數字化仿真技術在“機械原理”教學中的應用分析

摘要：“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是國家為了滿足經濟社會發(fā)展需要的一項重大改革項目，目的在于培養(yǎng)造就一大批具有較強的創(chuàng)新能力、適應社會發(fā)展的高質量各類型工程技術人才。針對機械原理在機械工程類專業(yè)課程體系中的重要作用，對數字化仿真技術在機械原理教學中進行了一定的應用和探索，該方法有效提高了學生的創(chuàng)新能力和學習興趣，能夠促進“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”目標的實現。

關鍵詞：數字化仿真；卓越計劃；機械原理；創(chuàng)新能力

作者簡介：李杰（1979-），男，河北石家莊人，石家莊鐵道大學機械工程學院，講師；范曉珂（1972-），女，河北石家莊人，石家莊鐵道大學機械工程學院，副教授。（河北 石家莊 050043）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0083-02

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱“卓越計劃”）是高等院校貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的一項重大改革項目，其目的在于培養(yǎng)造就一大批具有較強創(chuàng)新能力、適應經濟社會發(fā)展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家工業(yè)的轉型升級、建設創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務。該項目的實施將促進高等教育面向社會需求培養(yǎng)人才，對全面提高工程教育人才培養(yǎng)質量具有十分重要的示范和引導作用。[1]2011年，石家莊鐵道大學被教育部批準成為第二批133所“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”培養(yǎng)高校之一。“機械原理”課程作為機械工程類的專業(yè)基礎課程，是石家莊鐵道大學（以下簡稱“我?！保C械設計制造及其自動化專業(yè)、車輛工程專業(yè)、“茅以升”試驗班和“卓越”班的必修課程，占有重要的地位。由于學生人數的增加和新課程的開設，“機械原理”計劃學時不斷被壓縮，而教學內容卻不斷補充，傳統(tǒng)的教學模式很難滿足“卓越計劃”的要求，很難培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力的高素質人才。[2]因此，利用數字化仿真技術改善“機械原理”以往傳統(tǒng)的教學與實驗存在的問題，提高學生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學生成為具有工程思維的實用型與創(chuàng)新型人才，適應“卓越計劃”的發(fā)展具有重要的意義。

一、課程教學內容與安排

“機械原理”的課程內容主要有：機械的結構分析、機構的運動和力分析、機械的效率、自鎖與平衡、各種常用機構的設計和機械系統(tǒng)的方案設計等內容，共64學時，講授54課時，實驗8學時，“機械原理”課程設計1周。講授的內容中，主要重點介紹機械的結構分析、機構的運動和力分析、機械的效率、自鎖與平衡、常用機構的特點及其設計，其中包括連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、輪系和其他的常用機構等；[3]機械系統(tǒng)的方案設計內容結合課程設計時完成；實驗安排主要針對一些機構的驗證、設計與綜合，旨在提高學生的動手能力和對機構進行創(chuàng)新設計的能力。但是，由于課時限制，該課程所設置的實驗只能完成4個，很難滿足“卓越計劃”的要求，不利于培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

二、教學方式的改革

數字化仿真技術是近幾年發(fā)展起來的一種先進的機械設計方法，它是指將計算機仿真技術應用于產品設計領域，利用計算機分析軟件通過建模可對該機構進行運動模擬，對機構及整機進行運動仿真。數字化仿真技術在“機械原理”教學中的應用，不僅可以使得學生對機械原理中的各種機構有感性的認識，而且通過對各種機構的仿真模擬可以使得學生對各種機構的運動與動力特性有直觀的了解，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。[4]筆者將數字化仿真技術引入到“機械原理”教學中，下面以連桿機構為例，介紹在連桿機構教學中應用數字化仿真技術的一些體會。

1.理論教學的改革

在連桿機構的教學中，連桿機構的基本形式為鉸鏈四桿機構，其三種基本形式分別為曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構，當一個鉸鏈四桿機構為曲柄搖桿機構時，通過機構的倒置則可以得到雙曲柄機構和雙搖桿機構。

在教學過程中，利用數字化仿真軟件建立曲柄搖桿機構的數字化模型，按照要求對各相關參數進行設置，其中包括：各桿長度、質量、電機轉速、力矩大小等。如圖1所示，在四桿機構中各桿分別以轉動副相連，分別為A、B、C、D；各桿桿長分別為280mm、520mm、500mm、720mm，然后對桿4固定，桿1為曲柄，在轉動副A上加力矩，其數字化模型如圖1所示。通過運動仿真對曲柄搖桿機構進行相應的運動分析。[5]曲柄搖桿機構的運動分析如圖2所示。

