基于UG平臺(tái)的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)新模式探究

張毅杰 孔令瓊 施 杰 鄒 歡 管毓斌

1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 云南昆明 650201

2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電與建筑學(xué)院 云南昆明 650201

機(jī)械原理課程是車(chē)輛工程專業(yè)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，在專業(yè)課程體系中處于承上啟下的重要地位，機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，其目標(biāo)是提高學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)運(yùn)用能力并增強(qiáng)機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新意識(shí)[1]。隨著時(shí)代的進(jìn)步，賦予傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)新教學(xué)手段的教學(xué)改革勢(shì)在必行，作為目前流行的集成化系統(tǒng)軟件UG，憑借其卓越的設(shè)計(jì)分析應(yīng)用功能，可為課程設(shè)計(jì)教學(xué)提供十分強(qiáng)大的支持。針對(duì)我院車(chē)輛工程專業(yè)機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)存在的瓶頸，基于專業(yè)特點(diǎn)，提出了基于UG平臺(tái)的課程設(shè)計(jì)新模式，并通過(guò)實(shí)例分析探討了具體實(shí)施方法，為機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革提供了新思路。

1 當(dāng)前課程設(shè)計(jì)在教學(xué)中面臨的瓶頸

1.1 設(shè)計(jì)思路單一，技術(shù)手段滯后

設(shè)計(jì)思路以參照機(jī)械原理課程教學(xué)中機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的知識(shí)體系進(jìn)行，每名學(xué)生針對(duì)所選機(jī)械系統(tǒng)提出設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)比方案選出最優(yōu)設(shè)計(jì)，最終通過(guò)二維設(shè)計(jì)軟件AutoCAD將設(shè)計(jì)構(gòu)思表達(dá)出來(lái)。顯然，這種基于傳統(tǒng)圖解法的二維設(shè)計(jì)已無(wú)法有效激發(fā)學(xué)生的設(shè)計(jì)熱情，使本應(yīng)生動(dòng)的實(shí)踐過(guò)程變得枯燥。

1.2 專業(yè)特色不突出，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性

課程設(shè)計(jì)選題仍以通用機(jī)械為主，且學(xué)院各專業(yè)選題內(nèi)容沒(méi)有區(qū)別，車(chē)輛工程專業(yè)學(xué)生在設(shè)計(jì)中很難將本課程與車(chē)輛工程聯(lián)系起來(lái)，這種有效關(guān)聯(lián)學(xué)生難以構(gòu)建，因而難以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

1.3 缺乏現(xiàn)代工程軟件應(yīng)用能力

我院隸屬于農(nóng)科院校，先進(jìn)設(shè)計(jì)手段在教學(xué)中的應(yīng)用還較為滯后，尤其是在現(xiàn)代工程軟件的應(yīng)用方面，至今學(xué)生還未系統(tǒng)地學(xué)習(xí)一款三維設(shè)計(jì)軟件。先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具凝聚著先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，如何借助現(xiàn)代工程軟件平臺(tái)，最大化地將現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想灌輸給學(xué)生，是我院亟待解決的問(wèn)題。

1.4 缺乏設(shè)計(jì)分析一體化的整體思維能力

由于缺乏現(xiàn)代工程軟件的應(yīng)用支撐，學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中往往只是一些機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)易拼湊，對(duì)方案的可行性、合理性、工作是否會(huì)相互干涉等問(wèn)題無(wú)法進(jìn)行深入思考與切實(shí)驗(yàn)證，從而無(wú)法有效獲得機(jī)械系統(tǒng)整體思維能力。

2 課程設(shè)計(jì)新模式

為了改變目前我院車(chē)輛工程專業(yè)機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，提出了基于UG平臺(tái)的課程設(shè)計(jì)實(shí)施新模式，通過(guò)將現(xiàn)代工程軟件融入課程設(shè)計(jì)中，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。

2.1 工程設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)的選擇

針對(duì)機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)特點(diǎn)，選擇的軟件平臺(tái)應(yīng)具有三維建模、機(jī)構(gòu)仿真、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)分析功能，另外，考慮到本科階段學(xué)生能力和精力有限的特點(diǎn)，不宜涉及多款專業(yè)軟件，盡量以學(xué)習(xí)一款能解決設(shè)計(jì)中諸多問(wèn)題的集成化軟件為佳， UG正是集CAD/CAE/CAM一體化的大型系統(tǒng)軟件，而且實(shí)用性好，越來(lái)越受到中國(guó)高校及企業(yè)用戶的青睞，而且UG每個(gè)版本的更新都能同步反映當(dāng)代最新的設(shè)計(jì)方法和理念，為學(xué)生今后的知識(shí)更新與擴(kuò)容奠定基礎(chǔ)。

