基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械原理課程改革與實(shí)踐

王 芳 王瑞芳 平學(xué)成 劉 卉 張林靜

（天津科技大學(xué)，天津 300222）

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械原理課程改革與實(shí)踐

王 芳 王瑞芳 平學(xué)成 劉 卉 張林靜

（天津科技大學(xué)，天津 300222）

結(jié)合天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)宗旨，闡明了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與機(jī)構(gòu)分析理論對(duì)機(jī)械課程教學(xué)體系的重要性，提出基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械原理教學(xué)改革措施。通過(guò)課堂教學(xué)，強(qiáng)化解析法在平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及受力分析中的運(yùn)用；以課程設(shè)計(jì)為載體，將機(jī)械原理課程體系中的理論教學(xué)和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。實(shí)踐證明，在機(jī)械原理課程中引入虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析，這種理論教學(xué)與設(shè)計(jì)訓(xùn)練融合的創(chuàng)新組織形式，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、提高專業(yè)綜合素質(zhì)方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。

機(jī)械原理；虛擬樣機(jī)技術(shù)；解析法

一、引言

機(jī)械原理是天津科技大學(xué)機(jī)械類專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課和主干課，開(kāi)課于機(jī)械制圖、力學(xué)、金屬工藝學(xué)、互換性等課程之后，專業(yè)課之前，具有承上啟下的作用，以機(jī)構(gòu)及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主線，通過(guò)課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)各環(huán)節(jié)，夯實(shí)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)知識(shí)基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)和運(yùn)用先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)及方法分析解決工程問(wèn)題的能力[1-2]。

理論教學(xué)使學(xué)生掌握關(guān)于機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)器動(dòng)力學(xué)的基本理論，我校教學(xué)體系過(guò)去一直以圖解法為主，解析法為輔。課程設(shè)計(jì)作為機(jī)械類本科生的第一次課程設(shè)計(jì)，在我校每年涉及300多學(xué)生參與，目的是培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)系實(shí)際機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)分析和力分析的能力，對(duì)學(xué)生深入理解課程的理論知識(shí)、熟練應(yīng)用輔助設(shè)計(jì)工具起到積極推動(dòng)作用[2]。長(zhǎng)期以來(lái)，我校課程設(shè)計(jì)選題主要是牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力設(shè)計(jì)。學(xué)生多是參照設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)給定的機(jī)構(gòu)運(yùn)用圖解法按部就班完成導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)態(tài)靜力分析。單一的設(shè)計(jì)內(nèi)容、陳舊的設(shè)計(jì)方法，不能調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，制約了學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)揮，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。當(dāng)今制造業(yè)及先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，要求培養(yǎng)學(xué)生具備綜合設(shè)計(jì)能力。

隨著天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械類教學(xué)改革的不斷深入和課程體系的不斷完善，通過(guò)改革強(qiáng)化解析法，構(gòu)建基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械原理課程體系具有重要意義。

二、基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械原理課程教學(xué)改革探討

改革應(yīng)以學(xué)生為本，革新內(nèi)容、精煉理論、增強(qiáng)實(shí)踐，深化教學(xué)研究，更新教學(xué)觀念，依托信息技術(shù)，完善教學(xué)手段，在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與機(jī)構(gòu)分析理論研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)課程指導(dǎo)思想、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式等方面進(jìn)行機(jī)械原理課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐。

針對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，以圖解法為切入點(diǎn)，增加解析法的講解，優(yōu)化課程內(nèi)容設(shè)置，夯實(shí)理論基礎(chǔ)，形成以解析法為主的機(jī)械設(shè)計(jì)思路。依托先進(jìn)設(shè)計(jì)分析手段，將虛擬樣機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析方法有機(jī)融入課程，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式，以課程設(shè)計(jì)為載體，推進(jìn)教學(xué)方法改革，提高學(xué)生靈活運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)完成機(jī)械設(shè)計(jì)的能力[3-5]。增強(qiáng)課程教學(xué)過(guò)程管理與互動(dòng)，改進(jìn)課程考核評(píng)估方法，鍛煉學(xué)生自學(xué)能力，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作，建立面向?qū)嵺`應(yīng)用能力培養(yǎng)的考核方法，構(gòu)建適合該校學(xué)生培養(yǎng)方案的機(jī)械原理課程體系。建設(shè)整體規(guī)劃如圖1所示。

圖1 課程改革規(guī)劃

三、基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械原理課程教學(xué)改革實(shí)施

1.理論教學(xué)改革實(shí)施

將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入機(jī)械原理課程中，連續(xù)兩年在2012級(jí)和2013級(jí)材料成型及控制工程專業(yè)開(kāi)展試點(diǎn)教學(xué)及改革。

2015年，對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，針對(duì)平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化解析法在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及受力分析中的運(yùn)用，增加解析法的學(xué)時(shí)，介紹機(jī)構(gòu)各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)參數(shù)解析式的構(gòu)建方法和各構(gòu)件尺寸的求解方法；讓學(xué)生理解和掌握利用矢量方程、復(fù)數(shù)、矩陣的解析法開(kāi)展機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的基本理論和基本方法，如圖2所示。

圖2 理論課程改革

解析法的具體實(shí)現(xiàn)，需以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件為工具，工程軟件的熟練應(yīng)用是提高學(xué)生工程能力的重要環(huán)節(jié)。在課堂理論課程講解的基礎(chǔ)上，向?qū)W生介紹UG、SolidWorks、Pro/E、Matlab、ADAMS等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具的實(shí)體建模及運(yùn)動(dòng)仿真功能，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性并給學(xué)生布置軟件自學(xué)任務(wù)。在連桿、凸輪及齒輪三大機(jī)構(gòu)講解過(guò)程中，讓學(xué)生完成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、建模及運(yùn)動(dòng)仿真，根據(jù)學(xué)生掌握程度，做相應(yīng)指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，為后期運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

