虛擬樣機技術(shù)課程教學(xué)改革與實踐研究

楊代云 畢仁貴 吳啟舟 肖雄

摘 要：局限于傳統(tǒng)虛擬樣機技術(shù)教材的學(xué)習(xí)，學(xué)生僅能初步掌握虛擬樣機軟件操作基本步驟，學(xué)習(xí)自主性和熱情不高。教學(xué)改革強調(diào)學(xué)習(xí)自主性、分析解決工程實際問題能力。實踐證明，課前學(xué)習(xí)虛擬樣機技術(shù)教材基礎(chǔ)案例，課堂重點分析工程實際案例，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，師生課堂互動交流頻繁，課堂氣氛活躍，對于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、團隊合作能力、工程分析能力以及綜合專業(yè)素養(yǎng)具有重要價值。

關(guān)鍵詞：虛擬樣機技術(shù);教學(xué)改革;工程實際案例

1 引言

如何在短期內(nèi)開發(fā)出功能完善的機械產(chǎn)品，是很多企業(yè)面臨的一個問題，虛擬樣機技術(shù)的出現(xiàn)給機械產(chǎn)品設(shè)計帶來了方便。隨著產(chǎn)品競爭的激烈化，虛擬樣機技術(shù)不僅能幫助產(chǎn)品設(shè)計者在較短時間內(nèi)完成產(chǎn)品設(shè)計，還能保證產(chǎn)品良好的工作狀態(tài)和使用壽命，滿足消費者個性話的需求，更容易被市場接受[1]。

我校機械系虛擬樣機技術(shù)課程是為機械設(shè)制造及其自動化專業(yè)和機械電子工程大學(xué)本科生開設(shè)的一門專業(yè)選修課，每年學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生約為80人。課程要求學(xué)生在熟練掌握CAD三維建模軟件、機械原理、機械設(shè)計、測試技術(shù)等專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，能較熟練地利用所學(xué)虛擬樣機技術(shù)知識分析問題。目的是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際能力，對學(xué)生深入理解課程理論知識，熟練應(yīng)用輔助設(shè)計工具起到積極推動作用。

隨著吉首大學(xué)機械系相關(guān)專業(yè)課程不斷完善和教學(xué)改革不斷深入，通過教學(xué)方法改革與實踐研究，對于創(chuàng)建適合當(dāng)代機械產(chǎn)品設(shè)計需求的虛擬樣機授課模式具有重要意義。

2 虛擬樣機技術(shù)概述

虛擬樣機能夠反映實際產(chǎn)品的特性，可以對產(chǎn)品的壽命、使用、功能、設(shè)計等進行測試，從而大大提高產(chǎn)品性能[2]。

機械產(chǎn)品的虛擬樣機是一種計算機數(shù)據(jù)模型，課程教學(xué)中使用的虛擬樣機軟件為： ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），即機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析[3]。該軟件現(xiàn)在為美國MSC公司開發(fā)的虛擬樣機分析軟件，目前，我國主要汽車等制造企業(yè)也采用該軟件建立整車或關(guān)鍵零部件虛擬樣機[4]。

3 虛擬樣機技術(shù)教學(xué)試點實驗

3.1 教材的使用

我校機械系學(xué)習(xí)了虛擬樣機課程的班級有2016級機械1-2班和2017級機械1-2班。

2017級學(xué)生為第一屆學(xué)生，通過一個學(xué)期的授課發(fā)現(xiàn)以下問題：

（1）教材案例過于簡單。例如曲柄搖桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)、壓力機構(gòu)以及凸輪機構(gòu)等簡單機構(gòu)虛擬樣機創(chuàng)建，創(chuàng)建方法僅為使用軟件中提供的圓柱、方塊等零件創(chuàng)建模型，與裝備實際外形差距較大，案例物理意義不強，學(xué)生對虛擬樣機核心內(nèi)涵理解不深刻。對于實際當(dāng)中包含復(fù)雜外部形狀的零部件產(chǎn)品虛擬樣機創(chuàng)建案例較少。