2.2 具有專業(yè)特色的課題選擇

在課程設(shè)計(jì)題目的選擇上，緊緊圍繞車(chē)輛機(jī)械這條主線，針對(duì)車(chē)輛工程領(lǐng)域常見(jiàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真以及動(dòng)力分析。選題基本方針是將各種車(chē)輛機(jī)械中相應(yīng)的常見(jiàn)機(jī)構(gòu)作為優(yōu)選課題，并且為避免課題單一，必須在題目設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)多樣化、個(gè)性化。例如同一機(jī)構(gòu)類型在不同車(chē)輛類別、不同型號(hào)車(chē)輛、不同設(shè)計(jì)參數(shù)下進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣既能保證學(xué)生設(shè)計(jì)不重題，又能有效促進(jìn)學(xué)生之間的討論與交流。以專業(yè)特點(diǎn)為導(dǎo)向的課題選擇，不僅實(shí)現(xiàn)了課程學(xué)習(xí)與專業(yè)學(xué)習(xí)的融合，達(dá)到了學(xué)以致用的效果，而且也很好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

2.3 分層次的設(shè)計(jì)與指導(dǎo)

分層設(shè)計(jì)與指導(dǎo)從兩個(gè)層面展開(kāi)，其一，擴(kuò)大選題范圍并增加選題層次；其二，基于因材施教的原則，將3～6人作為一個(gè)小組，新模式下的分層設(shè)計(jì)是將一個(gè)大課題細(xì)化為若干層次的小課題，組員根據(jù)自身能力和興趣選擇一個(gè)，小課題難度分層次且關(guān)聯(lián)遞進(jìn)，整個(gè)大課題只有在每個(gè)小課題都完成的情況下才能完成。這種模式不僅便于指導(dǎo)教師的分類指導(dǎo)，也有利于學(xué)生獨(dú)立思考與團(tuán)隊(duì)合作。

2.4 新模式的實(shí)施框架與目標(biāo)

新模式的構(gòu)建思想是在三維設(shè)計(jì)軟件UG平臺(tái)上，訓(xùn)練學(xué)生對(duì)機(jī)械原理基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，同時(shí)鍛煉學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代軟件工具解決問(wèn)題，通過(guò)可視化的虛擬模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析一體化，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維能力?；诖怂枷氲男履Ｊ綄?shí)施框架如圖1所示。

圖1 新模式實(shí)施框架

通過(guò)框架圖可以看出，新模式的技術(shù)載體是UG軟件，UG軟件工具運(yùn)用的熟練程度直接決定了整個(gè)課程設(shè)計(jì)的進(jìn)展情況。因此，新模式的前期準(zhǔn)備階段至關(guān)重要，為了在課程設(shè)計(jì)正式開(kāi)始之前使學(xué)生對(duì)軟件有一定的了解，需要教師將工程軟件有效引入整個(gè)機(jī)械原理課程教學(xué)中，這方面已有許多教學(xué)工作者將之引入機(jī)械原理課程教學(xué)中，并在提高教學(xué)效果的同時(shí)就如何提高學(xué)生軟件運(yùn)用能力方面作了有益的研究和實(shí)踐[2,3]，值得借鑒。教師指導(dǎo)重點(diǎn)是把握課題的分層次布置、設(shè)計(jì)方法的引導(dǎo)以及軟件使用技巧的點(diǎn)撥。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，小組成員共同討論方案的擬訂，然后根據(jù)能力層次分工完成機(jī)構(gòu)建模、運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)力分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化等環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)在獨(dú)立設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上又離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)合作，在設(shè)計(jì)完成后以期每名學(xué)生既能對(duì)所選課題建立起系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，又能熟練掌握相應(yīng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的軟件運(yùn)用。

通過(guò)這種新模式的實(shí)施，所要達(dá)到的實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)如圖2所示。借助UG平臺(tái)進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)，基本目標(biāo)是使學(xué)生同時(shí)獲取綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)和軟件應(yīng)用能力，理想目標(biāo)是學(xué)生完成課程設(shè)計(jì)后能形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思維，創(chuàng)新能力有所提高。

圖2 新模式實(shí)施目標(biāo)

