三维可视化对矿物加工专业课程教学的融合与促进

李吉辉 黄根 黄波 马力强

［摘 要］ 在新工科建设和多学科交叉融合教学的背景下，在专业内构建多个课程群，使相关课程的教学深度交叉融合具有重要意义。通过矿物加工工程专业“三维设计”“过程流体机械”“选煤（矿）厂设计”等课程交叉融合教学的实践和总结，发现课程交叉和知识融合可以令相关课程中抽象、深奥、枯燥的知识变得形象、简单和有趣，使得教师和学生都得到更好的教与学的体验，提升了课程间深入融合产生的教与学相互促进和提升学生解决复杂问题能力的效果，为推动高校多课程交叉融合和课程群建设提供借鉴。

［关键词］ 三维设计；矿物加工；课程融合

［基金项目］ 2020年度中国矿业大学（北京）本科教育教学改革与研究项目（J200405）

［作者简介］ 李吉辉（1987—），男，河南荥阳人，博士，中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院副教授，主要从事矿物加工原理、工艺及设备研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）32-0005-04 ［收稿日期］ 2022-10-21

引言

在国家重大战略需求驱动下，多学科交叉汇聚与多技术跨界融合成为常态，并不断催生出新学科前沿、新科技领域和新创新形态［1］。多学科交叉融合，是指跨学科、多学科的学科交叉融合的研究、教学、应用。在新工科建设和多学科交叉融合教学的大背景下，在专业内构建多个课程群，使相关课程的教学深度交叉融合具有另一个维度的重要性［2-4］。

三维设计具有所见即所得，可以提高设计质量、减轻设计工作量等优势，在科学、技术、工程、人文艺术等方面具有辅助跨学科教学的巨大潜力，有助于教师和学生将一定的想法或创意快速付诸实践，并且可以贯穿教学的不同阶段［5］。采用三维软件辅助设计来逐步代替二维设计是行业未来的必然趋势。目前常用的三维计算机辅助设计软件有AutoCAD、SolidWorks、Bentley、3D Max、SketchUp等，可支持工程图自动关联、三维模型参数变化自动调整、协同工作、碰撞检查、模型预览与出图等功能。对于矿物加工工程专业而言，除了三维工厂建模、可视化设计等功能外，很多软件还具备作业过程模拟、虚拟漫游等多种功能，是提高设计过程的有效手段［6］。

本文介绍了作者在矿物加工工程专业教学实践中探索出的一些教学方法和思考，对“计算机三维设计（SolidWorks）基础”（以下简称“三维设计”）、“过程流体机械”、“选煤（矿）厂设计”等课程教学的交叉融合和促进进行阐述，以期抛砖引玉，为推动高校多课程交叉融合和课程群建设、培养学生解决复杂问题的能力提供借鉴。

一、三维可视化在“过程流体机械”课程中的交叉融合

矿物加工工程专业所讲授的“过程流体机械”课程，主要内容包括往复式压缩机、离心式压缩机、离心泵等机械的典型结构、工作原理、工作特性、选用原则及选型计算等，而上述机械的典型结构和工作原理是其他内容的基础。作者深度参考和对比了目前市面上的多本教材，发现不同教材对典型结构和工作原理的文字描述部分趋于成熟，但是插图的直观性不高，多数插图为二维示意图。分析其原因，不外乎实物拆解素材缺乏，导致内部结构照片难以获得。此问题的存在，对于第一次接触此类机械的学习者，或者渴望深入掌握相关设备内部结构与工作原理的高级学者，都造成了一定的障碍。

而三维建模可以较好地解决这一问题。比如，对于压缩和膨胀过程较抽象的往复式压缩机工作过程，在三维基础课程中，作者带领学生对打气筒这一简单、常见的典型案例进行了拆解和建模（如图1所示），让学生深入了解了工作腔、活塞、活塞杆、气阀等结构，另外通过动画制作功能中的马达功能，实现打气筒运动部件的往复运动，使学生能够深入了解往复压缩机的运动过程，更加深刻地了解到工作容积与余隙容积等抽象的概念和关系，对往复压缩机的设计调整和运行调节具有更形象的认识。

