王素梅

(甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)系，蘭州 730070)

1 計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)和制造技術(shù)

虛擬設(shè)計(jì)是利用計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)來(lái)為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)展示的一項(xiàng)內(nèi)容，是通過(guò)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)制造一種特殊的人工環(huán)境，讓人們能夠在這種環(huán)境中生出與現(xiàn)實(shí)世界相似的想象，這種時(shí)間和空間是可以改變的，從而幫助人們?cè)谶@一環(huán)境中完成對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中所需要的設(shè)計(jì)制造過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本、優(yōu)化系統(tǒng)和改善制造周期的目標(biāo)[1]。虛擬設(shè)計(jì)主要是利用軟件建立一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的三維模型來(lái)進(jìn)行展示，這樣可以讓設(shè)計(jì)者將更多精力集中在創(chuàng)造設(shè)計(jì)中，而復(fù)雜的繪圖等工作都是由計(jì)算機(jī)來(lái)完成的。另外，在進(jìn)行編輯修改時(shí)，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以極大提高效率。虛擬制造和仿真則是更高級(jí)的階段，是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成從產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造到檢驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，可對(duì)物體進(jìn)行實(shí)際模擬，并從設(shè)計(jì)規(guī)劃到制造等各個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，從而提高各級(jí)的決策控制能力，減少設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，以便更快地完成新產(chǎn)品研發(fā)。

2 虛擬技術(shù)的研究現(xiàn)狀

虛擬技術(shù)能夠同時(shí)為人們提供聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)和觸覺(jué)的感受，只需要通過(guò)系統(tǒng)提前設(shè)計(jì)好的程序就能夠完成在虛擬環(huán)境中的一些動(dòng)作，讓人們產(chǎn)生一種身臨其境的真實(shí)感受。虛擬技術(shù)平臺(tái)主要依靠的是計(jì)算機(jī)，同時(shí)還會(huì)結(jié)合圖像傳輸處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機(jī)對(duì)話技術(shù)，等等。以前，人們一直都在探索如何去打破傳統(tǒng)的數(shù)字化展示方式，希望能夠創(chuàng)造出圖文并茂的真實(shí)情境供人們享受，讓用戶能夠在這樣的情形下去處理信息，從而提高自身的認(rèn)知[2]。

目前，全國(guó)各大高校都開(kāi)始改革自身的人才培養(yǎng)模式，但還有很多學(xué)校的教學(xué)仍然是利用最原始的方式，學(xué)生自身的積極性得不到調(diào)動(dòng)，難以激發(fā)出他們的創(chuàng)新意識(shí)和能力。而將虛擬技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域則能夠?yàn)閷W(xué)生營(yíng)造出更加真實(shí)的場(chǎng)景，讓他們能夠坐在教室中就獲得良好的實(shí)踐體驗(yàn)，使學(xué)生能夠?qū)W(xué)習(xí)內(nèi)容更加感興趣，不斷提高教學(xué)效果。

3 開(kāi)發(fā)虛擬資源的意義

機(jī)械設(shè)計(jì)和制造專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐性非常強(qiáng)，在教學(xué)時(shí)會(huì)受到環(huán)境設(shè)施以及場(chǎng)地等種種因素的影響，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)可以去相關(guān)的制造廠參觀，這樣就導(dǎo)致學(xué)生難以真正理解書(shū)本中的理論內(nèi)容，無(wú)法達(dá)到融會(huì)貫通的效果[3]。而將虛擬技術(shù)應(yīng)用其中就可以讓學(xué)生更真實(shí)地觀察每一零部件的構(gòu)造，明白它們之間的關(guān)系，加深對(duì)這些機(jī)械加工工藝的了解。在這種虛擬教學(xué)中，學(xué)生可以自由選擇自己喜歡的方式和環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)，能夠獲得更多課堂中沒(méi)有的內(nèi)容，在實(shí)際操作中也可以通過(guò)大量的練習(xí)來(lái)減少錯(cuò)誤率。另外，虛擬技術(shù)的應(yīng)用能夠減少學(xué)校在購(gòu)買(mǎi)教學(xué)設(shè)備等方面的資金投入，很好地解決了不能及時(shí)更新設(shè)備這一問(wèn)題。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)習(xí)時(shí)會(huì)消耗大量的材料，操作不當(dāng)會(huì)有可能造成機(jī)械的磨損，而虛擬技術(shù)的應(yīng)用就能夠完全避免這些問(wèn)題。虛擬平臺(tái)技術(shù)還有網(wǎng)絡(luò)功能，能夠完成遠(yuǎn)程教育，即使學(xué)生和教師不處在同一空間也可以進(jìn)行面對(duì)面的交流和學(xué)習(xí)。虛擬平臺(tái)技術(shù)可利用寬帶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸處理，從而實(shí)現(xiàn)雙向交流。這一技術(shù)還可以為教師生成自動(dòng)的功課答卷，并利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)、查詢(xún)和分析，極大地減輕了教師平時(shí)的工作壓力，同時(shí)也使得無(wú)紙化辦公變得越來(lái)越普及。

