為學(xué)生提供豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，拓展學(xué)生的視野，充分發(fā)揮學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的主動(dòng)性，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的目的，同時(shí)也是符合我國(guó)國(guó)情和教育資源現(xiàn)狀的有效途徑[4,5]。

一、當(dāng)前“機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”教學(xué)狀況

目前“機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”在機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)教研室和專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)中心不斷改革、努力探索下，已經(jīng)有了很大程度上的改觀，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，加深了學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐的認(rèn)知，同時(shí)很大程度上強(qiáng)化了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。但是，在授課過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師需要在課上時(shí)間對(duì)當(dāng)次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、教學(xué)目的、設(shè)備原理、操作步驟以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題和安全隱患等做詳盡的課前說(shuō)明。一方面占用了大量的課上時(shí)間，另一方面部分學(xué)生自身對(duì)實(shí)驗(yàn)興趣不大，課前對(duì)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)情況不好，對(duì)實(shí)驗(yàn)了解掌握不足，同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)學(xué)生人數(shù)較多且設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足，只能三到四人一組，很容易造成部分學(xué)生在教師講課時(shí)不聽(tīng)，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)時(shí)投入精力不足、積極性不高，不認(rèn)真做實(shí)驗(yàn)甚至不做實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)象，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。這種授課模式不僅不能激發(fā)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的興趣，有時(shí)還會(huì)把學(xué)生探索知識(shí)的欲望扼殺在搖籃之中。加強(qiáng)機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程的虛擬仿真建設(shè)可以有效地解決上述問(wèn)題。但是，由于本課程虛擬仿真體系剛剛建立，可供學(xué)生使用的虛擬實(shí)驗(yàn)素材不足的缺陷便凸顯出來(lái)。所以，建立一個(gè)內(nèi)容豐富、難易層次分明的虛擬仿真素材庫(kù)，便成為了一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

二、“機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”立體化素材庫(kù)的架構(gòu)

“機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”是一門(mén)綜合性較強(qiáng)、涉獵知識(shí)點(diǎn)較多的實(shí)驗(yàn)課程，需要機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、液壓與氣壓傳動(dòng)以及機(jī)械制造技術(shù)等多門(mén)課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)作為理論支撐，要求學(xué)生具備過(guò)硬的想象能力和空間思維。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如何直觀準(zhǔn)確地向?qū)W生展示實(shí)驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理以及具體零部件裝配細(xì)節(jié)是本門(mén)課程的首要任務(wù)。多數(shù)學(xué)生由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)比較缺乏，都是首次接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而不知從何下手。這就需要使用三維虛擬仿真模型作為教學(xué)工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)展示、功能原理分解，以及執(zhí)行系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)分析。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用現(xiàn)代信息化技術(shù)來(lái)重建實(shí)際設(shè)備的實(shí)驗(yàn)方式，是依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬實(shí)際設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)甚至操作過(guò)程的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)不是脫離和取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，而是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)更好地解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不好解決的問(wèn)題，從而突破教學(xué)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)課程目的，是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的重要補(bǔ)充。為了更好地開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中現(xiàn)存問(wèn)題以及向?qū)W生展示設(shè)備內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)的需要，設(shè)置了如圖1所示的三維模型素材庫(kù)架構(gòu)。

根據(jù)機(jī)械學(xué)院專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，素材庫(kù)主要分為農(nóng)業(yè)機(jī)械、包裝機(jī)械、工程機(jī)械以及常用機(jī)械四大主要模塊，其中以包裝機(jī)械為例，又分為裝箱機(jī)、裝盒機(jī)、填充機(jī)、封口機(jī)、裹包機(jī)等設(shè)備模塊。每個(gè)設(shè)備模塊下根據(jù)不同功能要求細(xì)分出相應(yīng)的子功能模塊。

圖1 虛擬仿真模型素材庫(kù)結(jié)構(gòu)

三、“機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”三維模型和仿真動(dòng)畫(huà)的建立

