機(jī)械原理簡圖“運動”教學(xué)實踐

王利霞 馮占榮 朱保利

摘 ?要：針對《機(jī)械原理》基礎(chǔ)部分“運動簡圖”在教學(xué)中學(xué)生難以理解、學(xué)習(xí)興趣不高且效果差的狀況，提出以CATIA草繪工具為手段，以運動簡圖為出發(fā)點，使機(jī)構(gòu)運動簡圖“運動”起來的教與學(xué)的方法，該方法不僅可提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，更可激發(fā)創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新精神。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理;運動;草繪;機(jī)構(gòu)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）11-0112-03

Abstract： In view of the fact that the basic part of the "Mechanical Principles" "sports diagram" is difficult for students to understand， and their interest of learning is not high and the effect is poor. The CATIA sketching tool is used as a means to use the movement sketch as the starting point to make the movement of the organization simple. The teaching and learning method of "sports" is not only to improve students' interest in learning， but also to stimulate innovation and enhance the spirit of innovation.

Keywords： mechanical principle; motion; sketch; institution

機(jī)械原理是一門以機(jī)構(gòu)運動簡圖為基本研究、學(xué)習(xí)對象的課程。所以學(xué)生對機(jī)構(gòu)運動簡圖的理解及掌握程度直接決定了該門及后續(xù)相關(guān)課程的好壞。機(jī)械原理的學(xué)生對于機(jī)構(gòu)運動簡圖設(shè)計及分析的恐懼就是不知如何在圖紙上對靜止的二維簡圖表達(dá)頭腦中的機(jī)構(gòu)運動，也就是說學(xué)生在靜止的二維簡圖表達(dá)上是短板，學(xué)生設(shè)計的難點恰恰在于頭腦里有各機(jī)構(gòu)形式，無法將各種機(jī)構(gòu)有效的組合并準(zhǔn)確表達(dá)出組合出機(jī)構(gòu)的運動形式。該課程在各大高等院校的開展已有幾十年的歷史，取得了一定的教學(xué)成果，課程教學(xué)方式也有巨大的改進(jìn)。然而在以往該課程教學(xué)中，仍存在許多缺陷與不足，亟待改進(jìn)。例如從教學(xué)手段上：目前主要采用慕課（MOOC）[1]、反轉(zhuǎn)課堂（Flipped Class Model）[2]、微課[3]、移動教學(xué)和混合式教學(xué)[4，5]等，可在一定程度上提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，但這些方法并未在本質(zhì)上對機(jī)械原理教學(xué)難以理解內(nèi)容做改進(jìn)，以往學(xué)生難以消化、接受的內(nèi)容還是較難理解。隨著計算機(jī)的普及應(yīng)用也有采用Matlab、Flash動畫方式[6，7]，但此種方式對于教師需要涉及非專業(yè)軟件Flash的學(xué)習(xí)及對機(jī)械原理的深入理解及把握，而學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更是不會應(yīng)用也不可能用其輔助學(xué)習(xí)到相應(yīng)的原理，也就無從談及創(chuàng)新設(shè)計了。

基于此，本文提出基于CATIA草繪工具，利用它快速將頭腦中的構(gòu)思以運動形式形象的表達(dá)出來，使教師的教或?qū)W生的學(xué)得到輔助理解的效果，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械系統(tǒng)方案創(chuàng)新設(shè)計的思維方式和方法，以及機(jī)械系統(tǒng)方案的綜合設(shè)計能力、創(chuàng)新設(shè)計能力和工程實踐能力。

一、“運動”功能的實現(xiàn)方法

結(jié)合作者多年機(jī)械原理教學(xué)經(jīng)驗，改進(jìn)機(jī)械原理教學(xué)方式，將CATIA草繪運動仿真功能技術(shù)引入機(jī)械原理課程教學(xué)中，能真正實現(xiàn)運動簡圖的“運動”功能。CATIA運動簡圖的“運動”功能主要由兩種方式來實現(xiàn)，可滿足不同的難易及應(yīng)用場合。

（1）借助CATIA草繪的“對約束應(yīng)用動畫”功能可使已繪機(jī)構(gòu)運動簡圖真正的運動起來，操作簡單、快捷且現(xiàn)象顯著，可實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計，但該功能驅(qū)動尺寸限制為1。

（2）借助CATIA草繪繪圖功能及“DMU仿真”可繪制已經(jīng)有三維模型圖的機(jī)構(gòu)運動簡圖，并使其三維圖及機(jī)構(gòu)運動簡圖一起實現(xiàn)“運動”效果，操作相對繁雜，可實現(xiàn)復(fù)雜機(jī)構(gòu)運動簡圖的繪制并得以驗證運動簡圖的正確性，該功能無自由度限制。

不論使用方法（1）還是方法（2）均能有效解決以往機(jī)械原理課程教學(xué)中存在的缺陷與不足，可提高機(jī)械原理課程教學(xué)的直觀性，加深學(xué)生對機(jī)構(gòu)組成與機(jī)構(gòu)運動的理解，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，為培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與分析的能力奠定基礎(chǔ)。因方法（2）是在成型三維圖的情況下由草繪構(gòu)件并借助DMU仿真來實現(xiàn)的，操作較為繁雜，限于篇幅本文不再展開論述，故以方法（1）進(jìn)行舉例說明其實踐設(shè)計過程。

