基于SolidWorks虚拟实验素材库的开发与应用

霍绪尧，王宏祥，陈 晔

基于SolidWorks虚拟实验素材库的开发与应用

霍绪尧，王宏祥，陈 晔

(辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001)

为了提高“机设专业综合实验”的教学质量，开阔学生专业视野，本文提出利用SolidWorks三维仿真软件建立“机设专业综合实验”三维模型素材库的方案，介绍了素材库的基本组成与架构，同时以自动药品装盒机为例，阐述了三维模型素材库在实验教学中的应用。在实际教学应用过程中，学生通过对虚拟实验素材库中素材的学习，丰富了专业知识，对创新能力的培养起到了积极的作用，教学效果良好。通过三维模型素材库的辅助教学，可以有效增强师生之间的互动，提高课堂实验教学质量，是一种行之有效的人才培养方式。

机械设计；虚拟仿真；素材库；综合实验

“机设专业综合实验”是本科机械设计专业的综合实验课。课程需要“机械原理”“机械系统设计”“机械设计学”等多门课程的理论知识点作支撑，主要针对实验设备进行功能原理分析、执行系统分析和传动系统分析。而实验设备空间结构复杂，学生又常常缺乏相关感性认识，对实验内容理解较差，给课堂教学带来了很大的困难[1]。

随着电子计算机技术的飞速发展，计算机辅助教学（CAI）技术得到了广泛运用，这给实验教学带来了深刻的变化。根据《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》的指导精神，辽宁工业大学机械学院在实验课程改革过程中，对“机设专业综合实验”进行了虚拟仿真方向的改革与探索，并取得了一定的成绩[2]。但是，随着现代科学技术不断发展，各种新式设备不断出现，本科教学用的实验设备也亟待扩充。利用计算机虚拟仿真技术，将新式典型设备进行三维建模并归类管理，对设备三维模型进行虚拟仿真素材库建设并不断拓展完善，可以有效地改善并弥补实验教学设备陈旧与不足的弊端[3]。虚拟仿真实验的方式可以对实验教学中存在的不足之处进行有效的补充。“机设专业综合实验”是一门综合性较强的专业实验课程。这门实验课程的主旨是通过实验的方式培养学生分析问题、解决问题的能力，是培养学生动手能力以及创新能力最高效的途径。为了更好地扩展实验教学的途径和效果，就要使虚拟仿真实验高效地融入实验课程中。建立虚拟仿真实验设备模型素材库，是开展虚拟仿真实验的先决条件。它可以为学生提供丰富的实验教学资源，拓展学生的视野，充分发挥学生在实验过程中的主动性，从而达到培养学生综合能力的目的，同时也是符合我国国情和教育资源现状的有效途径[4,5]。

一、当前“机设专业综合实验”教学状况

目前“机设专业综合实验”在机设专业教研室和专业实验中心不断改革、努力探索下，已经有了很大程度上的改观，提高了学生自主学习的积极性，加深了学生对工程实践的认知，同时很大程度上强化了学生实践创新能力。但是，在授课过程中，实验指导教师需要在课上时间对当次实验的实验项目、教学目的、设备原理、操作步骤以及实验过程中需要注意的问题和安全隐患等做详尽的课前说明。一方面占用了大量的课上时间，另一方面部分学生自身对实验兴趣不大，课前对实验的预习情况不好，对实验了解掌握不足，同时由于实验学生人数较多且设备台套数不足，只能三到四人一组，很容易造成部分学生在教师讲课时不听，动手实验时投入精力不足、积极性不高，不认真做实验甚至不做实验等现象，无法达到预期的实验教学目的。这种授课模式不仅不能激发学生对专业综合实验的兴趣，有时还会把学生探索知识的欲望扼杀在摇篮之中。加强机设专业综合实验课程的虚拟仿真建设可以有效地解决上述问题。但是，由于本课程虚拟仿真体系刚刚建立，可供学生使用的虚拟实验素材不足的缺陷便凸显出来。所以，建立一个内容丰富、难易层次分明的虚拟仿真素材库，便成为了一个急需解决的问题。