与“过程流体机械”内容较相似的还有“化工原理”“物理化学”“流体力学”等基础课程，如果能够在“三维设计”课程中进行建模和仿真运动，将是对学习内容非常好的反刍，可使学生重新认识学过的相关知识点，产生幡然醒悟一般的新高度認知。

二、三维可视化在“选矿机械”课程中的交叉融合

作为计算机辅助设计工具，三维设计软件对机械类课程具有天然的衔接能力和辅助功能。矿物加工工程专业所讲授的“选矿机械”课程，主要内容包括破碎设备、筛分设备、离心脱水设备、运输提升设备等。主要教学目标为掌握上述机械的典型结构、工作原理、工作过程和运行调节等。

对于非机械类学生，三维可视化对“选矿机械”课程的促进效果更是显而易见。课程中，作者指导学生进行了多种选矿设备的三维建模（如图2所示），并实现了简单的运动仿真。学生反馈，设计过程中就像亲手制作零部件、组装成整机，并且实现驱动一样，印象非常深刻。学生对这些原本陌生设备的基本结构、主要部件、零部件装配关系、工作原理和过程等有了形象的认识。通过建模和运动仿真训练，学生更加深刻地理解和记忆了相关概念和知识点，并且能够提出很多结构改造和优化思路，学生的创新思维也得到了强化。

三、三维可视化在“选煤（矿）厂设计”课程中的交叉融合

“选煤（矿）厂设计”是矿物加工工程专业的核心必修课，是本科教育中的重要组成部分。设计过程涉及大量数据计算、图形绘制、设计规范和设计经验的应用。计算机辅助设计的熟练掌握是提高设计效率和设计质量的基础。但是实践表明，传统二维设计存在模块化、设计规范和经验处理不成熟、设备配置自主化和可视化程度低、信息传达抽象且局限、沉浸感缺乏等缺点［7］，这不仅会限制设计质量与速度的提升，而且容易造成信息传达的错误。

近年来，在毕业设计环节，作者指导学生对选煤（矿）厂的三维可视化设计进行了初步探索。学生在“三维设计”课程当中掌握的建模、装配设计、工程图等知识为这一环节打下了良好的基础。毕业设计中，学生在“三维设计”空间内按照规范构建厂房，然后根据自己的资料整理与计算、制定和优选的分选工艺流程对选定设备进行统筹布置及不断优化。在传统的二维设计过程中，同一设备的三个视图间的布置关系转换对很多学生是个考验，对多个设备在空间布置的合理性、上下设备之间物流的通顺性、设备周边预留检修空间等指标更是难以判断。而在“三维设计”空间内（如图3所示），类似上述一些之前很困难的操作都变得非常简单：对于不同视角设备的外形图的确定与布置已然不用考虑；设备的空间关系是否合理也可以通过剖视图的定性判断和各种虚拟测量工具定量分析和调整；物料流通和运输的可行性也可以通过虚拟管道和溜槽铺设等实现可视化评估。类似超越二维设计的便利之处不胜枚举。

作者发现，在三维可视化技术辅助下的“选煤（矿）厂设计”，可很好地融合设计过程数字化与集成化，解决传统二维设计方法难以实现的多专业协同设计、计算与绘图难以有效结合、可视化设计过程不强等实际问题。“三维设计”更直观和清晰地反映工程设计结果，但从二维图形设计到三维图形设计，不仅仅是软件、模型和数据的进步，还有设计流程和模式的变革。“三维设计”使选矿设计结果更加精确和合理，设计成果无碰撞情况，材料统计更精确，可减少因设计而产生的返工次数［7-9］。

“三维设计”更加直觀的表达方式可让学生更快克服绘图本身带来的干扰，利于将精力更多地投入“选煤（矿）厂设计”的核心工作，以更好地实现“选煤（矿）厂设计”的教学目标。

四、课程深入交叉融合有利于学生解决复杂问题能力的提高

本科专业课堂应该培养学生学习的方法，对学习过程的享受，以及辩证地、全面地分析问题和有效地解决问题的能力。要解决一个问题、完成一件作品，依靠单一的课程知识往往是不够的。跨课程能力是指面对无法靠单一课程知识来解决的真实复杂问题时，综合运用两个或多个课程知识和思维分析情境来解决问题的能力，是21世纪的重要高阶思维能力，关乎学生如何应对现实生活和工作中非常规情景下的复杂、综合问题。

