基于Solid Works的過程流體機(jī)械微課設(shè)計(jì)

許桂英，劉 浪，胡團(tuán)橋，王 山，王聰哲，張成偉，黃 灶，周子杰

(重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 401320)

1 引言

伴隨我國過程工業(yè)的發(fā)展，逐漸突顯出過程裝備與控制工程這門學(xué)科的重要性，過程工業(yè)的持續(xù)發(fā)展關(guān)鍵在于人才的創(chuàng)新能力，而如何培養(yǎng)出社會(huì)需要的過控新型人才已成為熱門話題。過程流體機(jī)械作為過程裝備與控制工程專業(yè)主干核心課，其教學(xué)效果將直接影響整個(gè)專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量。因此，為適應(yīng)當(dāng)代教育改革潮流的需要和學(xué)生的實(shí)際需求。本文通過建立微課結(jié)合建模軟件和3D打印技術(shù)，來應(yīng)用于過程流體機(jī)械乃至整個(gè)專業(yè)課的教學(xué)中。

2 傳統(tǒng)過程流體機(jī)械教育存在的弊端

多年來，傳統(tǒng)教學(xué)重點(diǎn)是能否掌握教材，往往在課堂上通過反復(fù)灌輸、重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)、大量練習(xí)的方法來迫使學(xué)生對(duì)課程繼續(xù)學(xué)習(xí)。長此以往，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與學(xué)習(xí)主動(dòng)性逐漸下降。尤其是進(jìn)入大學(xué)以后，成年人的思維讓大學(xué)生不再像之前那般遵從教師的思維[1]。事實(shí)上，每一個(gè)人不管是個(gè)性和思維方式等方面都是存在明顯差異的，一個(gè)班的學(xué)生接受知識(shí)的能力也往往參差不齊，而在傳統(tǒng)教學(xué)上，老師往往只能顧及到部分學(xué)生，甚至前排零星的幾個(gè)學(xué)生。

另外在過去數(shù)十年的教育信息化發(fā)展中，傳統(tǒng)的課堂實(shí)錄式的視頻教學(xué)視頻可以說并不算少，許多名校都愿意將本校的優(yōu)勢(shì)課程錄制下來作為教學(xué)視頻廣泛地進(jìn)行交流[2]。但由于傳統(tǒng)教學(xué)視頻僅僅是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的數(shù)字化，存在時(shí)間長、內(nèi)容多、連貫性大的問題，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)寬帶、硬件存儲(chǔ)等都有較高的要求。導(dǎo)致學(xué)生的課余時(shí)間被大量占用，極大地降低了學(xué)習(xí)效率，容易出現(xiàn)學(xué)習(xí)模式僵化、學(xué)習(xí)主動(dòng)性降低以及學(xué)習(xí)興趣喪失等問題。

3 微課用于過程流體機(jī)械的可行性

微課(Microlecture)是指內(nèi)容短小、集中解釋說明一個(gè)問題的小課程[3]。由美國某大學(xué)開創(chuàng)，并于1970年正式引入美國的課程改革。而微課在我國是由佛山市教育局信息中心的胡鐵生老師帶頭使用的，他通過對(duì)我國現(xiàn)有教育信息資源利用率低下的問題進(jìn)行分析，率先提出來利用微課這種

全新的教育模式完善傳統(tǒng)教育的不足[4]。微課在如今微型化、碎片化、移動(dòng)化的學(xué)習(xí)趨勢(shì)下，可以滿足廣大學(xué)習(xí)者的個(gè)性化需求。就流體機(jī)械課程中所介紹的三大類機(jī)械(泵，壓縮機(jī)，分離機(jī))而言，教師在教學(xué)過程中也往往難以找到足夠多的教學(xué)模型與教學(xué)視頻。一個(gè)重要原因便是這三大類機(jī)械雖然原理大同小異，但機(jī)械種類細(xì)分較多，以致在課堂上無法一一舉例和說明。而這教師就可以通過5分鐘左右的微課介紹單一流體機(jī)械的結(jié)構(gòu)和原理。既充分利用課前、課間零碎時(shí)間又進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)流體機(jī)械的認(rèn)知與理解。

