軟件助力“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程 信息化教學(xué)的研究與實(shí)踐

王增勝 張勤 靳程業(yè)

摘要：本文分析了“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的性質(zhì)、地位、特點(diǎn)及當(dāng)前教學(xué)所存在的問題；同時(shí)針對(duì)“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程內(nèi)容的具體特點(diǎn)，分別舉例說明了思維導(dǎo)圖、SimMechanics、幾何畫板、AutoCAD等軟件在該課程中的應(yīng)用，論述了軟件在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程信息化教學(xué)中的重要作用，指出了選用軟件時(shí)需要注意的問題，對(duì)該課程的信息化教學(xué)改革具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：思維導(dǎo)圖；SimMechanics；幾何畫板；AutoCAD

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2018）17-0101-04

“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程是機(jī)械類和近機(jī)械類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，在整個(gè)課程體系中，起著承上啟下的作用?！皺C(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程主要包括機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，其內(nèi)容以常用機(jī)構(gòu)和通用零件的基礎(chǔ)知識(shí)和一般設(shè)計(jì)方法為主。該課程具有以下特點(diǎn)：①內(nèi)容多而雜，具體表現(xiàn)為概念多、公式多、參數(shù)多、圖表多，計(jì)算過程繁復(fù)；②散而亂，具體表現(xiàn)為章節(jié)獨(dú)立，表面上相干性不大；③理論抽象，如機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的動(dòng)態(tài)性，不易理解；④實(shí)踐性強(qiáng)，與生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系緊密。該課程因?yàn)榫哂猩鲜鎏攸c(diǎn)而給教師的教學(xué)與學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了一定的困難，教學(xué)效果不甚理想。

由于計(jì)算機(jī)具有快速數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，其軟件被越來越多地應(yīng)用到教學(xué)中輔助教學(xué)過程，從而實(shí)現(xiàn)了信息化教學(xué)，優(yōu)化了教學(xué)手段，改善了教學(xué)效果。在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)中，筆者針對(duì)該課程的特點(diǎn)和教與學(xué)的困境，嘗試應(yīng)用幾款軟件輔助教學(xué)，取得了不錯(cuò)的效果。

基于思維導(dǎo)圖軟件的知識(shí)體系構(gòu)建

“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程章節(jié)相對(duì)獨(dú)立，知識(shí)點(diǎn)多，表面上散而亂，學(xué)生學(xué)完之后無法建立起相互聯(lián)系的牢固的知識(shí)體系，更談不上靈活應(yīng)用。教師需要幫助或引導(dǎo)學(xué)生梳理學(xué)習(xí)材料的內(nèi)容框架，理清知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系。而思維導(dǎo)圖是一種輔助思考工具，用于輔助梳理思路。[1]因此，教師在備課時(shí)可以直接利用思維導(dǎo)圖軟件，把講課內(nèi)容的框架搭建出來，上課時(shí)直接呈現(xiàn)給學(xué)生。這個(gè)框架就是教學(xué)內(nèi)容的“骨架”和“經(jīng)絡(luò)”，而具體的知識(shí)點(diǎn)形成“血”和“肉”。進(jìn)一步，教師可以要求學(xué)生利用思維導(dǎo)圖軟件自行搭建知識(shí)框架。下頁圖1是緒論部分的思維導(dǎo)圖：由圖1（a）可知，緒論部分主要解決三個(gè)問題，即該課程“學(xué)什么”“為什么學(xué)”和“怎么學(xué)”的問題，同時(shí)簡(jiǎn)要給出了答案。圖1（b）是緒論部分幾個(gè)概念之間的相互關(guān)系。可見，通過思維導(dǎo)圖，可以使思維可視化、形象化，使學(xué)習(xí)材料的核心內(nèi)容和邏輯關(guān)系躍然紙上，有利于學(xué)生抓住學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，提高學(xué)習(xí)效率。總之，應(yīng)用思維導(dǎo)圖軟件，對(duì)教師而言，可以輔助備課，整理授課的邏輯思路；對(duì)學(xué)生而言，不僅有助于建立知識(shí)體系，夯實(shí)所學(xué)知識(shí)，而且獲得了實(shí)用的軟件技能和學(xué)習(xí)方法。

基于軟件的機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)過程展示

1.基于SimMechanics的連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的特點(diǎn)之一是有很多動(dòng)態(tài)過程，如機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角或壓力角的變化，位移、速度、加速度等的變化，運(yùn)動(dòng)軌跡等。這些動(dòng)態(tài)過程的理論分析繁復(fù)枯燥，不易理解，而用動(dòng)態(tài)過程展示則直觀生動(dòng)，有助于學(xué)生對(duì)理論的理解。

圖2為基于SimMechanics的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)仿真，SimMechanics是一個(gè)在Matlab/Simulink環(huán)境下直接使用的模塊集，它提供了各種常見機(jī)構(gòu)的模塊。[2]建模時(shí)，可以像堆積木一樣將機(jī)構(gòu)的模型搭建出來（如圖2（a）所示），再通過檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)模塊和普通的Simulink模塊連接起來，獲得整個(gè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

建模時(shí)無需編程，只需要對(duì)各模塊經(jīng)過簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置即可獲得機(jī)構(gòu)的模擬動(dòng)畫（如圖2（b）所示）、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)（如圖2（c）所示）及軌跡（如圖2（d）所示）等。利用SimMechanics建模，簡(jiǎn)單高效，易于理解，尤其是驅(qū)動(dòng)的設(shè)置和傳感信號(hào)的提取非常方便，可作為動(dòng)畫演示、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、模擬樣機(jī)干涉檢驗(yàn)等的有利工具。