三维建模逐渐替代二维制图，成为当代学生所需要掌握的一项基本技能，有助于学生提升解决复杂问题的能力。真实问题场景中，很多问题并不是只属于一个学科，而是综合性的问题。这种真实问题的解决不仅可以提升学生抽象问题、解决问题的能力，还可以全方位地培养学生的核心素养，推动新认知、新产品的出现，能够在此基础上完成创新与创造，这也是课程群建设的初衷。作者通过实践发现，“三维设计”有利于相关课程之间的融会贯通，以专业课程中出现的现实问题的研究和解决为依托，带领学生超出单课程研究的视野，全面认识与解决复杂问题或课题，使任课教师和学生共同培养出明确的、整合的研究方法与思维范式。

五、课程交叉融合与相互促进是课程群建设的基础

相关课程之间能够有机结合，融合之后彼此促进，产生化学反应，收到“1+1＞2”的成效，是实现课程群建设的基础。笔者将“三维设计”课程与“过程流体机械”“选矿机械”“选煤（矿）厂设计”等课程相互交叉的尝试，实现了将“三维设计”课程中习得知识立即转为专业应用的目的，让学生对“三维设计”产生更加浓厚的兴趣和认同感，也让相关机械和设计类课程中原本抽象、深奥、枯燥的知识变得形象、简单和有趣，以实践验证了课程间的深入融合产生的效果。

结语

通过矿物加工工程专业“三维设计”与“过程流体机械”“选煤（矿）厂设计”等课程的交叉融合的论述与分析，发现通过课程交叉、知识融合，令相关课程中抽象、深奥、枯燥的知识变得形象、简单和有趣，使得教师和学生都得到更好的教与学的体验，以实践验证了课程间的深入融合产生的相互促进效果，并且有助于学生解决复杂问题能力的培养，为推动高校多课程交叉融合和课程群建设提供借鉴。

参考文献

［1］刘克中，刘敬贤，方力，等.学科交叉融合驱动下的水路交通领域研究生培养实践［J］.航海教育研究，2021，38（1）：1-5.

［2］钮树芳，郭晶晶，丁玲.“互联网+教育”背景下药学专业分析化学课程群建设研究［J］.广州化工，2021，49（17）：232-233.

［3］李发国，岳慧君.工程教育专业认证背景下材料类课程群实施课程思政的教学改革研究［J］.广东化工，2021，48（16）：329-331.

［4］张盛楠，马啸雨，于海申，等.“新工科”背景下应用型大学给排水专业智能化课程群建设探索［J］.土木建筑工程信息技术，2021，13（5）：96-101.

［5］仇森.基于三维设计的跨学科思考［J］.中小学教材教学，2021（9）：53-56+71.

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［7］王雨琦，郑高华，王毓华，等.选矿厂计算机辅助设计（CAD）与虚拟现实技术应用现状及展望［J］.黄金科学技术，2021，29（5）：729-739.

［8］陈荣香，欧阳霞嫦.三维设计技术在选矿设计中的应用［J］.湖南有色金属，2020，36（3）：14-16+25.

［9］于云龙.三维设计系统在选矿厂设计中的应用［J］.矿业装备，2018（5）：74-75.

Integration and Promotion of 3D Visualization to Mineral Processing Specialty Course Teaching

LI Ji-hui， HUANG Gen， HUANG Bo， MA Li-qiang

（School of Chemical & Environmental Engineering， China University of Mining and Technology -Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract： Under the background of “Emerging Engineering Education” construction and interdisciplinary teaching， it is of great significance to construct multiple course groups within the major so that the teaching of relevant courses has deep integration and promotion. From the teaching integrations practice and summary of Three-dimensional Design， Process Fluid Machinery， and Coal Preparation （Mine） Factory Design of mineral processing engineering， found that course cross and knowledge fusion can make relevant courses in the abstract， profound， boring knowledge become image， simple and interesting， make teachers and students experience a better experience of teaching and learning. It verifies the mutual promotion of “teaching and learning” and the improvement of students ability to solve complex problems by the deep integration of courses. This paper provides a reference for promoting the cross-integration of multiple courses and constructing courses group in colleges and universities.

Key words： three-dimensional design; mineral processing; course integration