4 流體機(jī)械中微課的運(yùn)用

4.1 solidworks計(jì)算機(jī)建模與裝配

對(duì)于流體機(jī)械設(shè)備的實(shí)物的視頻錄制雖然可以讓學(xué)生了解機(jī)械實(shí)物，但往往只能看到其外觀，不能看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而對(duì)機(jī)械的拆機(jī)通常比較復(fù)雜，為了介紹其簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)原理而進(jìn)行拆解顯得得不償失，所以，通過solidworks進(jìn)行建模得到精確的模型，用數(shù)字模型模擬仿真的形式介紹流體機(jī)械就比較方便了。在這里我們利用solidworks軟件對(duì)齒輪泵中的機(jī)械進(jìn)行相應(yīng)的三維立體建模，齒輪泵裝配效果圖(圖1)。

圖1 齒輪泵裝配效果圖

4.2 solidworks圖片渲染

Solidworks的一大特色就是利用軟件中包含的animator插件[5]，可以簡(jiǎn)單方便地生成工程機(jī)構(gòu)的演示動(dòng)畫，讓原本呆板的設(shè)計(jì)圖紙變成鮮活的動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能展示。在solidworks中，通過運(yùn)動(dòng)算例功能可以快速完成機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)動(dòng)及動(dòng)畫設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)算例可以模擬圖形的運(yùn)動(dòng)及裝配體中的部件直觀屬性，并生成基于Windows的avi視頻文件[6]。而裝配體運(yùn)動(dòng)模擬是通過添加馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)來控制裝配體的運(yùn)動(dòng)，或者決定裝配體在不同時(shí)間時(shí)的外觀。通過設(shè)定鍵碼點(diǎn)，可以確定裝配體運(yùn)動(dòng)從一個(gè)位置到另一個(gè)位置所需的順序。緊接著圖片渲染利用solidworks中的photoview360插件[7],在渲染工具中可以設(shè)置渲染的尺寸與質(zhì)量，圖片尺寸一般選取1080×1920以便于后期視頻編輯，還可以設(shè)置外觀的材質(zhì)顏色以及布景，隨后添加相機(jī)和光源同時(shí)可以調(diào)整模型的位置即可開始的最終渲染，渲染的時(shí)長由渲染的質(zhì)量與尺寸決定[8]，往往幾十秒到十幾分鐘不等，渲染完成后即可得圖示精美圖片(圖2)。

圖2 渲染后的齒輪泵圖

4.3 solidworks仿真動(dòng)畫

制作過程是依靠solidworks包含的animator[9]，通過新建裝配體或者打開已有的裝配體，點(diǎn)擊界面中動(dòng)算例按鈕，開啟運(yùn)動(dòng)算例，隨即點(diǎn)開爆炸視圖，單個(gè)拆離某一個(gè)或者多個(gè)零件，得到自己想要的效果圖；為了進(jìn)一步便于觀察，可以點(diǎn)擊外觀，給各個(gè)零部件添加各種顏色便于區(qū)分，同時(shí)，為了美觀與區(qū)分方便，給部分零件添加透明或者半透明材質(zhì)，泵體前蓋添加透明玻璃材質(zhì)，透過前蓋就可以觀察到齒輪泵齒輪的運(yùn)動(dòng)(圖3)。制作動(dòng)畫只有零部件的拆解運(yùn)動(dòng)是無法直接讓學(xué)習(xí)者了解到工作原理的，此時(shí)就需要給機(jī)械添加運(yùn)動(dòng)部件了，再點(diǎn)擊添加一個(gè)電機(jī)，選擇旋轉(zhuǎn)電機(jī)，設(shè)置轉(zhuǎn)數(shù)等后，葉輪與傳動(dòng)軸就都可以運(yùn)動(dòng)起來了,此時(shí)通過動(dòng)畫向?qū)Э梢栽O(shè)置一些諸如爆炸效果的模板運(yùn)動(dòng)效果，設(shè)置完后此時(shí)可以自由更改鍵碼的排列組合，以達(dá)到自己需要的運(yùn)動(dòng)效果設(shè)置完成后，可點(diǎn)擊左下角的動(dòng)畫保存鍵，得到設(shè)置界面，為了后期的剪輯方便，建議將分辨率設(shè)置為1280×720以便于后期視頻編輯，幀數(shù)設(shè)置為8幀即可[10]，同時(shí)為了得到更好的效果，使用之前所講的photoview360渲染器渲染普通視圖，之后就可以得到精美的仿真動(dòng)畫視頻了。

