基于仿真技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)課程探索與研究

蘭青 劉筱 朱必武 李佳敏

摘要： 結(jié)合課程培養(yǎng)人才的要求，將仿真技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)課程教育教學(xué)中來(lái)。在學(xué)科橫向教學(xué)方面，以機(jī)電一體化為背景，將機(jī)械、電工電子、信息、傳感等模塊化，實(shí)現(xiàn)在完整機(jī)械中剝離機(jī)械零部件、電路、傳感器等的功能，便于建立起不同學(xué)科之間的聯(lián)系，達(dá)到橫向教學(xué)的目的。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù);機(jī)構(gòu)和零件可視化;機(jī)械設(shè)計(jì);教學(xué)研究

基金項(xiàng)目：湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目，工程教育專業(yè)認(rèn)證下的《材料科學(xué)基礎(chǔ)（雙語(yǔ)）》課程信息化教學(xué)模式探索與實(shí)踐（HNJG-2020-0516）

仿真技術(shù)是在仿真硬件和仿真軟件的基礎(chǔ)上，借助計(jì)算機(jī)反映系統(tǒng)行為和過(guò)程的仿真模型技術(shù)[1]。仿真技術(shù)是機(jī)械工程里常用的手段，它的影響不應(yīng)該只存在于工程實(shí)踐中，更應(yīng)該滲入到教育教學(xué)過(guò)程中來(lái)。讓學(xué)生從學(xué)習(xí)到實(shí)踐過(guò)程中都能體會(huì)到工業(yè)智能的力量和幫助。

1.當(dāng)前課程教學(xué)的現(xiàn)狀和面臨的問(wèn)題

1.1.《機(jī)械原理》課程教學(xué)的現(xiàn)狀和面臨的問(wèn)題

《機(jī)械原理》課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的基礎(chǔ)課程和必修課程，以研究各種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)分析和受力分析問(wèn)題、常用機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題為主[2]。大量的機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)和運(yùn)用要求學(xué)生具有良好的立體抽象思維能力，部分同學(xué)無(wú)法形成良好的機(jī)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)的建構(gòu)和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況的模擬，不利于他們對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用，這不僅對(duì)之后的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)綜合課程的學(xué)習(xí)有十分重要的影響，而且會(huì)使得今后設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)的設(shè)計(jì)思路板滯，不能靈活運(yùn)用專業(yè)知識(shí)。

部分同學(xué)抽象思維能力較差，上課是教學(xué)的中心環(huán)節(jié)，更有“課堂一分鐘，課后一小時(shí)”的說(shuō)法，長(zhǎng)期以往不僅會(huì)加重學(xué)生學(xué)習(xí)的任務(wù)和壓力，也會(huì)打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心，降低學(xué)生的自我效能感。理論聯(lián)系實(shí)際是教師教學(xué)的基本原則，很多老師會(huì)在講解機(jī)械零件和機(jī)構(gòu)時(shí)會(huì)以生活中的簡(jiǎn)單機(jī)械為例，提高學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解程度。但對(duì)于生活中不常見(jiàn)的零件和機(jī)構(gòu)，學(xué)生接觸經(jīng)驗(yàn)不足，沒(méi)有足夠的認(rèn)知基礎(chǔ)可以將新的認(rèn)知同化吸收，新知識(shí)與舊知識(shí)聯(lián)系的紐帶不牢，不利于理解記憶和靈活運(yùn)用，便也達(dá)不到理論聯(lián)系實(shí)際的效果。

1.2.機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)基礎(chǔ)專業(yè)課程的橫向聯(lián)系需求

機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)開(kāi)設(shè)有電子電工技術(shù)、信號(hào)處理及測(cè)試技術(shù)等滿足機(jī)電一體化要求的基礎(chǔ)專業(yè)課程。一臺(tái)機(jī)器不可能只有機(jī)械部分，還應(yīng)有電子電工、信號(hào)、傳感等模塊，用以輔助機(jī)器完成驅(qū)動(dòng)、信息傳遞和反饋等功能?；跈C(jī)電不分家的理念，要求機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生對(duì)這些基礎(chǔ)專業(yè)課程做到充分的橫向聯(lián)系，形成他們是一個(gè)整體的觀念，了解他們之間的聯(lián)系和所在的位置，即所完成的功能和場(chǎng)合，例如電子大多是完成驅(qū)動(dòng)部分、信號(hào)傳輸和反饋大多是基于微電子技術(shù)的完成控制部分的實(shí)現(xiàn)、而機(jī)械則大多充當(dāng)支承和搭建框架的作用等。學(xué)生在學(xué)習(xí)各個(gè)板塊知識(shí)時(shí)有相互聯(lián)系的想法，有利于理解所學(xué)的專業(yè)知識(shí)內(nèi)容，建構(gòu)關(guān)于機(jī)械專業(yè)的完整的知識(shí)體系，做到觸類(lèi)旁通，也便于運(yùn)用各類(lèi)專業(yè)知識(shí)到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中去。

