計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)在《機(jī)械原理》課程教學(xué)中的實(shí)踐

陳紅亮

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

《機(jī)械原理》課程是工科學(xué)校機(jī)械類專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)核心課，主要研究機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)等三方面內(nèi)容的分析與綜合，培養(yǎng)學(xué)生具有對(duì)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論分析能力，以及能夠綜合運(yùn)用各方面的知識(shí)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)優(yōu)化新型機(jī)構(gòu).因此，《機(jī)械原理》課題是一門理論和實(shí)踐高度結(jié)合的學(xué)科.該課程知識(shí)點(diǎn)多面廣，理論知識(shí)抽象枯燥，教學(xué)頗為困難.因此，各高校該課程教師都在研究如何提高該課程的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量[1-2].

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式分析

傳統(tǒng)教學(xué)模式以板書加多媒體教學(xué)為主，教學(xué)過(guò)程穿插實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析采用解析法和圖解法[3].傳統(tǒng)教學(xué)模式不可避免地存在一系列弊端，提高課堂教學(xué)效果的改革勢(shì)在必行.

(1)傳統(tǒng)教學(xué)模式?jīng)]有和當(dāng)代大學(xué)生特點(diǎn)充分結(jié)合

首先，現(xiàn)在的高等教育是普及化教育，學(xué)生知識(shí)掌握的基礎(chǔ)知識(shí)和社會(huì)知識(shí)差異性較大，這些差異會(huì)影響了課堂教學(xué)效果.其次，現(xiàn)在的學(xué)生學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，吸收新知識(shí)快，但實(shí)踐能力弱，關(guān)于機(jī)械機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容缺乏實(shí)踐驗(yàn)證，多數(shù)學(xué)生反應(yīng)本課程抽象、難學(xué).最后，相對(duì)于過(guò)去精英式教育大學(xué)生同期，他們掌握的計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)加技術(shù)遠(yuǎn)超前輩[4-5].

(2)板書加多媒體教學(xué)方式采用文字或課件形式

機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析與綜合采用的圖解法和解析法的課件多用PPT制作，圖片和文字的結(jié)合，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程難以形象展示，只能用視頻或?qū)嵨锬Ｐ?，效果都不盡如人意.因此這種教學(xué)方法屬于面對(duì)面?zhèn)鹘y(tǒng)“填鴨式”教學(xué)，教學(xué)資源過(guò)于單一，上課形式過(guò)于死板，學(xué)生學(xué)習(xí)十分被動(dòng)[6].

(3)實(shí)驗(yàn)課存在的問(wèn)題

首先，實(shí)驗(yàn)設(shè)備屬于固定資產(chǎn)，不能隨時(shí)更新，有的早已經(jīng)損壞.從而影響學(xué)生的動(dòng)手能力.其次，實(shí)驗(yàn)方法死板，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容因?qū)嶒?yàn)設(shè)備而設(shè)，內(nèi)容無(wú)法輕易改變.學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書“墨守成規(guī)”進(jìn)行操作就能完成實(shí)驗(yàn).學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)造的空間受到限制，學(xué)生的求知欲很難激發(fā)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?chuàng)新能力和解決問(wèn)題的能力得不到真正地培養(yǎng)[7].

(4)課程設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

首先，設(shè)計(jì)題目老套，而且每屆學(xué)生都是相同題目，不適應(yīng)時(shí)代變化要求，不能激發(fā)學(xué)生的興趣.其次，全班或者多人題目相同，沒有做到因材施教.最后，課程設(shè)計(jì)往往不能充分體現(xiàn)課程內(nèi)容的全局和重點(diǎn)，淡化了課程的精髓.比如課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書已經(jīng)擬定了傳動(dòng)方案，學(xué)生按部就班進(jìn)行設(shè)計(jì)，不會(huì)充分思考機(jī)構(gòu)傳動(dòng)形式的多樣性，無(wú)法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新.這些問(wèn)題的存在引起學(xué)生正確理解機(jī)械原理[7].

