基于虛擬仿真技術(shù)的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革

周曉玲,汪中厚

(1.上海理工大學(xué) 公共實(shí)驗(yàn)中心,上海 200093; 2.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093)

基于虛擬仿真技術(shù)的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革

周曉玲1,汪中厚2

(1.上海理工大學(xué) 公共實(shí)驗(yàn)中心,上海 200093; 2.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093)

平面機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分,更關(guān)系到機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力性能及結(jié)構(gòu)。闡述了平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性和重要性。采用虛擬仿真技術(shù)的方法,研究開發(fā)了一個(gè)平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),建立了平面機(jī)構(gòu)的零部件模塊和運(yùn)動(dòng)仿真模塊,該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作性強(qiáng),簡單易行,可以滿足不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率,為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了一條有效途徑。

平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn);虛擬仿真;教學(xué)改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校培養(yǎng)高素質(zhì)合格人才的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié),是鞏固和加深學(xué)生對理論知識(shí)理解的重要手段。隨著高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的不斷推進(jìn),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,并使之在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中得以實(shí)踐,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革的關(guān)鍵所在。機(jī)械學(xué)科中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是機(jī)械專業(yè)教學(xué)的重要組成部分,機(jī)械專業(yè)要求學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)課程基本理論的同時(shí),還必須具備實(shí)際操作能力,而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的有效方法。然而,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法在課程時(shí)間安排和實(shí)驗(yàn)場地方面已經(jīng)不能滿足當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求,難以激發(fā)學(xué)生在機(jī)械課程學(xué)習(xí)中的興趣。本文在分析平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)中現(xiàn)存弊端的基礎(chǔ)上,提出了采用虛擬仿真技術(shù),在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采用所開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行改革,通過實(shí)踐教學(xué),證明此方法具有較好的教學(xué)效果。

一、平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革

先進(jìn)的教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容是取得高質(zhì)量教學(xué)的前提,良好的教學(xué)方法和教學(xué)手段是實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足之處突出表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)地位的依附性、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的低層面和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的孤立性等方面。因此,平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革很有必要[1]。

(一)傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限性

平面機(jī)構(gòu)是機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分,也是機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。雖然平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課程培養(yǎng)中占據(jù)著非常重要的地位,但隨著時(shí)代的發(fā)展,我國的實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤其是創(chuàng)新方面在國際上的地位滯后于中國制造業(yè)在國際制造界的地位[2],導(dǎo)致現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在很多弊端。

目前的實(shí)驗(yàn)課很多時(shí)候是由教師先介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)設(shè)備,然后對學(xué)生重點(diǎn)示范,最后才由學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作。教師講解和學(xué)生設(shè)計(jì)構(gòu)思會(huì)花費(fèi)很長時(shí)間,留給學(xué)生動(dòng)手操作的時(shí)間就很有限,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,學(xué)生處于較為被動(dòng)的地位,學(xué)生的積極性和主動(dòng)性得不到充分發(fā)揮。另外,由于受實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)分組、實(shí)驗(yàn)人數(shù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)等諸多因素的限制,加之每個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作水平、實(shí)驗(yàn)速度不同,往往實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)備并不能完全滿足每個(gè)學(xué)生的各種實(shí)驗(yàn)需求。比如,有些學(xué)生動(dòng)手能力相對較弱,速度較慢,在規(guī)定實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)無法完成實(shí)驗(yàn);又有些學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平很高,實(shí)驗(yàn)興趣濃厚,在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后仍想單獨(dú)一人繼續(xù)完成自己的設(shè)計(jì)構(gòu)想與實(shí)驗(yàn)操作。

目前,針對平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì),教學(xué)的實(shí)驗(yàn)和演示方法主要有以下三種:

(1)將某種機(jī)構(gòu)做成實(shí)物模型,讓學(xué)生參考實(shí)物模型來做實(shí)驗(yàn);

(2)將某種機(jī)構(gòu)做成紙板模型,用紙板模型來演示;

(3)老師在計(jì)算機(jī)上作圖演示,學(xué)生模仿搭建。

第一種方法直觀性較好,學(xué)生能直接觀看到機(jī)構(gòu)模型的運(yùn)動(dòng),但實(shí)物模型通用性差,學(xué)生只能觀看到一種機(jī)構(gòu),且成本高,不宜推廣。第二種方法是將某種具體機(jī)構(gòu)的各種構(gòu)件做成簡單的模型,然后將各構(gòu)件回轉(zhuǎn)副中心固定在平板上,用手撥動(dòng)主動(dòng)構(gòu)件,并不斷調(diào)節(jié)各構(gòu)件的參數(shù),根據(jù)各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來尋找最佳的運(yùn)動(dòng)軌跡。該方法雖然制作簡單,演示直觀,但通用性低,參數(shù)調(diào)節(jié)不方便,而且誤差較大。第三種方法是利用了電腦的軟件畫出模型并進(jìn)行裝配仿真,這種方法操作方便,成本也低。但是,現(xiàn)有的機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式普遍存在實(shí)驗(yàn)案例固定,且運(yùn)動(dòng)仿真功能單一等局限,不利于學(xué)生的創(chuàng)新思維培養(yǎng)。因此,可以利用所開發(fā)的虛擬仿真平臺(tái),讓學(xué)生自己在電腦上進(jìn)行仿真,使之對機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)都有更深刻的了解和認(rèn)識(shí)。