（2）虛擬樣機創(chuàng)建過程中運動副創(chuàng)建和參數(shù)填寫沒有過多注釋說明，學(xué)生根據(jù)步驟完成虛擬樣機創(chuàng)建，不明白相關(guān)參數(shù)配置方法和原理，基于課時限制，課堂上講解基本原理時間有限。例如：彈簧的阻尼值、接觸參數(shù)設(shè)置等問題。

（3）例題雖配有詳細操作過程，但缺少相關(guān)操作步驟的注釋和案例拓展。

針對2017級學(xué)生學(xué)習(xí)方式以及學(xué)習(xí)效果，現(xiàn)已在2016級進行教材改革試點教學(xué)。具體方式為：

（1）教材內(nèi)容為輔，根據(jù)上課要求，學(xué)生課前熟悉軟件基本操作步驟。

（2）教師根據(jù)自身項目經(jīng)驗以及網(wǎng)絡(luò)資源準(zhǔn)備合適的工程案例，制作相應(yīng)學(xué)習(xí)任務(wù)要求，課堂上學(xué)生根據(jù)任務(wù)完成學(xué)習(xí)要求。例如本學(xué)期已開展了：搬運機器人、焊接機器人、越障小車、投籃模型以及汽車獨立懸架系統(tǒng)等工程案例學(xué)習(xí)。學(xué)生熟練運用了球絞副、萬向節(jié)、胡克副、平面副以及STEP函數(shù)、IF函數(shù)、SPLINE等函數(shù)的實際應(yīng)用場所，和課本上簡單模型相比，這種方法能拓展學(xué)習(xí)廣度和深度，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

3.2 學(xué)生的學(xué)習(xí)方式

對于2017級機械學(xué)生學(xué)習(xí)方式：

（1）絕大部分同學(xué)限于課堂上教材案例學(xué)習(xí)，缺乏主動思考和創(chuàng)新思維，對于教材案例，只知其一不知其二，脫離教材后，學(xué)習(xí)任務(wù)完成質(zhì)量不佳。

（2）學(xué)生不能將學(xué)習(xí)到的技巧整合起來解決實際問題，課堂上所有學(xué)生表面上都完成了學(xué)習(xí)任務(wù)，但未能將所學(xué)的知識融會并利用起來，期末測驗效果不佳。

針對2017級學(xué)生學(xué)習(xí)方式以及期末測驗表現(xiàn)，現(xiàn)已在2016級班級進行教學(xué)方式改革試點教學(xué)。

具體方式為：

（1）學(xué)生課前做好預(yù)習(xí)工作，課堂上根據(jù)教師提供的學(xué)習(xí)任務(wù)和簡單注意事項，獨立完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

（2）學(xué)習(xí)過程中碰到的問題及時與老師或同學(xué)交流，并在課堂上將學(xué)習(xí)結(jié)果交于教師檢查指出問題。

該種學(xué)習(xí)方法對于學(xué)習(xí)自主性強的學(xué)生，有較好的學(xué)習(xí)效果，課堂氣氛活躍，學(xué)生學(xué)習(xí)欲望強烈。出現(xiàn)的問題：對于學(xué)習(xí)自主性稍差的學(xué)生，主要表現(xiàn)為跟不上，部分學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)延遲甚至抄襲作業(yè)的情況。

4 虛擬樣機技術(shù)課程教學(xué)改革

對比總結(jié)2017級和2016級學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，未來2018級虛擬樣機教學(xué)方法具體如下：

4.1 教材的利用，發(fā)揮學(xué)習(xí)自主性

將教材內(nèi)容分為自主學(xué)習(xí)部分和重點學(xué)習(xí)部分。

（1）自主學(xué)習(xí)內(nèi)容：課本上基礎(chǔ)內(nèi)容，如零件庫的使用，連桿、球、方塊、拉伸操作的學(xué)習(xí);簡單運動副創(chuàng)建，轉(zhuǎn)動副、移動副、轉(zhuǎn)動副的創(chuàng)建，這部分內(nèi)容學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)教材掌握。

