仿真軟件在《機(jī)械原理》新工科教學(xué)改革中的應(yīng)用

王輝 鄭竹安　劉行　鄒大慶

摘 要：信息技術(shù)的發(fā)展不僅豐富了現(xiàn)代教學(xué)手段，提高了教學(xué)效率，同時(shí)也加快了學(xué)生學(xué)習(xí)的節(jié)奏，怎樣更加充分的利用現(xiàn)有教學(xué)資源，使得各門(mén)課程相互銜接并彼此支撐是進(jìn)一步需要思考的問(wèn)題。文章以《機(jī)械原理》課程中四桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容為例，利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)四桿機(jī)構(gòu)的急回特性和曲柄存在條件加以講解。從學(xué)生發(fā)展的角度出發(fā)，課堂從多媒體教室改成了專業(yè)機(jī)房，教師的個(gè)人講授改為學(xué)生在教師的引導(dǎo)下利用工程分析的觀點(diǎn)自主探索課程中重難點(diǎn)問(wèn)題，教學(xué)改革的目標(biāo)是在此過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用以及用工程思想分析解決問(wèn)題的觀念。

關(guān)鍵詞：新工科 課程改革 機(jī)械原理 四桿機(jī)構(gòu) 仿真軟件

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，二十一世紀(jì)信息革命改變了人們生活的方方面面。以計(jì)算機(jī)為代表的電子產(chǎn)品的普及應(yīng)用給人類的生活帶來(lái)極大的便利和快捷，加速了文化知識(shí)的傳播和共享。通過(guò)計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)人們可以非常便利地查找所需知識(shí)，也可以方便地參加各種網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)，從而提高各方面的技能和素養(yǎng)。

借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，教師的授課方式也發(fā)生了較大改變[1]。早期的課堂教學(xué)教師主要通過(guò)黑板板書(shū)進(jìn)行講解，然而板書(shū)的書(shū)寫(xiě)占用了大部分上課時(shí)間。另一方面，對(duì)于專業(yè)課而言僅通過(guò)板書(shū)很難將復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系形象地表達(dá)清楚，所以不僅花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)而且授課得不到很好的效果。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大部分教師采用多媒體結(jié)合板書(shū)的方式進(jìn)行授課，多媒體已成為一種非常重要的教學(xué)手段。借助于多媒體教師在課堂教學(xué)前能夠充分準(zhǔn)備教學(xué)內(nèi)容，例如收集各種類型的資料包括圖片和視頻等，再將形象生動(dòng)的素材融進(jìn)幻燈片中。在講授知識(shí)時(shí)教師只需將精力集中于對(duì)知識(shí)本身的理解，僅對(duì)重難點(diǎn)內(nèi)容使用板書(shū)進(jìn)行詳細(xì)講解，這種授課方式大量減少了板書(shū)的書(shū)寫(xiě)時(shí)間，有效減少了學(xué)生注意力的分散，從而極大地提高了上課效率。然而，此種教學(xué)模式的改變，也使得學(xué)生學(xué)習(xí)方式發(fā)生了變化。因此，在新工科背景下出現(xiàn)了多方面的教學(xué)改革，如建立物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)采用多樣式教學(xué)法[2]；為提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解水平和學(xué)習(xí)能力，增加工程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐[3，4]；以及與創(chuàng)新項(xiàng)目相結(jié)合的教學(xué)方法，在教學(xué)中融入教師的科研項(xiàng)目等嘗試[5]。

2 學(xué)情分析

雖然多媒體教學(xué)方式極大地提高了教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的效率，但是由于課堂節(jié)奏加快，使得許多學(xué)生很難在課堂上迅速理解幻燈片中的內(nèi)容，他們課后需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)鞏固。同時(shí)，大學(xué)里的課程非常多，學(xué)生課后需要復(fù)習(xí)多門(mén)課程，采用什么方法可以將各課程聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行協(xié)同育人，實(shí)現(xiàn)“教學(xué)并重、主體突出”，既提高學(xué)習(xí)的量，同時(shí)也能保證學(xué)習(xí)的質(zhì)是現(xiàn)代化教育需要解決的問(wèn)題[6]。

