面向工程能力培養(yǎng)的起重運(yùn)輸機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

焦淵

摘? 要 在剖析原有起重運(yùn)輸機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程教育認(rèn)證人才培養(yǎng)體系的建設(shè)思路，以學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)新的起重運(yùn)輸機(jī)械課程實(shí)驗(yàn)。將起重運(yùn)輸機(jī)械的原理實(shí)驗(yàn)與相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有機(jī)整合，同時(shí)開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，使得新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容促進(jìn)學(xué)生知識(shí)應(yīng)用的工程能力培養(yǎng)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞 工程能力;起重運(yùn)輸機(jī)械;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）20-0124-02

Design and Development of Hoisting and Conveying Machinery Experiment Teaching Oriented to Engineering Ability Training//JIAO Yuan

Abstract Based on the analysis of the shortcomings of the original experimental teaching mode of lifting and transporting machinery， a new experiment of lifting and transporting machinery， combined with the construction idea of engineering education certification per-sonnel training system ， is designed. It is aimed at the cultivation of?students engineering practice ability and innovation spirit. The prin-ciple experiment of hoisting and conveying machinery is organically integrated with related stress-strain test. At the same time， the virtual simulation experiment teaching system is developed， which makes the new experiment contents promote the cultivation of students engineering ability of knowledge application and improve the level of experimental teaching.

Key words engineering capability; hoisting and conveying machi-nery; virtual simulation; experiment teaching

1 引言

起重運(yùn)輸機(jī)械課程是西安建筑科技大學(xué)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)方向必修課程，著重講解起重運(yùn)輸機(jī)械的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，以及典型起重運(yùn)輸機(jī)械——塔式起重機(jī)的總體設(shè)計(jì)的基本理論、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)等，理論性及應(yīng)非常強(qiáng)。

在工程認(rèn)證過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是認(rèn)證專(zhuān)家考查學(xué)生是否達(dá)到畢業(yè)要求的重要環(huán)節(jié)之一。因此，把握好工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，落實(shí)指標(biāo)體系的新要求，將有利于進(jìn)一步完善課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量并為畢業(yè)要求提供支撐[1-2]。

本文在分析原有起重運(yùn)輸機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式不足之處的基礎(chǔ)上，結(jié)合西安建筑科技大學(xué)人才培養(yǎng)實(shí)際情況，調(diào)整原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使培養(yǎng)的學(xué)生能夠滿足工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo)。

2 起重運(yùn)輸機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

課程是在學(xué)習(xí)了結(jié)構(gòu)力學(xué)與鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)的一門(mén)課，通過(guò)本課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的訓(xùn)練，使學(xué)生具有對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的動(dòng)手操作能力、方案設(shè)計(jì)能力、數(shù)據(jù)分析處理能力。從知識(shí)體系的完整性、學(xué)生接受能力等各方面綜合考慮，原有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相對(duì)局限? 起重運(yùn)輸機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)非獨(dú)立設(shè)課，四個(gè)學(xué)時(shí)，依附于起重運(yùn)輸機(jī)械課程的理論教學(xué)。由于起重運(yùn)輸機(jī)械包含的知識(shí)面極廣，要在如此短的學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生掌握各種典型起重運(yùn)輸機(jī)械的用途、工作原理、組成和使用方法是無(wú)法做到的。因此，起重運(yùn)輸機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅僅定位于設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理，內(nèi)容寬泛且單調(diào)。

多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生缺乏主動(dòng)性? 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)學(xué)生不知道要做哪些實(shí)驗(yàn)，如何做實(shí)驗(yàn)，只是一味地聽(tīng)教師的講解與安排，缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)置多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中過(guò)于依賴教師，很難達(dá)到培養(yǎng)動(dòng)手能力和自主應(yīng)用能力的目的。就是學(xué)校日常教學(xué)更關(guān)注理論知識(shí)的教授，忽略了實(shí)踐是理論知識(shí)向能力轉(zhuǎn)化的重要的載體作用，最終造成教與用的脫節(jié)[3]。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏與工程實(shí)際相結(jié)合? 起重運(yùn)輸機(jī)械的結(jié)構(gòu)、工作原理實(shí)驗(yàn)設(shè)置只能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的直觀理解，缺乏創(chuàng)新性，沒(méi)有拓展學(xué)生的設(shè)計(jì)思維，對(duì)于運(yùn)用知識(shí)解決工程能力的問(wèn)題作用不大。