（2）重點學(xué)習(xí)內(nèi)容，如參數(shù)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、函數(shù)的建立、柔性體建模和振動特性分析等內(nèi)容。教師將案例操作過程以及要點錄制成視頻，并制作相應(yīng)任務(wù)要求和簡單的提示資料，學(xué)生課堂上根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)獨立完成相關(guān)案例，教師隨時解決學(xué)生提出的問題，課堂檢查學(xué)生完成情況，同時指出相應(yīng)問題。課后將提前錄制的視屏發(fā)送給學(xué)生，要求學(xué)生課后觀看，并改進課堂上創(chuàng)建的模型，將改進后的虛擬樣機上交檢查。

4.2 實際案例，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情

教師根據(jù)自身項目經(jīng)驗以及網(wǎng)絡(luò)資源準(zhǔn)備合適的工程案例，制作學(xué)習(xí)任務(wù)和提示資料，課堂發(fā)送給上課班級。學(xué)生課堂操作前，充分講解實際案例的工況以及注意點。如圖1所示：在講解運動副和參數(shù)化建模案例應(yīng)用的汽車懸架系統(tǒng)，結(jié)合實際懸架照片讓學(xué)生了解懸架結(jié)構(gòu)、工作模式、常見問題以及虛擬樣機創(chuàng)建要點。讓學(xué)生感體會虛擬樣機技術(shù)對于解決實際問題的便利性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

如圖2所示，講解越障小車實際案例，結(jié)合實際問題給學(xué)生介紹汽車離去角、接近角以及底盤的相關(guān)知識，能極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

4.3 因材施教

根據(jù)課堂表現(xiàn)和課后作業(yè)完成情況，制定特別幫扶名單。課堂中，老師對這部分同學(xué)要特別關(guān)注，及時了解這部分學(xué)生出現(xiàn)的問題，并及時指出。課后，選定班級中學(xué)習(xí)能力強的同學(xué)對其進行一對一幫扶指導(dǎo)，確保學(xué)習(xí)過程的完整性，避免出現(xiàn)抄襲等現(xiàn)象。

5 總結(jié)

傳統(tǒng)的授課方式重點在于教授學(xué)生掌握虛擬樣機軟件（ADAMS）基本操作，例如簡單零部件、連接、驅(qū)動以及測量的創(chuàng)建，很難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)自主性和創(chuàng)造性，學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳，不能將課本知識拓展應(yīng)用中去。

基于虛擬樣機技術(shù)課程改革和實踐研究激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)自主性和積極性，在學(xué)習(xí)了虛擬樣機基礎(chǔ)知識的同時，還大幅度提高了機械產(chǎn)品的研發(fā)手段，例如越障小車、懸架系統(tǒng)等案例學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題以及理論聯(lián)系實際的能力。與此同時也發(fā)現(xiàn)了一些問題，教學(xué)方法和手段還需要進一步細化設(shè)計，保證所有學(xué)生均能達到良好的學(xué)習(xí)效果，適應(yīng)機械行業(yè)的發(fā)展需求。

基金項目：吉首大學(xué)教改項目（2019JSUJGB09），吉首大學(xué)實驗教改項目（2018SYJG005）;湖南省新工科研究與實踐項目“民族地區(qū)高校推進物理學(xué)科賦能機械工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索與實踐”（湘教通〔2020〕90號）。

參考文獻：

[1]虛擬樣機技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實例教程（第二版）[M].北京：郭衛(wèi)東，2018：1-12.

[2]孫志宏.提高學(xué)生創(chuàng)新能力改革機械原理課程設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2007，26（11）：98-100.

[3]田國松. 虛擬樣機技術(shù)及其在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 居業(yè)，2019，85-86.

[4]王詩楊. 面向虛擬樣機的工業(yè)設(shè)計研究與實踐[D].重慶：重慶大學(xué)，2002.