2.基于幾何畫板的機(jī)構(gòu)動(dòng)畫演示

幾何畫板（The Geometer's Sketchpad）是一個(gè)通用的數(shù)學(xué)、物理教學(xué)平臺(tái)軟件，代表了當(dāng)代專業(yè)工具平臺(tái)類教學(xué)軟件的發(fā)展方向。[3]該軟件提供了豐富而方便的創(chuàng)造功能，用戶只需要熟悉軟件的簡(jiǎn)單使用技巧即可自行設(shè)計(jì)和編寫應(yīng)用范例，隨心所欲地編寫出自己需要的教學(xué)課件，實(shí)現(xiàn)教學(xué)思想。

筆者就幾何畫板的應(yīng)用及開發(fā)的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索發(fā)現(xiàn)，幾何畫板在中學(xué)數(shù)學(xué)、物理的教學(xué)中應(yīng)用甚為廣泛，但在高校機(jī)械教學(xué)和科研中的應(yīng)用卻極為少見。幾何畫板使用簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，并無需編程，且具有在運(yùn)動(dòng)和變化中保持所給定的幾何關(guān)系的特色。因此可較好地適用于機(jī)構(gòu)的動(dòng)畫演示及軌跡生成。[4]圖3所示是利用幾何畫板制作的漸開線形成和凸輪的動(dòng)畫演示。可見，幾何畫板制作的模型直觀簡(jiǎn)潔，凸顯了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)原理。

基于應(yīng)用軟件的機(jī)構(gòu)和機(jī)械零件設(shè)計(jì)

1.AutoCAD在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往用到圖解法，圖解法簡(jiǎn)單直觀，但尺規(guī)作圖耗時(shí)費(fèi)力，而且誤差較大。AutoCAD是一款通用的繪圖軟件，學(xué)生在學(xué)習(xí)“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程之前已經(jīng)學(xué)過AutoCAD軟件，用AutoCAD進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)事半功倍，精確度高，而且可以完成自動(dòng)測(cè)量。圖4所示是用AutoCAD完成的一道作業(yè)題：已知偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄LAB=25mm，連桿LBC=75mm，偏距e=10mm。要求作圖求：（1）行程H和極位夾角θ；（2）曲柄為主動(dòng)件時(shí)，機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角γmin。[5]解題時(shí)，分別以A為圓心，以LBC-LAB=50mm和LBC+LAB=100mm為半徑作圓，得到C1和C2兩個(gè)極限位置，通過標(biāo)注線性尺寸可直接得到滑塊行程H=50.51mm，通過標(biāo)注角度可直接得到極位夾角θ=6°。當(dāng)曲柄處于垂直位置時(shí)，傳動(dòng)角最小，γmin=62°。

2.其他專用軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在機(jī)械零件設(shè)計(jì)過程中，有很多繁復(fù)枯燥的公式。教師在講到具體計(jì)算過程時(shí)往往事倍功半，效果不理想；學(xué)生在完成作業(yè)時(shí)計(jì)算量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且容易出錯(cuò)。由于機(jī)械零件的設(shè)計(jì)流程固定，同時(shí)隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，出現(xiàn)了各種專用的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。教師在授課時(shí)，可以先講解某具體零件設(shè)計(jì)的流程和思想，再結(jié)合軟件和教材中的例子進(jìn)行說明。圖5所示為基于軟件的V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算（圖（a）為開始計(jì)算界面），在設(shè)計(jì)時(shí)，只需要按照流程寫入或選擇相應(yīng)的參數(shù)，便可自動(dòng)完成普通V帶傳動(dòng)的每一步計(jì)算，算好后點(diǎn)擊“下一步”即可完成整個(gè)設(shè)計(jì)（圖（b）為計(jì)算結(jié)果界面）。該軟件中嵌入了設(shè)計(jì)過程中需要查詢的表格，并具有插值算法及打印、保存等功能，使用時(shí)十分方便。學(xué)生在熟悉了零件的設(shè)計(jì)流程、計(jì)算原理及參數(shù)意義之后，使用軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)可以提高效率，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的積極性和成就感。

結(jié)論

教育信息化的核心內(nèi)容是教學(xué)信息化。教育信息化要求在教育過程中較全面地運(yùn)用以計(jì)算機(jī)、多媒體和網(wǎng)絡(luò)通信為基礎(chǔ)的現(xiàn)代信息技術(shù)。在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)過程中，針對(duì)課程內(nèi)容的具體特點(diǎn)，均有相應(yīng)的軟件工具可以利用。需要注意的是，在選擇軟件時(shí)，要根據(jù)學(xué)生的軟件基礎(chǔ)，選擇簡(jiǎn)單高效、上手快的軟件，要以解決問題為目標(biāo)，不要盲目追求功能強(qiáng)大的大型軟件，否則學(xué)生學(xué)起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易造成挫敗感。另外，要有意識(shí)地讓學(xué)生利用軟件來解決問題，如可以要求學(xué)生利用某款軟件完成作業(yè)等。總之，合適的軟件用于輔助教學(xué)可起到事半功倍的作用。軟件的使用，既提升了學(xué)生的軟件技能，又激發(fā)了其學(xué)習(xí)興趣，改善了教學(xué)效果；同時(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生“利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”和“學(xué)以致用”的意識(shí)，對(duì)學(xué)生適應(yīng)信息化社會(huì)，具有一定的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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[4]王增勝，孔令云，楊漢嵩，等.幾何畫板在機(jī)械原理動(dòng)畫演示中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2016（1）：92-94.

[5]鮑莉.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].鄭州：河南科技出版社，2016，6.

作者簡(jiǎn)介：王增勝（1980—），男，山西介休人，黃河科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院副教授，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)仿真。

基金項(xiàng)目：本文系2017年河南省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“應(yīng)用型高校機(jī)械類專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革研究與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：2017SJGLX127）研究成果之一。