二、“机设专业综合实验”立体化素材库的架构

“机设专业综合实验”是一门综合性较强、涉猎知识点较多的实验课程，需要机械原理、机械设计学、机械系统设计、液压与气压传动以及机械制造技术等多门课程的相关知识点作为理论支撑，要求学生具备过硬的想象能力和空间思维。在实验教学中，如何直观准确地向学生展示实验设备内部结构、工作原理以及具体零部件装配细节是本门课程的首要任务。多数学生由于实践经验比较缺乏，都是首次接触实验设备，而不知从何下手。这就需要使用三维虚拟仿真模型作为教学工具进行结构展示、功能原理分解，以及执行系统、传动系统分析。虚拟仿真实验是应用现代信息化技术来重建实际设备的实验方式，是依托虚拟现实技术模拟实际设备内部结构甚至操作过程的实验模式。同时，虚拟仿真实验的开设不是脱离和取代传统的实验教学方式，而是在传统实验教学基础上，应用虚拟仿真技术更好地解决传统实验过程中不好解决的问题，从而突破教学过程中的重点和难点，进而有效实现课程目的，是对传统实验教学方式的重要补充。为了更好地开展虚拟仿真实验，针对传统实验教学过程中现存问题以及向学生展示设备内部原理结构的需要，设置了如图1所示的三维模型素材库架构。

根据机械学院专业特点，素材库主要分为农业机械、包装机械、工程机械以及常用机械四大主要模块，其中以包装机械为例，又分为装箱机、装盒机、填充机、封口机、裹包机等设备模块。每个设备模块下根据不同功能要求细分出相应的子功能模块。

图1 虚拟仿真模型素材库结构

三、“机设专业综合实验”三维模型和仿真动画的建立

鉴于SolidWorks三维仿真软件功能强大、操作简单，三维模型素材库采用SolidWorks软件进行三维虚拟建模与装配，然后使用软件内置的 Cosmosmotio运动分析功能，对实验设备模型进行运动仿真，并输出avi格式的仿真视频，方便学生们直观上理解设备的功能结构。通过这些功能，实验教师可以将虚拟仿真设备模型的运行过程录制成视频，再配以说明字幕，在虚拟仿真的视频中将实验对象设备的介绍、实验对象设备的参数说明、实验对象设备的操作过程等内容分别进行说明，将实验对象设备全面地展示在学生眼前。这样，学生就能够按照自身的需要进行筛选观看，在课前的预习环节以及课后的复习环节均能够有目的地查找到自己想要的知识点[6]。可以有效强化学生对理论结构与设备模型之间联系的理解，加深学生对理论知识的认知程度[7]。

本文以自动药品装盒机为例，对立体化模型的建立进行简单说明。自动药品装盒机主要由7个执行机构组成，分别是送盒机构、推盒机构、导向机构、推药机构、送药机构、下药机构以及夹持机构。实验教师可以引入虚拟仿真的自动药品装盒机模型，并将录制好的自动药品装盒机各个机构模型的机构说明以及运动视频制作成微课，上传到慕课学习平台上，运用微课视频的方式来说明自动药品装盒机的各部分功能。这能够使相对生涩的理论知识变得形象起来。学生通过观看微课视频，能够有针对性地对不明白的知识点进行重点学习，进而熟悉并掌握自动药品装盒机的结构及工作原理[6]。为使学生进一步加深对实验设备功能原理的理解、强化设备结构与设备模型之间联系，实验教师可以要求学生画出虚拟设备的方案简图，如图2所示。

图2 自动药品装盒机方案简图

根据自动药品装盒机结构图并结合设备模型，用三维软件对其进行虚拟零件装配，三维模型如图3所示，同时可根据自动药品装盒机实际工作情况，对模型添加动力源，进行运动仿真和运动参数分析。方案简图与三维仿真模型的相辅相成，加深学生对自动药品装盒机结构特点及工作原理的理解。