鑒于SolidWorks三維仿真軟件功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單，三維模型素材庫(kù)采用SolidWorks軟件進(jìn)行三維虛擬建模與裝配，然后使用軟件內(nèi)置的 Cosmosmotio運(yùn)動(dòng)分析功能，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并輸出avi格式的仿真視頻，方便學(xué)生們直觀上理解設(shè)備的功能結(jié)構(gòu)。通過(guò)這些功能，實(shí)驗(yàn)教師可以將虛擬仿真設(shè)備模型的運(yùn)行過(guò)程錄制成視頻，再配以說(shuō)明字幕，在虛擬仿真的視頻中將實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)備的介紹、實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)備的參數(shù)說(shuō)明、實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)備的操作過(guò)程等內(nèi)容分別進(jìn)行說(shuō)明，將實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)備全面地展示在學(xué)生眼前。這樣，學(xué)生就能夠按照自身的需要進(jìn)行篩選觀看，在課前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)以及課后的復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)均能夠有目的地查找到自己想要的知識(shí)點(diǎn)[6]。可以有效強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論結(jié)構(gòu)與設(shè)備模型之間聯(lián)系的理解，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知程度[7]。

本文以自動(dòng)藥品裝盒機(jī)為例，對(duì)立體化模型的建立進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。自動(dòng)藥品裝盒機(jī)主要由7個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，分別是送盒機(jī)構(gòu)、推盒機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、推藥機(jī)構(gòu)、送藥機(jī)構(gòu)、下藥機(jī)構(gòu)以及夾持機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)教師可以引入虛擬仿真的自動(dòng)藥品裝盒機(jī)模型，并將錄制好的自動(dòng)藥品裝盒機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)模型的機(jī)構(gòu)說(shuō)明以及運(yùn)動(dòng)視頻制作成微課，上傳到慕課學(xué)習(xí)平臺(tái)上，運(yùn)用微課視頻的方式來(lái)說(shuō)明自動(dòng)藥品裝盒機(jī)的各部分功能。這能夠使相對(duì)生澀的理論知識(shí)變得形象起來(lái)。學(xué)生通過(guò)觀看微課視頻，能夠有針對(duì)性地對(duì)不明白的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)學(xué)習(xí)，進(jìn)而熟悉并掌握自動(dòng)藥品裝盒機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理[6]。為使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能原理的理解、強(qiáng)化設(shè)備結(jié)構(gòu)與設(shè)備模型之間聯(lián)系，實(shí)驗(yàn)教師可以要求學(xué)生畫(huà)出虛擬設(shè)備的方案簡(jiǎn)圖，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)藥品裝盒機(jī)方案簡(jiǎn)圖

根據(jù)自動(dòng)藥品裝盒機(jī)結(jié)構(gòu)圖并結(jié)合設(shè)備模型，用三維軟件對(duì)其進(jìn)行虛擬零件裝配，三維模型如圖3所示，同時(shí)可根據(jù)自動(dòng)藥品裝盒機(jī)實(shí)際工作情況，對(duì)模型添加動(dòng)力源，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析。方案簡(jiǎn)圖與三維仿真模型的相輔相成，加深學(xué)生對(duì)自動(dòng)藥品裝盒機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理的理解。

圖3 自動(dòng)藥品裝盒三維仿真模型

四、立體化素材庫(kù)的應(yīng)用

“機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”是培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)學(xué)生分析能力與設(shè)計(jì)能力的重要途徑，還是學(xué)生鞏固加深理論知識(shí)的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用三維虛擬仿真模型，可以有效提高學(xué)生課上時(shí)間利用率，把相對(duì)復(fù)雜的空間機(jī)械結(jié)構(gòu)用三維虛擬模型的方式呈現(xiàn)在電腦屏幕上。同時(shí)，學(xué)生可以自己動(dòng)手操作，隨意選擇不同視角來(lái)觀察實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型，使用軟件內(nèi)置的剖面工具對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型在不同平面進(jìn)行剖視操作，更加直觀形象地了解零部件及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。學(xué)生還可以在軟件中虛擬仿真設(shè)備模型的拆裝過(guò)程，使學(xué)生進(jìn)一步了解設(shè)備具體安裝的工藝流程，把復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化、形象化，進(jìn)一步加深對(duì)理論知識(shí)的理解。

以自動(dòng)藥品裝盒機(jī)為例，實(shí)驗(yàn)教師將虛擬仿真模型的操作方式以及說(shuō)明編寫(xiě)成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程指導(dǎo)書(shū)，再把各虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作流程錄制成微課，作為實(shí)驗(yàn)課程的課程資源上傳到慕課平臺(tái)。學(xué)生能夠自主地確定時(shí)間，進(jìn)行在線預(yù)習(xí)，使預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)更有側(cè)重點(diǎn)和針對(duì)性，還能夠和課程教師進(jìn)行線上溝通、留言互動(dòng)，按要求完成實(shí)驗(yàn)的課前預(yù)習(xí)報(bào)告，并作為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)成績(jī)的背景材料[8]。