以下從社會(huì)對(duì)人才需求的角度出發(fā)進(jìn)行分析，對(duì)于工科院校大部分工程類專業(yè)學(xué)生而言，從學(xué)校畢業(yè)后從事各方面的專業(yè)工作，遇到的問(wèn)題往往是如何運(yùn)用專業(yè)軟件從事相關(guān)的設(shè)計(jì)、研發(fā)和生產(chǎn)工作。在信息技術(shù)如此發(fā)達(dá)的今天大部分高科技企業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)都需借助于專業(yè)的工具軟件，然而大部分軟件學(xué)生在學(xué)校里沒(méi)有接觸過(guò)。因?yàn)楣ぷ鲘徫簧蠜](méi)有老師教，所以大部分剛畢業(yè)學(xué)生需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行摸索。既然專業(yè)軟件對(duì)生產(chǎn)力發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用，而且也是企業(yè)所需，那么也可將之用于大學(xué)課程的教學(xué)中，一方面輔助教學(xué)，另一方面為學(xué)生的就業(yè)提供鋪墊[7]。

基于此種設(shè)想我們嘗試將工業(yè)應(yīng)用中常用的動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams引入到《機(jī)械原理》課程的教學(xué)中來(lái)。其中，《機(jī)械原理》是機(jī)械類專業(yè)一門(mén)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要包括各類機(jī)構(gòu)的組成、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容，研究常用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力性能分析以及傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)等問(wèn)題，是理論性和實(shí)踐性結(jié)合比較強(qiáng)的一門(mén)課程。課程中介紹的各類機(jī)構(gòu)在工程實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用實(shí)例，掌握這些機(jī)構(gòu)學(xué)分析的基本理論知識(shí)是擬定機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案和設(shè)計(jì)機(jī)器的基礎(chǔ)。本文以平面四桿機(jī)構(gòu)內(nèi)容為例，應(yīng)用Adams軟件進(jìn)行四桿機(jī)構(gòu)相關(guān)特性的分析和講解，使課堂教學(xué)更加生動(dòng)形象，也使學(xué)生更加容易地理解四桿機(jī)構(gòu)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特性，培養(yǎng)他們使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的能力，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，使得他們踏上工作崗位后更加從容地應(yīng)對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)研發(fā)工作[8，9]。

3 課程教學(xué)改革實(shí)例

3.1 四桿機(jī)構(gòu)的基本內(nèi)容

平面四桿機(jī)構(gòu)基本特性是《機(jī)械原理》課程第8章連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)第二小節(jié)的重要內(nèi)容，這一章共分成四小節(jié)介紹連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)內(nèi)容，第一小節(jié)初步介紹連桿機(jī)構(gòu)及其類型與應(yīng)用，接著第二小節(jié)講解平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性，第三節(jié)使用圖解法和解析法進(jìn)行平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；第四節(jié)簡(jiǎn)要介紹平面多桿機(jī)構(gòu)和空間連桿機(jī)構(gòu)。從各小節(jié)的關(guān)系可以看出，第一小節(jié)的內(nèi)容介紹是為講解平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性打好鋪墊，第二小節(jié)對(duì)基本特性的講解是對(duì)平面四桿機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步深入分析，第三小節(jié)的內(nèi)容是對(duì)第二節(jié)內(nèi)容的延伸，第四節(jié)的內(nèi)容介紹是對(duì)連桿機(jī)構(gòu)知識(shí)的擴(kuò)展。從章節(jié)知識(shí)的布局可以看出平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性是本章節(jié)的核心內(nèi)容，同時(shí)也是同學(xué)們學(xué)習(xí)四桿機(jī)構(gòu)的難點(diǎn)。