2.基于仿真技術(shù)的機(jī)構(gòu)和零件可視化的建構(gòu)

基于仿真技術(shù)的機(jī)構(gòu)和零件可視化在學(xué)科縱向教學(xué)方面是運(yùn)用仿真技術(shù)將機(jī)構(gòu)和零件的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)直觀的展現(xiàn)在學(xué)生面前，使抽象思維具體化。在教學(xué)過(guò)程中可以幫助抽象思維能力較差的同學(xué)建立知識(shí)結(jié)構(gòu);使抽象思維能力較強(qiáng)的同學(xué)鞏固知識(shí)并靈活運(yùn)用;使學(xué)生的學(xué)和教師的教盡量同步，達(dá)到讓教學(xué)過(guò)程高效有序的目的。在學(xué)科橫向教學(xué)方面建立學(xué)科之間的聯(lián)系，在教學(xué)過(guò)程中嘗試從一臺(tái)完整的機(jī)器中剝離功能模塊，再進(jìn)行比較教學(xué)。既讓學(xué)生知道功能模塊的既定位置，便于學(xué)生對(duì)機(jī)器整體布局的了解和知識(shí)運(yùn)用。又在潛移默化中影響學(xué)生的整體觀念，防止學(xué)生將某一學(xué)科作為完全獨(dú)立的模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)。二者都是通過(guò)學(xué)生的感官體驗(yàn)配合已有經(jīng)驗(yàn)，豐富學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)和感性經(jīng)驗(yàn)，使學(xué)生獲得生動(dòng)的表象，從而比較全面、深刻地了解和掌握知識(shí)。

2.1.可視化

運(yùn)用Solidworks、UG、Proe等3D建構(gòu)模型軟件建立機(jī)構(gòu)和零件的三維結(jié)構(gòu)圖，再運(yùn)用仿真技術(shù)將結(jié)構(gòu)圖投放在承載平臺(tái)上。該承載平臺(tái)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的基本功能有拖拽查看功能、放大縮小功能、模擬運(yùn)動(dòng)功能、線框透視功能等。拖拽查看功能是保證三維機(jī)構(gòu)和零件可視化的基礎(chǔ)?？梢允箤W(xué)生360°全方位觀察機(jī)構(gòu)的構(gòu)件要素和連接方式以及零件的結(jié)構(gòu)。放大縮小功能可以從整體和局部的角度全面了解機(jī)構(gòu)和零件的結(jié)構(gòu)，甚至可以設(shè)置易忽略點(diǎn)，盡量讓學(xué)生不放過(guò)任何一個(gè)細(xì)節(jié)。模擬運(yùn)動(dòng)功能是將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況直觀的展現(xiàn)在學(xué)生面前，便于學(xué)生認(rèn)識(shí)和分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，也便于對(duì)同類(lèi)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比。線框透視功能的主要目的是便于學(xué)生觀察機(jī)構(gòu)和零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)構(gòu)內(nèi)部的變化，對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)和零件可以增加爆炸圖效果。這些功能的直接作用就是便于學(xué)生從而各個(gè)方面、各個(gè)角度了解機(jī)構(gòu)和零件。他們的實(shí)現(xiàn)有利于學(xué)生了解和掌握各類(lèi)簡(jiǎn)單、復(fù)雜的機(jī)構(gòu)和零件，使機(jī)構(gòu)和零件直觀化、可視化。