3 新模式實(shí)施案例

以具有車(chē)輛工程專業(yè)特點(diǎn)的典型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)為例說(shuō)明，新模式的實(shí)施。三維虛擬設(shè)計(jì)模型框圖如圖3所示。

圖3 新模式實(shí)施案例

3.1 針對(duì)專業(yè)特點(diǎn)挖掘設(shè)計(jì)課題

挖掘具有專業(yè)特點(diǎn)的設(shè)計(jì)題目，發(fā)動(dòng)機(jī)是車(chē)輛的心臟，透徹了解它的結(jié)構(gòu)是車(chē)輛工程專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)。如圖3所示，將發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)作為一個(gè)大課題，以發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)仿真與分析a、發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)運(yùn)動(dòng)仿真與分析b、發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真與分析c為子課題，其中a對(duì)應(yīng)于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，b對(duì)應(yīng)于凸輪機(jī)構(gòu)，c對(duì)應(yīng)于齒輪機(jī)構(gòu)，這些常用機(jī)構(gòu)建模、裝配及仿真，教師在前期準(zhǔn)備環(huán)節(jié)中，都應(yīng)通過(guò)UG軟件平臺(tái)將其融入機(jī)械原理課程教學(xué)中。類似的課題還可以從車(chē)輛傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)械系統(tǒng)、制動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)等中挖掘，車(chē)輛類別可從普通汽車(chē)擴(kuò)展到農(nóng)用車(chē)輛、鐵路車(chē)輛等。

3.2 分層次地設(shè)計(jì)指導(dǎo)

本課題可根據(jù)學(xué)生能力和成績(jī)，按分層教學(xué)思想和模式分配給3～6名學(xué)生共同完成。其中對(duì)于成績(jī)差的學(xué)生，指導(dǎo)重心應(yīng)放在運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)創(chuàng)建典型機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方案上，如活塞運(yùn)動(dòng)、氣門(mén)運(yùn)動(dòng)、氣閥聯(lián)動(dòng)的工作原理擬定及運(yùn)動(dòng)尺寸的確定，并學(xué)會(huì)運(yùn)用UG創(chuàng)建單個(gè)零件的三維模型；對(duì)于成績(jī)較好的學(xué)生，指導(dǎo)重心應(yīng)是學(xué)會(huì)運(yùn)用UG進(jìn)行單一機(jī)構(gòu)的裝配設(shè)計(jì)和干涉檢查；對(duì)于成績(jī)好、能力強(qiáng)的學(xué)生，指導(dǎo)側(cè)重點(diǎn)放在整機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真及方案優(yōu)化上。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，每個(gè)層次的指導(dǎo)又不是割裂的，每個(gè)子課題相互關(guān)聯(lián)遞進(jìn)，強(qiáng)調(diào)每名學(xué)生在有所側(cè)重的基礎(chǔ)上共同參與，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)思維的構(gòu)建、綜合能力的培養(yǎng)。

3.3 基于UG的設(shè)計(jì)過(guò)程

在機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)中，UG軟件平臺(tái)主要借助建模、裝配和運(yùn)動(dòng)仿真三大模塊功能。首先，學(xué)生要對(duì)UG建模模塊中的常見(jiàn)操作命令熟練掌握，領(lǐng)會(huì)三維建模思想，這是每一名學(xué)生在課程設(shè)計(jì)開(kāi)始之前必須達(dá)到的要求；其次，學(xué)生進(jìn)入U(xiǎn)G裝配模塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)的裝配設(shè)計(jì)并進(jìn)行干涉檢查，這一環(huán)節(jié)需要教師進(jìn)行示范演示并穿插上機(jī)強(qiáng)化；最后，在機(jī)構(gòu)裝配完成后進(jìn)入U(xiǎn)G運(yùn)動(dòng)仿真模塊，學(xué)生通過(guò)仿真結(jié)果，給出方案評(píng)價(jià)或方案優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

UG軟件平臺(tái)背后的CAD/CAE技術(shù)已逐步成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流技術(shù)，我們必須樹(shù)立新的教育質(zhì)量觀念，調(diào)整和改進(jìn)機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和手段，提高課程設(shè)計(jì)的技術(shù)含量和設(shè)計(jì)質(zhì)量。如何更有效地發(fā)揮諸如UG這一類現(xiàn)代工程軟件在工科教學(xué)中的作用，是我們教學(xué)工作者面臨的一個(gè)重要課題。

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