鑒于實(shí)際設(shè)備拆裝不便，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)難以完全看清，大部分學(xué)生很難理解其具體結(jié)構(gòu)及功能原理，即使有些同學(xué)看懂了設(shè)備工作原理，對(duì)具體細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)仍存在很多疑問(wèn)，而利用圖3所示三維仿真模型，學(xué)生就能很直觀地看清問(wèn)題的本質(zhì)。通過(guò)前期理論知識(shí)的鋪墊，學(xué)生可以通過(guò)對(duì)虛擬仿真的自動(dòng)藥品裝盒機(jī)進(jìn)行放大、縮小、切換視角等操作來(lái)查看各個(gè)部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、連接尺寸及裝配位置等特征，從而對(duì)自動(dòng)藥品裝盒機(jī)有更加實(shí)際客觀的整體認(rèn)知[9]。通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件操作，使原本晦澀難懂的問(wèn)題迎刃而解。利用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)展現(xiàn)在每個(gè)學(xué)生眼前，就可以很容易理清自動(dòng)藥品裝盒機(jī)的工作流程：通過(guò)下藥機(jī)構(gòu)，將藥板從儲(chǔ)料架中分離，使藥板掉入送藥機(jī)構(gòu)中；藥板通過(guò)送藥機(jī)構(gòu)向前移動(dòng)，推藥機(jī)構(gòu)中的推桿由送藥機(jī)構(gòu)帶動(dòng)向前移動(dòng)，與送藥板同步運(yùn)動(dòng)，同時(shí)推桿通過(guò)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，將藥板推入到藥盒中，完成整個(gè)工作過(guò)程。最后，學(xué)生根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成課上實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最終以預(yù)習(xí)報(bào)告、課上實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及答辯的形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行“機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”總成績(jī)的考核[8]。

五、結(jié)束語(yǔ)

使用SolidWorks三維軟件，建立內(nèi)容豐富的“機(jī)設(shè)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”三維模型素材庫(kù)，結(jié)合素材庫(kù)中的仿真模型，有助于學(xué)生深入了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的空間結(jié)構(gòu)及功能原理，提高了課堂教學(xué)效率。通過(guò)建立三維虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景，很好地?cái)[脫了傳統(tǒng)填鴨式的教學(xué)模式，很大程度上簡(jiǎn)化了教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，同時(shí)有效增強(qiáng)了學(xué)生與教師之間的互動(dòng)，很好地提高了教學(xué)質(zhì)量。

[1] 陳春. 《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》多媒體素材庫(kù)的開(kāi)發(fā)與制作[J]. 機(jī)械職業(yè)教育, 2008 (8): 57-59.

[2] 霍緒堯, 符寶鼎.“機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)”課程改革的探索與實(shí)踐[J]. 遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2016, 18(1): 128-130.

[3] 宋建爭(zhēng), 李建軍, 張永強(qiáng). 化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐[J]. 教學(xué)研究, 2014 (3): 107-109.

[4] 蘇旭霞, 劉素楠, 管立新. 開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J]. 科技廣場(chǎng). 2008 (3): 252-254.

[5] 裘建新, 方紹恩, 陸寧. 工科課程教學(xué)素材庫(kù)設(shè)計(jì)與構(gòu)建[J]. 高等工程教育研究, 2004 (6): 87-89.

[6] 張楊. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的MOOC教學(xué)交互模式研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J]. 佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2021,37 (12): 124-126.

[7] 國(guó)秀麗，吳貴軍. 機(jī)械課程立體化素材庫(kù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J]. 機(jī)械管理開(kāi)發(fā), 2012, 128(4): 179-180.

[8] 楊秀萍, 胡文華, 徐曉秋. 液壓專(zhuān)業(yè)課的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]. 液壓與氣動(dòng), 2021,45(11): 112-116.

[9] 焦俊皓, 柏思敏, 潘琳, 等. 基于虛擬仿真技術(shù)的城市軌道電氣系統(tǒng)教學(xué)平臺(tái)[J].輕工科技, 2021,37(12):71-74.

10.15916/j.issn1674-327x.2022.05.031

G642.1

B

1674-327X (2022)05-0111-03

2021-11-29

遼寧省教育廳基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(JJL202015401)

霍緒堯(1985-)，男，山東煙臺(tái)人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。

(責(zé)任編輯：付春玲)