4 虛擬資源在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

4.1 強(qiáng)化學(xué)生的三維思維能力

以往的教學(xué)都是讓學(xué)生通過(guò)參觀模型來(lái)提高思維能力和看圖技術(shù)，而在課堂中應(yīng)用了虛擬技術(shù)以后，可以讓學(xué)生更真實(shí)地了解不同機(jī)械的構(gòu)造。這種新型的教學(xué)方式不僅激起了學(xué)生的求知欲望，還能通過(guò)三維虛擬的模型庫(kù)讓學(xué)生的思維和想象得到擴(kuò)展。這種三維設(shè)計(jì)的方式不僅直觀形象，而且還簡(jiǎn)單易操作，既增加了設(shè)計(jì)內(nèi)容，又給了學(xué)生足夠的想象空間。

4.2 改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

運(yùn)動(dòng)的虛擬仿真分析主要應(yīng)用在與機(jī)械原理有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，它可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的模擬及仿真展示，同時(shí)還可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)做出正確的曲線圖參考，并與實(shí)際所測(cè)量的曲線進(jìn)行分析和比較，從而得出正確的數(shù)據(jù)結(jié)果，幫助學(xué)生對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的內(nèi)容進(jìn)行理解，真實(shí)地了解運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及速度的調(diào)節(jié)。機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析與應(yīng)用極大改善了機(jī)械實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)節(jié)，在減速器設(shè)計(jì)、拆裝實(shí)驗(yàn)以及機(jī)械系統(tǒng)方案的綜合實(shí)驗(yàn)中，可通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件來(lái)將不同零件的構(gòu)造形狀做成三維模型，然后按照正確的方式將不同零件組裝在一起，最后使一臺(tái)機(jī)器得到完整組裝，并向?qū)W生們展示，讓他們能夠更直觀地去了解機(jī)械的設(shè)計(jì)拼裝。在這一過(guò)程中就應(yīng)用了虛擬技術(shù)和運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)，為日后的運(yùn)動(dòng)仿真應(yīng)用打下了學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。通過(guò)軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，不僅解決了在教學(xué)過(guò)程中學(xué)生無(wú)法參觀機(jī)械組裝的問(wèn)題，而且還用一種全新的方式提高了學(xué)生在機(jī)械創(chuàng)新方面的思維能力。

4.3 提高教學(xué)效果，節(jié)約成本

數(shù)控仿真系統(tǒng)也是虛擬制造的一種，它是利用計(jì)算機(jī)來(lái)形成一個(gè)虛擬環(huán)境，這一環(huán)境就是在計(jì)算機(jī)圖形中所構(gòu)成的一種三維模型，它能夠創(chuàng)造出一個(gè)集視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)為一體的人工環(huán)境。這一技術(shù)既能夠獨(dú)立運(yùn)行，也能夠在線運(yùn)行。獨(dú)立運(yùn)行主要是指機(jī)床模型，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要一臺(tái)微機(jī)，實(shí)際的數(shù)控機(jī)場(chǎng)操作過(guò)程都是通過(guò)顯示器中的仿真面板來(lái)進(jìn)行操作的，有關(guān)零件的切削過(guò)程都是通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)來(lái)完成模擬。在線運(yùn)行主要是指機(jī)床的工作方式，要將教學(xué)系統(tǒng)與實(shí)際機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，并通過(guò)一系列硬件和軟件的幫助來(lái)完成零件的切削工作。在這一操作過(guò)程中，除了仿真面板的應(yīng)用以外，其他過(guò)程都是和實(shí)際操作完全一致的。在這種環(huán)境下，學(xué)生更能夠感受到真實(shí)的操作環(huán)境和步驟，不僅提高了教學(xué)效果，還避免了實(shí)際機(jī)床操作可能會(huì)出現(xiàn)的一系列風(fēng)險(xiǎn)，既保障了學(xué)生的人身安全，又節(jié)約了成本。

4.4 提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果

機(jī)械設(shè)計(jì)制造專(zhuān)業(yè)中的理論學(xué)習(xí)很枯燥，而課堂多媒體的應(yīng)用能夠讓學(xué)生更加集中精神，可以將復(fù)雜抽象的內(nèi)容變得更簡(jiǎn)單具體。讓學(xué)生和教師利用課件來(lái)進(jìn)行互動(dòng)可以提高學(xué)生的課堂參與度和學(xué)習(xí)效果，使課堂資源能夠發(fā)揮出最大價(jià)值。開(kāi)放的虛擬教學(xué)可以讓課堂中的參與各方進(jìn)行交流，這種自由化、人性化的環(huán)境能夠減少學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，同時(shí)也是改變教學(xué)方式的一種體現(xiàn)。這種虛擬實(shí)踐性的教學(xué)可以讓教師更快速準(zhǔn)確地總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，使教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用都能得到更好的體現(xiàn)。利用虛擬資源進(jìn)行學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生的測(cè)試和學(xué)習(xí)都會(huì)由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行打分，然后根據(jù)結(jié)果來(lái)劃分教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。這種教學(xué)方向的更新可以讓學(xué)生及時(shí)對(duì)教學(xué)內(nèi)容提出質(zhì)疑，并向教師反饋?zhàn)陨淼膯?wèn)題，這對(duì)于節(jié)約教學(xué)時(shí)間和提高課堂效率非常有意義。