3 面向工程能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

根據(jù)工程認(rèn)證對(duì)課程目標(biāo)的要求，在原有的基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加具有工程應(yīng)用的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能基于工作原理并采用科學(xué)方法對(duì)機(jī)械系統(tǒng)、部件、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)方案;能根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn);能正確采集和整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋?zhuān)⑼ㄟ^(guò)信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)是掌握典型起重運(yùn)輸機(jī)械的用途、型號(hào)、技術(shù)性能及參數(shù)和選擇使用方法，能識(shí)別起重運(yùn)輸機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵部件及參數(shù)，使學(xué)生對(duì)起重機(jī)械產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí);掌握起重機(jī)械的組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及各工作機(jī)構(gòu)的工作原

理;了解金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)量系統(tǒng)的組成和測(cè)量方法;了解起重臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法及其運(yùn)動(dòng)分析和控制系統(tǒng)的組成。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科研精神，掌握本課程實(shí)驗(yàn)相關(guān)的基本技能和實(shí)踐動(dòng)手能力。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，將起重運(yùn)輸機(jī)械的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有效地銜接起來(lái)，知識(shí)結(jié)構(gòu)更加完整、統(tǒng)一，提高學(xué)生的邏輯思維能力和理解能力，鞏固知識(shí)點(diǎn)，鍛煉學(xué)生的工程應(yīng)用能力。根據(jù)課程需要，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以開(kāi)設(shè)下面一些內(nèi)容。

1）起重臂應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)。起重臂應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)主要使學(xué)生掌握起重運(yùn)輸機(jī)械測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析方法，根據(jù)工程的實(shí)際要求布置應(yīng)變片，并能夠?qū)y(cè)試系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

將工程測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題，讓學(xué)生通過(guò)分析計(jì)算此數(shù)學(xué)模型確定三種工況下，即最大幅度起吊額定起重量工況、跨中起吊額定起重量工況、在最小幅度處起吊額定起重量工況，起重臂最大應(yīng)力發(fā)生的位置。在此基礎(chǔ)上根據(jù)分析結(jié)果布置應(yīng)變片，選擇測(cè)點(diǎn)、布片、組橋。按圖1所示連接組成測(cè)量系統(tǒng)，分別施加三種典型工況下的吊重載荷，設(shè)置通道頻率以及量程，采集應(yīng)變信號(hào);對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值。

2）開(kāi)發(fā)塔式起重機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將理論教學(xué)中的難點(diǎn)內(nèi)容和演示性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目虛擬和仿真化，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)理論教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的低消耗、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的零污染，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，消除實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性，增加學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)[4]。如圖2、圖3所示，在虛擬仿真系統(tǒng)中對(duì)塔機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)知和拆分;通過(guò)在虛擬系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬模塊化，實(shí)現(xiàn)塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、頂升機(jī)構(gòu)的虛擬控制;給定起升、變幅、回轉(zhuǎn)速度，通過(guò)仿真繪制吊重的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。

通過(guò)3D模型仿真，使學(xué)生對(duì)起重機(jī)原理、結(jié)構(gòu)、工作的全過(guò)程有更為清楚的認(rèn)識(shí)，深入掌握塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)塔身、塔帽、起重臂、平衡臂、底座的結(jié)構(gòu)形式及其功能;掌握塔式起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)和安全回路的程序設(shè)計(jì);掌握塔式起重機(jī)各工作機(jī)構(gòu)控制方式和工作原理及其安全監(jiān)控原理。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的相互補(bǔ)充、優(yōu)化配置，提升學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)知識(shí)的轉(zhuǎn)化與拓展，從而達(dá)到工程認(rèn)證人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系整合設(shè)計(jì)，從整體知識(shí)構(gòu)成出發(fā)，注重知識(shí)的全面性和系統(tǒng)性，使學(xué)生形成一個(gè)系統(tǒng)的、完整的知識(shí)框架，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力，解決原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、手段單一，沒(méi)有充分重視學(xué)生的知識(shí)綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)的問(wèn)題，從而為培養(yǎng)高素質(zhì)的工程應(yīng)用型人才打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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