3.2 傳統(tǒng)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

平面四桿機(jī)構(gòu)是《機(jī)械原理》課程中比較常見(jiàn)的一種機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相比其他機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，但通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)可以發(fā)展出許多結(jié)構(gòu)不同的機(jī)構(gòu)，包含了豐富的機(jī)構(gòu)學(xué)設(shè)計(jì)思想。平面四桿機(jī)構(gòu)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)主要包括鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的條件、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的急回運(yùn)動(dòng)和行程速度變化系數(shù)以及鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角和死點(diǎn)等。傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)為：第1部分是問(wèn)題的引入，在此過(guò)程中注意到與上次課內(nèi)容的銜接，首先簡(jiǎn)要回顧了四桿機(jī)構(gòu)中機(jī)架、連桿、曲柄、搖桿等基本桿件的定義和特點(diǎn)，從而為介紹曲柄存在的條件做好鋪墊。第2部分接著介紹鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的條件。第3部分是在此基礎(chǔ)上分析鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的急回運(yùn)動(dòng)特性，并定義行程速度變化系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)急回運(yùn)動(dòng)的程度。第4部分介紹鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角和死點(diǎn)的概念，讓學(xué)生更加深入的認(rèn)識(shí)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。最后第5部分對(duì)本次課的內(nèi)容加以總結(jié)和回顧。其中，曲柄存在的條件通常利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方法講解，雖然比較嚴(yán)謹(jǐn)，但是也使得教學(xué)內(nèi)容過(guò)于枯燥乏味，缺乏生動(dòng)形象，不易調(diào)動(dòng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，我們嘗試?yán)美碚摻Y(jié)合實(shí)驗(yàn)操作的方法精選這一節(jié)的內(nèi)容作為課程教學(xué)改革的試點(diǎn)，以下作詳細(xì)介紹。

3.3 應(yīng)用仿真軟件講解四桿機(jī)構(gòu)

3.3.1 建立四桿機(jī)構(gòu)三維幾何模型

與前期學(xué)習(xí)的建模課程相銜接，首先，通過(guò)讓學(xué)生使用學(xué)習(xí)過(guò)的三維建模軟件如UG、Catia、Pro/E等軟件建立四桿機(jī)構(gòu)的幾何模型，所以上課的地點(diǎn)從多媒體教室改成專業(yè)機(jī)房。教學(xué)目標(biāo)包括復(fù)習(xí)前期課程所學(xué)知識(shí)，增加學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，同時(shí)鍛煉他們學(xué)以致用的思維，培養(yǎng)他們用所學(xué)知識(shí)解決工程問(wèn)題的科學(xué)觀念，圖1是學(xué)生使用Pro/E軟件建立的四桿機(jī)構(gòu)三維幾何模型。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Adams軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，雖然此時(shí)學(xué)生沒(méi)有接觸過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真軟件，但在四桿機(jī)構(gòu)的講授過(guò)程中，通過(guò)教師簡(jiǎn)要介紹仿真軟件的使用方法，再以四桿機(jī)構(gòu)為實(shí)例加以仿真分析，既可以把理論的知識(shí)顯性化，又讓學(xué)生了解的仿真軟件的基本功能和使用方法，起到了相互促進(jìn)的效果。

3.3.2 四桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性仿真分析

雖然通過(guò)課堂上教師的講解可以使得學(xué)生基本理解四桿機(jī)構(gòu)的受力和運(yùn)動(dòng)形式，但缺點(diǎn)是只能停留在對(duì)某一瞬態(tài)過(guò)程的理論分析，學(xué)生很難全面理解在完整的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中四桿機(jī)構(gòu)力、角速度、角加速度等參數(shù)的連續(xù)變化。

如圖2所示曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中急回特性的概念，使用兩種教學(xué)方法作一比較說(shuō)明：

教學(xué)方式1：通過(guò)公式1的推導(dǎo)可以得到進(jìn)程和回程的平均角速度，并利用式2急回速比系數(shù)作為衡量急回特性的指標(biāo)，可以說(shuō)明搖桿回程運(yùn)動(dòng)的平均角速度大于進(jìn)程平均角速度，此種教學(xué)方法基本可以使得學(xué)生了解曲柄搖桿機(jī)構(gòu)存在急回特性現(xiàn)象。