(二)結(jié)合虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)改革

鑒于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的種種弊端,課題組結(jié)合虛擬仿真技術(shù),獨(dú)立開發(fā)了一套與真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)完全一樣的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[1]。這種虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在空間和時(shí)間上的局限性,學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)思路在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真模擬,既可利用課余時(shí)間繼續(xù)完成自己在實(shí)驗(yàn)課上未完成的實(shí)驗(yàn),又可以實(shí)現(xiàn)自己獨(dú)立構(gòu)想的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械課程的積極性。

學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠提前熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備的硬件組成及零件功能,掌握機(jī)構(gòu)組成原理及運(yùn)動(dòng)特性。學(xué)生通過虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)課程可進(jìn)一步掌握機(jī)構(gòu)的組成原理,熟悉桿組概念,學(xué)習(xí)分析機(jī)構(gòu)的特性,為機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)打下更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),提高機(jī)械原理課程的設(shè)計(jì)水平[1]。具體實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 運(yùn)用虛擬仿真平臺(tái)的平面結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)流程

(1)學(xué)生可以以小組形式研究實(shí)現(xiàn)虛擬裝配過程中裝配約束動(dòng)態(tài)識(shí)別的虛擬構(gòu)件的建模方法,提出各自的基于約束特征的建模方法,建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案拼裝實(shí)驗(yàn)中所需構(gòu)件的信息模型并形成構(gòu)件庫。

(2)根據(jù)提出的裝配關(guān)系動(dòng)態(tài)創(chuàng)建基于裝配約束動(dòng)態(tài)識(shí)別的虛擬裝配實(shí)現(xiàn)方案,在虛擬裝配過程中對構(gòu)件間的可實(shí)現(xiàn)裝配的約束特征進(jìn)行識(shí)別和配對,獲得配對結(jié)果后,通過相應(yīng)的映射準(zhǔn)則生成構(gòu)件間的裝配約束信息,實(shí)現(xiàn)構(gòu)件間的自由組合和裝配操作。

(3)結(jié)合Solidworks運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊,研究實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)裝配信息模型與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真邏輯模型間的映射方法,在完成機(jī)構(gòu)裝配操作的同時(shí),建立機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真邏輯模型,并使之應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真計(jì)算中,同時(shí)實(shí)時(shí)地將仿真結(jié)果用于機(jī)構(gòu)在虛擬環(huán)境中的驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,以此驗(yàn)證虛擬仿真結(jié)果的正確性與有效性。

最后,以上述機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案為基礎(chǔ),在創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,對機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行實(shí)物拼裝,完成平面機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。

通過仿真,根據(jù)多種不同的設(shè)計(jì)方案,可使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上自行拼裝不同的機(jī)構(gòu),充分發(fā)揮了學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈浹a(bǔ)傳統(tǒng)方式的不足,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,增強(qiáng)學(xué)生機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)及綜合設(shè)計(jì)的能力。仿真效果如圖2所示,學(xué)生搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。

圖2 平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真效果

圖3 學(xué)生搭建的平面機(jī)構(gòu)

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的意義

(一)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性

隨著高校教學(xué)的發(fā)展,現(xiàn)有的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有以下幾點(diǎn)通病:

(1)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)不被重視。高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直以來地位不高,通常以教學(xué)的輔助環(huán)節(jié)開設(shè),主要目的是幫助學(xué)生理解課本知識(shí),因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主,一般無法充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的綜合能力培養(yǎng)作用。

(2)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容缺乏創(chuàng)新。課程實(shí)驗(yàn)的重復(fù)率高,創(chuàng)新性低,教師也鮮在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容上下工夫,造成學(xué)生興趣的缺失,影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)有的作用。

(3)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備需求難以滿足。高校學(xué)生數(shù)量的迅速增加,造成了相應(yīng)教學(xué)設(shè)備的嚴(yán)重不足,相應(yīng)地,學(xué)校為添置實(shí)驗(yàn)設(shè)備而需的經(jīng)費(fèi)負(fù)擔(dān)加重。

老師把實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和擴(kuò)展講完之后,留給學(xué)生的動(dòng)手時(shí)間就很少了,更何況是創(chuàng)新。再加上實(shí)驗(yàn)條件的限制,做完實(shí)驗(yàn)后教學(xué)任務(wù)就算結(jié)束,系統(tǒng)培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ哪繕?biāo)就很難做到,培養(yǎng)創(chuàng)新精神更無從談起[3]。因此,采用虛擬仿真進(jìn)行教學(xué)改革很有必要。