2 計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)和項(xiàng)目制教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式

隨著三維技術(shù)CAD和CAE、虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，借助于CAE軟件的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)已在各門學(xué)科獲得廣泛開展應(yīng)用.應(yīng)用較為普及的CAE軟件有Pro/E、UG、ADAMS等都可以滿足機(jī)械原理的輔助教學(xué)要求.

《機(jī)械原理》課程的教學(xué)中，由于采用圖解法和解析法教學(xué)，容易出現(xiàn)工科教學(xué)理科化的現(xiàn)象，導(dǎo)致知識(shí)僵化，很多學(xué)生不知其所用.因此為了促進(jìn)學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，課程理論教學(xué)以項(xiàng)目制教學(xué)方式教學(xué)，從而提高課程教學(xué)質(zhì)量[8].

項(xiàng)目制教學(xué)體現(xiàn)以學(xué)生為中心，項(xiàng)目為載體來(lái)實(shí)施教學(xué)的教學(xué)模式.以《機(jī)械原理》的課程教學(xué)為例，內(nèi)燃機(jī)作為《機(jī)械原理》課程中常規(guī)內(nèi)容可以作為主項(xiàng)目，內(nèi)燃機(jī)中包含的《機(jī)械原理》經(jīng)典三大機(jī)構(gòu)：連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)作為子項(xiàng)目.教學(xué)過(guò)程中理論聯(lián)系實(shí)際，分別講解各子項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力學(xué)分析等.通過(guò)這樣實(shí)際的項(xiàng)目案例教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)，提高基本技能，并舉一反三，拓展學(xué)生知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和知識(shí)應(yīng)用的能力[8].

項(xiàng)目制教學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)兩者并不矛盾，可以相輔相成.本文將以美國(guó)MSC公司的ADAMS軟件為例展開計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)項(xiàng)目制教學(xué)方法.

3 計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的項(xiàng)目制教學(xué)實(shí)踐

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，是美國(guó)MSC公司開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件，非常適合于《機(jī)械原理》的教學(xué)[9].

下面以內(nèi)燃機(jī)項(xiàng)目為例，內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)(見圖1).

圖1 內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)燃機(jī)工作原理是活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，從圖1可以看出，內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)上有凸輪機(jī)構(gòu)，飛輪帶動(dòng)的齒輪機(jī)構(gòu)以及曲柄連桿機(jī)構(gòu).所以該項(xiàng)目可以分為3個(gè)機(jī)械原理小項(xiàng)目，本文僅分析曲柄連桿機(jī)構(gòu).

汽車內(nèi)燃機(jī)中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(見圖2)，曲柄對(duì)應(yīng)內(nèi)燃機(jī)曲軸，連桿對(duì)應(yīng)連桿，滑塊對(duì)應(yīng)活塞.曲柄和機(jī)架、曲柄和連桿、連桿和滑塊之間連接是轉(zhuǎn)動(dòng)副，滑塊和機(jī)架之間連接是移動(dòng)副.

圖2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)示意圖

ADAMS軟件中提供了轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副等各種運(yùn)動(dòng)副，在教學(xué)過(guò)程中可以演示各種運(yùn)動(dòng)副的功能及其特點(diǎn)，對(duì)于缺少實(shí)踐的學(xué)生來(lái)說(shuō)，可以獲得更多的感性認(rèn)識(shí)，從而提高對(duì)機(jī)械原理的認(rèn)識(shí).建立曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的ADAMS模型(見圖3).

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的ADAMS模型

3.1 自由度計(jì)算

機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件相對(duì)于機(jī)架所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目稱為機(jī)構(gòu)的自由度，用F表示，F(xiàn)>0表示機(jī)構(gòu)具有原動(dòng)件，可以讓機(jī)構(gòu)有效運(yùn)動(dòng).