2.2.模塊化

在學(xué)科縱向教學(xué)方面，學(xué)生要了解掌握的機(jī)構(gòu)和零件是不可計(jì)數(shù)的，其中簡(jiǎn)單常用機(jī)構(gòu)和零件是學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)和課堂教學(xué)的重點(diǎn)，但學(xué)生也需要了解結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的機(jī)構(gòu)和零件。再?gòu)?fù)雜的機(jī)構(gòu)和零件都是由簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)和零件組成的，將簡(jiǎn)單、常用的機(jī)構(gòu)和零件模塊化，使得復(fù)雜機(jī)構(gòu)和零件的建構(gòu)就是組合模塊。這個(gè)過(guò)程可以由教師在課前準(zhǔn)備的時(shí)候完成，也可以是由教師和學(xué)生在課堂中合作完成，也可以是由學(xué)生在課余的自主探索和研究。這種模式下的模塊化是機(jī)構(gòu)和零件模塊化。在學(xué)科橫向教學(xué)方面，機(jī)電一體化在近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展，是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的一種重要技術(shù)。將機(jī)構(gòu)的功能模塊化，引入電子、傳感、信息處理等模塊，可模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)用的各類(lèi)場(chǎng)景，讓學(xué)生從場(chǎng)景中學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)知識(shí)，有利于學(xué)生理解機(jī)構(gòu)各類(lèi)功能的實(shí)現(xiàn)，充分了解機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，為之后設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)機(jī)構(gòu)的選擇打下夯實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)在進(jìn)行電子電工、信號(hào)處理等基礎(chǔ)專業(yè)課程時(shí)，利用承載平臺(tái)中各個(gè)模塊建立的完整機(jī)器中剝離出所要教學(xué)的內(nèi)容模塊，有利于學(xué)生建立起學(xué)科間的聯(lián)系，讓學(xué)生的思維不限于某一個(gè)學(xué)科上，將眼界從局部放寬到整體，使學(xué)生完整的認(rèn)識(shí)各個(gè)學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容。

2.3.操作便捷化

基于仿真技術(shù)的機(jī)構(gòu)和零件可視化是為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)、提高課堂效率。這一理念的運(yùn)用更多的是在課堂上，而有限的時(shí)間不應(yīng)該被復(fù)雜、累贅的操作耽誤。操作便捷化要求盡可能一鍵操作，方便教師和學(xué)生的使用。例如一鍵還原初始大小、一鍵還原初始觀察面、一鍵拆分（呈現(xiàn)爆炸圖效果）、一鍵裝配等。這可以增強(qiáng)課堂的高效性和可操作性，讓學(xué)生能在教師的引導(dǎo)下在課堂上的有限時(shí)間里全面完整的觀察了解機(jī)構(gòu)，有利于課堂高效、高質(zhì)量地進(jìn)行。同時(shí)，在該項(xiàng)技術(shù)成熟后設(shè)置在拆分圖中點(diǎn)擊零部件詳細(xì)查看的功能，點(diǎn)擊時(shí)應(yīng)出現(xiàn)該零部件的基本參數(shù)和優(yōu)缺點(diǎn)等課堂教學(xué)內(nèi)容，在機(jī)器中看機(jī)構(gòu)和零件更能使學(xué)生直觀的理解各類(lèi)機(jī)構(gòu)零件的使用場(chǎng)所和功能，增強(qiáng)了操作的便捷性，使學(xué)生和教師能隨時(shí)在課堂學(xué)習(xí)中復(fù)習(xí)之前所學(xué)的機(jī)構(gòu)、加深理解和記憶并方便教師的引導(dǎo)。

3.基于仿真技術(shù)的機(jī)構(gòu)零件可視化的優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1.基于仿真技術(shù)的機(jī)構(gòu)零件可視化的優(yōu)點(diǎn)

機(jī)構(gòu)零件可視化是基于直觀性教學(xué)原則和理論聯(lián)系實(shí)際教學(xué)原則上提出來(lái)的利用仿真技術(shù)的教學(xué)手段。在縱向教學(xué)方面，可以幫助學(xué)生建構(gòu)機(jī)構(gòu)和零件的知識(shí)體系，使抽象思維學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w思維學(xué)習(xí)，為學(xué)生在某一學(xué)科上的深度學(xué)習(xí)打下夯實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)也為教師教學(xué)提供便利，使得課堂高效地進(jìn)行。在橫向教學(xué)方面，在機(jī)電一體化大背景下，機(jī)械、電子、信號(hào)、傳感以及微電子等各自有各自的所處位置以及要完成的功能，同時(shí)作用形成完整的機(jī)械體系，機(jī)構(gòu)零件可視化模塊功能的實(shí)現(xiàn)，達(dá)到機(jī)電一體化的各個(gè)組成部分形成模塊，同時(shí)作用形成完整機(jī)器，從整體中剝離出來(lái)又可以有針對(duì)的進(jìn)行教學(xué)，這可以幫助學(xué)生建立同專業(yè)下不同學(xué)科之間的聯(lián)系，使得各類(lèi)專業(yè)知識(shí)形成相輔相成的格局，在之后綜合課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中以及未來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械過(guò)程中大有裨益。