在教學過程中，圖1能夠清晰演示四桿機構的運動畫面，其中曲柄以等角速度轉動，搖桿則在一定角度范圍內擺動。從圖2的角速度圖中可以看出曲柄轉速為30°/S，而搖桿的擺角為0°～30°。

在曲柄搖桿機構中其他參數保持不變的前提下，只改變曲柄搖桿機構的機架，取原來的桿件1為機架，桿件2為曲柄，對機構進行運動仿真，可以看出，通過改變機架后，原來的曲柄搖桿機構變?yōu)榱穗p曲柄機構。雙曲柄機構的運動分析如圖3所示。

在教學過程中，利用數字化仿真技術學生能夠直觀看出此時兩個曲柄都在做整周的回轉運動。從圖3中的角速度圖中可以看出主動曲柄轉速為30°/S，而從動曲柄的轉速為不等速連續(xù)回轉，范圍在15°/S～65°/S之間。

最后，在曲柄搖桿機構中，取原來的搖桿3為機架，桿4為曲柄，在其他參數保持不變的前提下對機構進行運動仿真，可以看出，通過改變機架后，原來的曲柄搖桿機構變?yōu)榱穗p搖桿機構。雙曲柄機構的運動分析如圖4所示。

圖4的動畫演示中能夠看出，兩個搖桿都不能在整周范圍內轉動，都在一定范圍內做往復擺動，從圖4中的角速度圖中可以看出主動曲柄搖桿轉速為30°/S，而從動搖桿的轉速為不等速擺動，范圍在0°/S～35°/S之間。

在課堂教學過程中，通過四桿機構的數字化仿真能夠使學生在較短的時間內對機構的倒置有清晰的認識，同時提高了學生對計算機應用的興趣和創(chuàng)新能力。

2.實驗教學的改革

由于課時的限制，“機械原理”課程實驗共有四次，具體安排如表1所示。

由表1看出：“卓越”班的實驗教學比較少，不能夠滿足學生創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)的需求。在實驗教學過程中，可以利用數字化仿真技術進行有效的彌補，同時也可以對以上實驗進行虛擬驗證。在實驗2機構運動方案創(chuàng)新設計實驗教學過程中，可以先讓學生根據實驗臺搭建不同的機構，分析機構的運動過程，并繪制機構的運動簡圖，課下讓學生通過計算機根據所繪制的機構運動簡圖建立所搭建的機構模型，進行數字化仿真模擬，直觀形象地模擬實際搭建機構的運動過程。而對于實驗3機構運動參數測量與分析實驗，事先讓學生在計算機上對機構進行數字化仿真，測量出機構的位移、速度和加速度曲線，然后再與實驗測量的曲線進行相應的比較。對于實驗中沒有的內容，也可以通過對機構的數字化仿真來培養(yǎng)學生的計算機應用能力和機械創(chuàng)新設計的能力。

三、教學效果

通過數字化仿真技術在“機械原理”課程中的應用，在理論教學過程中對所講授知識可以實時地進行虛擬仿真，有效改變傳統(tǒng)理論教學加實驗教學的方法，節(jié)省課時。在實驗教學中，通過數字化仿真技術和實驗相結合大大提高了學生對實驗的興趣，提高了學生的計算機應用能力，同時也培養(yǎng)了學生的機械創(chuàng)新設計意識。

四、結束語

通過教學實踐表明，將數字化仿真技術引入到“機械原理”教學中具有較大的新穎性，促進了學生對“機械原理”課程基本理論的理解，實現了教學方法的創(chuàng)新。

新的教學方法能夠調動學生學習的積極性，在教學過程中學生能夠變被動接受為主動思考，通過對不同的方案進行實時仿真，能夠激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，提高分析問題、解決問題的能力。

數字化仿真技術在本門課程中的應用鍛煉了學生將理論知識與實際應用相結合的能力，同時也提高了學生的創(chuàng)新能力。這種教學模式的探索為其他工程類專業(yè)基礎課程適應“卓越工程師培養(yǎng)計劃”的教學改革提供了借鑒經驗。

參考文獻：

[1]毛婭.適應“卓越工程師培養(yǎng)計劃”的機械原理雙語教學探索與實踐[J].探索與踐，2006，4（13）：191-192.

[2]盧梅，李威，邱麗芳.虛擬仿真實驗技術在機械原理實驗教學中的應用研究[J].儀器儀表用戶，2006，4（13）：25-26.

[3]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]袁愛霞，高中庸，李寶靈.機械原理與機構創(chuàng)新設計[J].高教論壇，2007，6（12）：78-80.

[5]陶峰.ADAMS虛擬樣機技術在機械原理教學中的應用[J].化工高等教育，2005，2（84）：103-104.

（責任編輯：王意琴）