2.課程設(shè)計(jì)改革實(shí)施

傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)，都是安排在課程結(jié)束后學(xué)期末兩周完成，時(shí)間安排較為集中，一方面前期理論知識(shí)學(xué)生容易淡忘，另一方面各類期末考試分散學(xué)生精力，學(xué)生常突擊式完成設(shè)計(jì)，知其然不知其所以然，整個(gè)過(guò)程顯得疲憊匆忙，效果不理想，不能有效激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維。此次改革實(shí)踐中（圖3），在課程初期進(jìn)行課程教學(xué)體系講解并布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)，將設(shè)計(jì)貫穿到理論教學(xué)的整個(gè)過(guò)程，以課外作業(yè)形式依次完成連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)的方案選擇及設(shè)計(jì)。課程設(shè)計(jì)要完成圖紙和說(shuō)明書(shū)，并進(jìn)行答辯，傳統(tǒng)的考核方式基本屬于紙面考核，考核內(nèi)容相對(duì)固定，無(wú)法很好地體現(xiàn)學(xué)生的綜合能力。改革實(shí)踐依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的分割情況，健全平時(shí)考核制度，重在設(shè)計(jì)每個(gè)階段學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的考核。

2012級(jí)每班擇優(yōu)選擇三分之一同學(xué)采用解析法進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，并借助計(jì)算機(jī)完成機(jī)構(gòu)建模及仿真。對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，以組為單位，鼓勵(lì)每個(gè)人參與設(shè)計(jì)。通過(guò)試點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的同學(xué)，有更大興趣和積極性，學(xué)生通過(guò)仿真更直觀的看到了機(jī)構(gòu)的工作情況，提取了機(jī)構(gòu)各構(gòu)件位置、速度、加速度及受力大小，收到了良好的學(xué)習(xí)效果。

圖3 課程設(shè)計(jì)改革

2013級(jí)試點(diǎn)過(guò)程中，每班擴(kuò)大到三分之二同學(xué)以計(jì)算機(jī)完成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析。通過(guò)學(xué)生和老師多途徑搜集課程設(shè)計(jì)題目，增加設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性設(shè)計(jì)題目，以拓展其學(xué)習(xí)時(shí)間和空間，滿足不同學(xué)生的要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)由模仿型變?yōu)樗伎夹?。為了更好的指?dǎo)學(xué)生，利用網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)模式的改革，學(xué)生之間的交流和討論活躍，能及時(shí)有效地解決設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，贏得更多時(shí)間開(kāi)展下一階段的工作。運(yùn)用不同軟件工具得到的結(jié)果可以相互驗(yàn)證。部分優(yōu)秀學(xué)生通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行機(jī)構(gòu)方案的選擇和確定，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)，完成了機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化，并通過(guò)構(gòu)件形狀設(shè)計(jì)及材料選擇，完成機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，掌握了基于虛擬樣機(jī)技術(shù)完成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析的能力，創(chuàng)造性思維也得到很好的鍛煉。

四、結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬樣機(jī)的機(jī)械原理課程改革，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生普遍反應(yīng)收獲較大，學(xué)生在學(xué)習(xí)課程理論內(nèi)容的同時(shí)，掌握了先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和工具，提高了科學(xué)研究的能力與水平，培養(yǎng)了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和科技創(chuàng)新的能力。實(shí)踐過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，設(shè)計(jì)題目還需進(jìn)一步精心設(shè)計(jì)，達(dá)到綜合鍛煉的目的，并逐漸將這種理論教學(xué)與設(shè)計(jì)訓(xùn)練融合的創(chuàng)新組織形式推廣到更多的專業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和應(yīng)用能力，適應(yīng)機(jī)械領(lǐng)域的需求。

[1]孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]郭衛(wèi)東，劉榮，李繼婷.機(jī)械原理課程體系與教學(xué)內(nèi)容的改革與實(shí)踐[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2008，26（S1）：8-10.

[3]張毅杰，孔令瓊，施杰，等.SolidWorks在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程體系中的應(yīng)用研究[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，8（1）：67-71.

[4]姚智華，易勇，陳豐，等.《機(jī)械原理》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，27（5）：74－76.

[5]黃小龍.虛擬樣機(jī)技術(shù)在“機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育，2013（4）：102-103.

（責(zé)任編輯：姚歆燁）

Reforming the Mechanical Principle Course Based on Virtual Prototype Technology

WANG Fang,WANG Ruifang,Ping Xuecheng,LIU Hui,ZHANG Linjing
（Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300222,China）

With the progress of teaching team construction and teaching reform in the College of Mechanical Engineering in Tianjin University of Science and Technology，the modern design method and analytical theory of mechanism have become more and more important in the mechanical principle course.Therefore,a curriculum reform based on virtual prototype technology was proposed.In classroom teaching,the analytical method was applied to the analysis of motion and dynamics in plane linkage.The new curriculum combined theory with practice,and introduced virtual prototyping technology into the course.As a result, the interest of the students has been inspired,and their innovation ability and professional quality have improved.

mechanical principle;virtual prototyping technology;analytical method

G642.0

王芳（1982—），女，副教授，研究方向：生物力學(xué)、機(jī)械CAD/CAE。

天津科技大學(xué)青年教師創(chuàng)新基金（教育教學(xué)類）（2014JXC01）。