對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)而言，此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以方便學(xué)生建構(gòu)關(guān)于各個(gè)機(jī)構(gòu)和零件的知識(shí)體系，將抽象思維轉(zhuǎn)化為具體思維，便于學(xué)生在腦海里對(duì)知識(shí)進(jìn)行的編碼和提取，這也是它實(shí)現(xiàn)的基本目的。并且可以方便學(xué)生課后的自主學(xué)習(xí)和研究，海量機(jī)構(gòu)信息存儲(chǔ)在承載平臺(tái)上，通過(guò)手機(jī)電腦學(xué)生可隨時(shí)隨地查看這些信息，在一些沒(méi)有教材等可供查看的紙質(zhì)資料時(shí)探討問(wèn)題就可以在平臺(tái)上找到作證觀點(diǎn)的信息。對(duì)教師的教學(xué)而言，在課堂教學(xué)過(guò)程中教師可隨時(shí)調(diào)出相應(yīng)的機(jī)構(gòu)讓學(xué)生觀察，在與之前學(xué)習(xí)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行類(lèi)比過(guò)程中，省去了翻書(shū)尋找之前所學(xué)機(jī)構(gòu)的過(guò)程，也使類(lèi)比更加直觀，同時(shí)加深了之前所學(xué)內(nèi)容的記憶。在技術(shù)成熟之后，引入零件、機(jī)構(gòu)組裝功能，方便了教師對(duì)學(xué)生所學(xué)知識(shí)的考查，更重要的是在不斷組裝過(guò)程中可以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，也使機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程更加簡(jiǎn)潔可靠。

3.2.基于仿真技術(shù)的機(jī)構(gòu)零件可視化的缺點(diǎn)

此項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)較為困難，對(duì)機(jī)構(gòu)建構(gòu)技術(shù)和承載平臺(tái)的要求很高，不論是海量機(jī)構(gòu)的建立，還是各種功能的實(shí)現(xiàn)和統(tǒng)一，都需要有強(qiáng)大的技術(shù)和理論支持。對(duì)教學(xué)而言，此項(xiàng)技術(shù)在課堂上的運(yùn)用需要承載平臺(tái)有強(qiáng)制跟隨教師的功能，并且要求教師有較強(qiáng)的組織能力和維持課堂秩序的能力，如若沒(méi)有，學(xué)生容易沉浸在探索承載平臺(tái)功能上，從而分散學(xué)習(xí)注意力。不可否認(rèn)的是，機(jī)構(gòu)信息的存儲(chǔ)、查看、組建等都需要在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下進(jìn)行，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力不好的地區(qū)，無(wú)法正常使用。最重要的是，在課堂上，教師沒(méi)有辦法準(zhǔn)確判斷學(xué)生是在利用手機(jī)登錄承載平臺(tái)查看信息，還是在做與學(xué)習(xí)無(wú)關(guān)的事情，此項(xiàng)技術(shù)如果實(shí)現(xiàn)并投入使用，對(duì)課堂秩序的維護(hù)不無(wú)小補(bǔ)，這就要求學(xué)生有較好的自制能力，同時(shí)要求老師有較強(qiáng)的組織能力和課堂吸引力。畢竟課堂依舊是學(xué)生和教師的課堂，其他教學(xué)手段都是只輔助手段。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于仿真技術(shù)的機(jī)構(gòu)零件可視化技術(shù)是一次將大型工程中使用的技術(shù)運(yùn)用到教育教學(xué)中來(lái)的嘗試，是在承載平臺(tái)上建立各類(lèi)機(jī)構(gòu)和零件以及滿足機(jī)構(gòu)、零件自由組合功能的技術(shù)改革。本文從技術(shù)建構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)分析等方面對(duì)仿真技術(shù)與課堂教學(xué)融合的效果進(jìn)行了闡述，將抽象思維具體化，把需要想象的空間立體圖形直觀的展現(xiàn)在眼前，將理論課堂與實(shí)踐課堂通過(guò)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)融合，為教師的教和學(xué)生的學(xué)都提供了較大幫助。當(dāng)然，基于仿真技術(shù)的機(jī)構(gòu)零件可視化只是一個(gè)教學(xué)輔助手段，教學(xué)過(guò)程的主體仍舊是學(xué)生，教師要充分發(fā)揮自己在課堂上的主導(dǎo)作用，引導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)揮自己的主體作用，輔以教學(xué)手段來(lái)達(dá)到教學(xué)目的。教師和學(xué)生應(yīng)充分發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，利用仿真技術(shù)與教育教學(xué)融合的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)規(guī)避仿真技術(shù)與教育教學(xué)融合的劣勢(shì)，相信基于仿真技術(shù)的機(jī)構(gòu)和零件可視化這一教學(xué)手段將會(huì)使專業(yè)課程的教學(xué)效果再上一個(gè)臺(tái)階。

參考文獻(xiàn)

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湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院?蘭青，劉筱，朱必武，李佳敏