图3 自动药品装盒三维仿真模型

四、立体化素材库的应用

“机设专业综合实验”是培养机械设计专业学生分析能力与设计能力的重要途径，还是学生巩固加深理论知识的重要环节。在实验教学中运用三维虚拟仿真模型，可以有效提高学生课上时间利用率，把相对复杂的空间机械结构用三维虚拟模型的方式呈现在电脑屏幕上。同时，学生可以自己动手操作，随意选择不同视角来观察实验设备模型，使用软件内置的剖面工具对实验设备模型在不同平面进行剖视操作，更加直观形象地了解零部件及实验设备的内部结构。学生还可以在软件中虚拟仿真设备模型的拆装过程，使学生进一步了解设备具体安装的工艺流程，把复杂的问题简单化、形象化，进一步加深对理论知识的理解。

以自动药品装盒机为例，实验教师将虚拟仿真模型的操作方式以及说明编写成虚拟仿真实验课程指导书，再把各虚拟仿真实验的操作流程录制成微课，作为实验课程的课程资源上传到慕课平台。学生能够自主地确定时间，进行在线预习，使预习环节更有侧重点和针对性，还能够和课程教师进行线上沟通、留言互动，按要求完成实验的课前预习报告，并作为实验预习成绩的背景材料[8]。

鉴于实际设备拆装不便，导致内部结构细节难以完全看清，大部分学生很难理解其具体结构及功能原理，即使有些同学看懂了设备工作原理，对具体细节结构仍存在很多疑问，而利用图3所示三维仿真模型，学生就能很直观地看清问题的本质。通过前期理论知识的铺垫，学生可以通过对虚拟仿真的自动药品装盒机进行放大、缩小、切换视角等操作来查看各个部件的内部结构、连接尺寸及装配位置等特征，从而对自动药品装盒机有更加实际客观的整体认知[9]。通过简单的软件操作，使原本晦涩难懂的问题迎刃而解。利用计算机虚拟技术展现在每个学生眼前，就可以很容易理清自动药品装盒机的工作流程：通过下药机构，将药板从储料架中分离，使药板掉入送药机构中；药板通过送药机构向前移动，推药机构中的推杆由送药机构带动向前移动，与送药板同步运动，同时推杆通过导向机构，将药板推入到药盒中，完成整个工作过程。最后，学生根据虚拟仿真实验任务完成课上实验报告，最终以预习报告、课上实验报告以及答辩的形式对学生进行“机设专业综合实验”总成绩的考核[8]。

五、结束语

使用SolidWorks三维软件，建立内容丰富的“机设专业综合实验”三维模型素材库，结合素材库中的仿真模型，有助于学生深入了解实验设备的空间结构及功能原理，提高了课堂教学效率。通过建立三维虚拟实验教学场景，很好地摆脱了传统填鸭式的教学模式，很大程度上简化了教师的实验教学过程，同时有效增强了学生与教师之间的互动，很好地提高了教学质量。

[1] 陈春. 《机械设计基础》多媒体素材库的开发与制作[J]. 机械职业教育, 2008 (8): 57-59.

[2] 霍绪尧, 符宝鼎.“机械设计专业综合实验”课程改革的探索与实践[J]. 辽宁工业大学学报(社会科学版), 2016, 18(1): 128-130.

[3] 宋建争, 李建军, 张永强. 化工虚拟仿真实验教学探索与实践[J]. 教学研究, 2014 (3): 107-109.

[4] 苏旭霞, 刘素楠, 管立新. 开展虚拟仿真实验促进实验教学改革[J]. 科技广场. 2008 (3): 252-254.

[5] 裘建新, 方绍恩, 陆宁. 工科课程教学素材库设计与构建[J]. 高等工程教育研究, 2004 (6): 87-89.

[6] 张杨. 基于虚拟现实的MOOC教学交互模式研究与系统实现[J]. 佳木斯职业学院学报, 2021,37 (12): 124-126.

[7] 国秀丽，吴贵军. 机械课程立体化素材库开发与应用[J]. 机械管理开发, 2012, 128(4): 179-180.

[8] 杨秀萍, 胡文华, 徐晓秋. 液压专业课的虚拟仿真实验教学[J]. 液压与气动, 2021,45(11): 112-116.

[9] 焦俊皓, 柏思敏, 潘琳, 等. 基于虚拟仿真技术的城市轨道电气系统教学平台[J].轻工科技, 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

辽宁省教育厅基础研究项目(JJL202015401)

霍绪尧(1985-)，男，山东烟台人，高级实验师。

(责任编辑：付春玲)