二、對約束應(yīng)用動畫實踐

運動簡圖涉及到圖形相對比較簡單，但為了更具體、明確說明該方法，首先對CATIA軟件草繪繪制常用構(gòu)件及運動副部分工具做一簡要說明。

圖1所示為一與尺寸無關(guān)的常用帶鉸鏈機(jī)架及帶鉸鏈移動副示意圖。分別依次采用②③⑥⑨⑦及①②⑦⑥③完成，具體設(shè)計步驟本文不再展開說明。

（二）實例實踐

在講解曲柄存在條件的前期給學(xué)生布置一簡單題目，以起到預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)、探知的功效，如：繪制一導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，并將其按曲柄與機(jī)架角度約束進(jìn)行動畫設(shè)計，觀察不同桿長條件下雙曲柄存在的條件。

在檢查學(xué)生預(yù)習(xí)作業(yè)時，由于未對桿長做限制，作業(yè)五花八門，但均能得到有效結(jié)論，圖2為某一同學(xué)原始繪制示意圖（為節(jié)省無用功，前期預(yù)習(xí)及作業(yè)中已經(jīng)將圖1所示部分發(fā)放給了學(xué)生，圖2中為表達(dá)清楚，將創(chuàng)建過程中無關(guān)約束進(jìn)行了隱藏）。通過選中曲柄與機(jī)架夾角→ ? ?，通過合理設(shè)計即可得到運動仿真動畫，如圖3。

圖4為原始繪制運動簡圖在各種角度下的截圖，由圖中可看出，長度為15的構(gòu)件（曲柄）可做整周回轉(zhuǎn)，但由于沒有長度為40的機(jī)架長，導(dǎo)桿始終不能做整周回轉(zhuǎn)，即得到的結(jié)果是單一曲柄機(jī)構(gòu)。

當(dāng)增加初始曲柄長度時，可得到如圖5所示機(jī)構(gòu)（為了使滑塊始終在導(dǎo)桿上運動，圖5中適當(dāng)加長了導(dǎo)桿長度）。由圖中可得到長度為60的構(gòu)件（曲柄）可做整周回轉(zhuǎn)，且長度為60的構(gòu)件（曲柄）大于了長度為40的構(gòu)件（機(jī)架），故導(dǎo)桿也均可做整周回轉(zhuǎn)，即得到的結(jié)果是雙曲柄機(jī)構(gòu)。

最終該生得到的結(jié)論是：當(dāng)初始繪圖結(jié)果中曲柄大于機(jī)架長度時即可得到雙曲柄，反之即為單曲柄。并且導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與桿長絕對長度沒有關(guān)系，僅與相對長度成一定的關(guān)系。該結(jié)論已符合實際條件。

由本實例可知，通過CATIA的草繪功能來實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運動仿真，不僅實現(xiàn)了靜止不動的運動簡圖能“運動”起來，加深學(xué)生對機(jī)構(gòu)運動的理解，更可激發(fā)學(xué)生的探知欲望。

三、結(jié)束語

1. 機(jī)構(gòu)運動簡圖運動起來的思想是實現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)思的靜止與運動的統(tǒng)一，突破了傳統(tǒng)設(shè)計呆板性、易理解性的割裂，可大大提高機(jī)械原理的認(rèn)知水平，有利于培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計和工程綜合分析能力。

2. 由于使運動簡圖形象地動了起來，能展示復(fù)雜形體的運動情況，使學(xué)生做設(shè)計時對知識點的理解更加清晰、生動。既滿足了學(xué)生對一門技能（CATIA軟件）實際應(yīng)用的需要，又可提高教學(xué)質(zhì)量。

3. 通過實現(xiàn)運動簡圖的運動仿真，特別是進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計后，通過簡圖的運動仿真分析軌跡、瞬心、急回等來驗證設(shè)計的合理性，可使其理論聯(lián)系實際。并通過合理修訂與反饋，做出相應(yīng)設(shè)計修改，可增強(qiáng)學(xué)生的批判意識，提高學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新精神。

參考文獻(xiàn)：

[1]江帆，張春良，王一軍，等.“機(jī)械原理”MOOC教學(xué)設(shè)計[J].工業(yè)和信息化教育，2017（07）：33-37.

[2]邱寶梅，鄭太雄.《機(jī)械原理》翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的探討[J].教育教學(xué)論壇，2018（48）：143-144.

[3]王棟，田輝，張秀麗，等.微課在《機(jī)械原理》課程教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].科技視界，2017（04）：135.

[4]劉瓊，朱雅光，惠記莊，等.“互聯(lián)網(wǎng)+”機(jī)械原理課程教學(xué)模式改革的研究[J].教育教學(xué)論壇，2018（19）：102-104.

[5]劉艷艷，梁醫(yī)，趙建平.基于應(yīng)用能力培養(yǎng)的機(jī)械原理課程設(shè)計教學(xué)改革與實踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2018（02）：90-92，95.

[6]劉艷，李連波，馬常亮，等.基于MATLAB軟件在機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].輕工科技，2018，34（07）：168-169，185.

[7]張艷麗，王賢民，蔡蕾，等.應(yīng)用Flash MX2004開發(fā)機(jī)械原理教學(xué)CAI課件[J].南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報（綜合版），2004（04）：57-59.