對(duì)于平面機(jī)構(gòu)，則：

F=3n-(2PL+PH)=3n-2PL-PH

(1)

式中：n—活動(dòng)構(gòu)件個(gè)數(shù)；

PL—低副個(gè)數(shù)；

PH—高副個(gè)數(shù).

所以對(duì)于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，有3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件和4個(gè)低副(3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和1個(gè)移動(dòng)副)，沒有高副，故其自由度為F=3×3-2×4=1.

也就是說(shuō)該機(jī)構(gòu)具有一個(gè)原動(dòng)件.

1自由度的計(jì)算結(jié)果在ADAMS軟件中的驗(yàn)證(見圖4).

圖4 ADAMS軟件中機(jī)構(gòu)驗(yàn)證

從圖中可以看出，該機(jī)構(gòu)具有3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和1個(gè)移動(dòng)副，具有1個(gè)自由度.

3.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

圖2建立了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)為A點(diǎn)，X軸、Y軸正方向如圖所示，那么在任意瞬時(shí)t，C點(diǎn)的向量方程為：

(2)

那么，C點(diǎn)向量方程在坐標(biāo)軸上的投影：

x=r2cosθ2+r3cosθ3

(3)

y=r2sinθ2-r3sinθ3

(4)

根據(jù)幾何學(xué)可知：

sinθ3=(r2/r3)×sinθ2=λsinθ2

(5)

所以：

(6)

式(5)中，λ=r2/r3是曲柄長(zhǎng)與連桿長(zhǎng)之比.將式(6)代入式(3)，并假設(shè)θ2=ωt，ω為曲柄角速度，就得到了滑塊的位移運(yùn)動(dòng)方程：

(7)

實(shí)際工程應(yīng)用中，λ取值通常在1/6～1/4之間，因此式(7)中將根式展開成λ2的冪級(jí)數(shù)，忽略λ4起的各項(xiàng)冪級(jí)數(shù)而作近似計(jì)算可得：

x=r2cos(ωt)+r3[1-0.5λ2sin2(ωt)-

0.125λ4sin4(ωt)+……]≈

r2cos(ωt)+r3-0.5r3λ2sin2(ωt)=

r2cos(ωt)+r3-0.25λ2[1-cos(2ωt)]

(8)

x≈r3(1-0.25λ2)+
r2[cos(ωt)+0.25λcos(2ωt)]

(9)

式(9)中x對(duì)時(shí)間分別求一次導(dǎo)和二次導(dǎo)，得到相應(yīng)的滑塊C速度和滑塊C加速度運(yùn)動(dòng)方程的表達(dá)式：

(10)

(11)

以上是數(shù)學(xué)理論分析，講解過(guò)程頗為復(fù)雜枯燥，不宜吸引學(xué)生.下面用ADAMS進(jìn)行一個(gè)周期的仿真模擬驗(yàn)證，結(jié)果(見圖5).

從圖中可以看出，曲柄以恒定的角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)上，滑塊的位移、速度和加速度曲線(見圖5)，從圖中可以看出，雖然曲柄角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，但滑塊的速度卻是變化的，反之亦然，所以為了保證汽車行駛過(guò)程的平穩(wěn)性，內(nèi)燃機(jī)宜采用多缸形式.

ADAMS軟件的優(yōu)化功能，限于篇幅，不再一一介紹.

圖5 曲柄的角速度、滑塊位移、速度和加速度隨時(shí)間關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

本文針對(duì)當(dāng)前大學(xué)生特點(diǎn)，結(jié)合社會(huì)生活中實(shí)際，提出以項(xiàng)目制教學(xué)為主、并輔以計(jì)算機(jī)輔助的教學(xué)模式.該教學(xué)過(guò)程中旁征博引，聲圖并茂，既弱化了枯燥乏味的公式證明，避免工科學(xué)生理科化；又強(qiáng)化了學(xué)生機(jī)械系統(tǒng)軟件的學(xué)習(xí)，可以刺激學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高課堂教學(xué)效果，達(dá)到教學(xué)目的.

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