基于虛擬仿真技術(shù)的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)可以作為對機(jī)械系統(tǒng)的前置了解實(shí)驗(yàn),為后續(xù)的機(jī)械制造機(jī)械設(shè)計(jì)等課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?；谔摂M仿真技術(shù)的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)是將實(shí)驗(yàn)和理論知識(shí)講述相結(jié)合的教學(xué)方法,在理論課程教學(xué)中,老師講解各個(gè)零件以及它們的連接方法知識(shí)的同時(shí),結(jié)合一些典型實(shí)體平面機(jī)構(gòu)連接實(shí)例進(jìn)行授課,學(xué)生經(jīng)過實(shí)驗(yàn)教學(xué)就能比較系統(tǒng)的了解平面機(jī)構(gòu)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為自由搭建任意合理的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┝丝赡?能滿足教師對各層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求,學(xué)生既可通過該平臺(tái)動(dòng)手操作,又可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),有利于培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和能力。

(二)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要性

虛擬實(shí)驗(yàn)概念的出現(xiàn),為解決上述的一些問題提供了新的解決方案。虛擬實(shí)驗(yàn)是指在虛擬場景中模擬真實(shí)場景實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)要求用戶在虛擬場景中進(jìn)行操作,運(yùn)用一定的器材和儀器采集實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù),并通過仿真計(jì)算得到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相符合的結(jié)果。虛擬實(shí)驗(yàn)注重實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性,通常建立在一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境(平臺(tái)仿真)之上。

在機(jī)械工程領(lǐng)域,應(yīng)用軟件進(jìn)行仿真,這為多自由度機(jī)械機(jī)構(gòu)合理設(shè)計(jì)提供了方法和依據(jù),從而可達(dá)到降低生產(chǎn)成本、縮短研制周期、提高質(zhì)量等目的[4]。這種方法在教學(xué)中同樣適用。學(xué)生按照老師給定的任務(wù)進(jìn)行平面機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新組裝設(shè)計(jì),通過學(xué)到的零件連接方法,對開展平面機(jī)構(gòu)的裝配組合分析。這對學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的提高具有明顯的效果,為課程設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

在進(jìn)行平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)前,首先讓學(xué)生根據(jù)自己的構(gòu)思和設(shè)計(jì)進(jìn)行連接組合,在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行仿真,然后進(jìn)行修正和改良,并不斷調(diào)整,這樣有助于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提高。該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的開發(fā)及在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用,已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面的重要環(huán)節(jié),極大地滿足了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)、做好實(shí)驗(yàn)的愿望,有著其他教學(xué)環(huán)節(jié)所不能替代的獨(dú)特作用。

三、總結(jié)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中引入仿真實(shí)驗(yàn),不僅使學(xué)生加深了對理論知識(shí)的理解,還能與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)起到互補(bǔ)的作用,有利于提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)。開設(shè)平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)的目的,是為了提高學(xué)生對機(jī)械系統(tǒng)的創(chuàng)新能力以及動(dòng)手的能力。利用計(jì)算機(jī)輔助的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法,對開闊學(xué)生思路、增強(qiáng)創(chuàng)新能力起到了重要作用[5]。新方法可以開發(fā)動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)軟件,且應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)和教學(xué)中,能更簡捷更方便地進(jìn)行教學(xué),節(jié)省了大量時(shí)間和資源。采用改革的教學(xué)方法,既能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力,指導(dǎo)教師又能對學(xué)生及時(shí)進(jìn)行指導(dǎo),使學(xué)生以更加積極的態(tài)度進(jìn)行課前準(zhǔn)備和開展實(shí)驗(yàn),思維也會(huì)處在比較活躍和開放的狀態(tài),不斷有新的想法和創(chuàng)意產(chǎn)生并付諸實(shí)施。對機(jī)械學(xué)科虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究,為進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提供了一條有效途徑。

[1]周曉玲.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2016.

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[3]劉元林.大工程背景下機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(1):14-16.

[4]李慎旺,劉鋒,稽海旭.多自由度煤礦機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真研究[J].煤礦機(jī)械,2013,34(5):99-101.

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(編輯: 鞏紅曉)

Teaching Reform of the Planar Mechanism Creative Combination Experiment Based on Virtual Simulation Technology

Zhou Xiaoling1,Wang Zhonghou2

(1.CenterofLaboratoryManagementandService,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

The design of planar linkage mechanism is an important part of mechanical principle experiments,which determines the dynamic performance and structures of mechanical systems.The paper illustrates the necessity and importance of the experimental teaching reform of the creatively combinated planar mechanism based on virtual simulation technology.A virtual experiment platform is developed for creative designing the combinated planar mechanism.This virtual experiment platform consists spare parts module and motion simulation module.It can meet the needs of different experimental teaching,which improves the experimental teaching method and enhances the efficiency of experimental teaching.It’s an effective way for the cultivation of students’ innovative ability.

planarmechanismcreativitycombinationexperiment;virtualsimulation;teachingreform

2016-03-11

周曉玲(1966-),女,工程師。研究方向： 機(jī)械制造。E-mail:zhouxlw163@163.com

G 642.423

A

1009-895X(2017)01-0079-04

10.13256/j.cnki.jusst.sse.2017.01.015