圖3 齒輪泵前蓋選擇透明材質(zhì)過程圖

4.4 3D打印教學(xué)模型與裝配

3D打印技術(shù)本身是一種增加材料的制造技術(shù)(Additive Manufacturing ,AM)[11]。原理類似于編制毛衣，通過物料一層層的累積疊加，得到一個(gè)完整的物體。需要注意的是因?yàn)榇蛴C(jī)精度限制與圖紙未標(biāo)注設(shè)計(jì)配合公差，因此許多零件往往配合緊密，甚至無法裝配。在裝配過程中注意使用銼刀和砂紙對(duì)配合面進(jìn)行修整和打磨。同時(shí)裝配過程中需要注意3D打印零件的方向，底端由于打印時(shí)緊貼基臺(tái)往往不如頂端光澤度好，裝配時(shí)可以考慮將更美觀的頂端設(shè)置為可見位置，裝配過程中可以采用由內(nèi)至外的裝配方式，逐步裝配完成后稱量重量測(cè)量尺寸。對(duì)前面用solidworks所建齒輪泵模型進(jìn)行3D打印。

4.5 資料匯總與視頻剪輯

通過以上的眾多工作，已經(jīng)積累了大量的視頻圖片素材，要想完成一部微課，還需要將素材剪輯成為一個(gè)5～10min的視頻。通過使用的Adobe Premiere Pro CC軟件可以快速簡(jiǎn)單地進(jìn)行視頻編輯剪輯工作。微課視頻是為了介紹齒輪泵基于Solidworks的過程流體機(jī)械微課設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)原理，因此將之前solidworks的仿真動(dòng)畫導(dǎo)入至視頻內(nèi)，為了更好的解釋運(yùn)動(dòng)過程，可以添加配音，也可以為運(yùn)動(dòng)畫面添加指示箭頭。在微課視頻中加入3D打印體的總裝視頻能更加直觀地教學(xué)。最后，編輯完成的微課視頻就可以導(dǎo)出，此時(shí)將格式設(shè)置為H.264，分辨率設(shè)為720p30幀，同時(shí)進(jìn)行壓縮。這樣得到的微課視頻體積較小，便于發(fā)布傳播。

5 結(jié)論

本論文說明了在流體機(jī)械課程中加入微課的重要意義，理清了創(chuàng)作微課具體過程的思路，總結(jié)了微課資源建設(shè)的教訓(xùn)與經(jīng)驗(yàn)。本次微課的創(chuàng)造過程中利用 Solidworks 軟件繪制計(jì)算機(jī)三維模型，利用 3D 打印技術(shù)制作實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化與傳統(tǒng)教學(xué)完美結(jié)合，同時(shí)對(duì)流體機(jī)械課程的微課的內(nèi)容進(jìn)行了很好的填充。

致謝：重慶市教委基金(No. KJ1400901)的支持。感謝重慶理工大學(xué)《過程流體機(jī)械》和《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》核心課程的支持。