教學(xué)方式2：通過(guò)簡(jiǎn)要的介紹Adams使用方法后，學(xué)生使用仿真軟件可以得到如圖3所示當(dāng)曲柄以30deg/s角速度轉(zhuǎn)動(dòng)3圈時(shí)搖桿在進(jìn)程和回程過(guò)程中角速度瞬時(shí)變化曲線，會(huì)促進(jìn)他們對(duì)于急回特性的深刻理解。因?yàn)榉抡媲€是學(xué)生自己實(shí)踐得出的，會(huì)激發(fā)他們對(duì)于四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的興趣，當(dāng)他們以后遇到類似的運(yùn)動(dòng)分析問(wèn)題時(shí)也會(huì)更加全面的思考問(wèn)題，而不僅僅停留于對(duì)公式的理解[10]。

3.3.3 四桿機(jī)構(gòu)類型判斷

在介紹四桿機(jī)構(gòu)的種類時(shí)，通常是以理論分析的方法進(jìn)行講授。如圖4所示，首先理論分析曲柄存在的條件，要使得曲柄存在必須使得曲柄AB能夠運(yùn)動(dòng)到AB1和AB2兩個(gè)水平極限位置，此時(shí)四桿機(jī)構(gòu)組成了兩個(gè)三角形B1C1D和B2C2D。再根據(jù)三角形存在的條件推導(dǎo)出相應(yīng)的不等式，當(dāng)AB運(yùn)動(dòng)到AB1時(shí)存在不等式3，當(dāng)AB運(yùn)動(dòng)到AB2時(shí)存在不等式4，由式3和式4可以進(jìn)一步推導(dǎo)出不等式5，即四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的桿長(zhǎng)條件，用文字表述為四根桿件中最長(zhǎng)桿和最短桿長(zhǎng)度之和小于另外兩桿長(zhǎng)度之和。不等式5是曲柄存在的“必要條件”，通過(guò)板書(shū)的講解學(xué)生基本理解以上內(nèi)容。曲柄存在的充分條件是“機(jī)架條件”，即要使得最短桿或其臨桿為機(jī)架才能滿足曲柄存在的充分條件，教師通常只能按照?qǐng)D5所示“照本宣科”。即存在3種情況，當(dāng)最短桿作為連架桿是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)最短桿作為機(jī)架是雙曲柄機(jī)構(gòu)，當(dāng)最短桿作為連桿是雙搖桿機(jī)構(gòu)。然而，學(xué)生一般不太容易理解，所以只能強(qiáng)記結(jié)論。如果我們?cè)趧?dòng)力學(xué)仿真軟件中讓學(xué)生以不同桿件作為機(jī)架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到如圖6所示整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，那么他們對(duì)曲柄存在的充分條件會(huì)有更深刻的認(rèn)識(shí)。

4 總結(jié)

信息技術(shù)的發(fā)展給大學(xué)課堂帶來(lái)很多變化，借助于多媒體設(shè)備課堂教學(xué)形式更加豐富，也使得教學(xué)的效率大為提高，同時(shí)也改變了學(xué)生學(xué)習(xí)的方式，使得他們必須加快學(xué)習(xí)節(jié)奏，同時(shí)他們課后復(fù)習(xí)的壓力也更大?？紤]到大部分工程類專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后從事工程設(shè)計(jì)相關(guān)工作，因此，我們嘗試在課程教學(xué)過(guò)程中使用常用的仿真軟件作為分析的工具，一方面避免他們踏上工作崗位時(shí)需要花費(fèi)大量時(shí)間摸索軟件的使用方法，另一方面也使得課程教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)形象而便于學(xué)生理解，同時(shí)也培養(yǎng)了他們用工程的觀點(diǎn)來(lái)學(xué)習(xí)課程中的理論知識(shí)?！稒C(jī)械原理》課程中還有許多機(jī)構(gòu)可以借助分析軟件進(jìn)行仿真教學(xué)，本文僅以工程中常用的Adams軟件為例講解曲柄搖桿機(jī)構(gòu)急回特性和四桿機(jī)構(gòu)類型這兩部分內(nèi)容，對(duì)于四桿機(jī)構(gòu)壓力角和傳動(dòng)角的概念同樣可以使用動(dòng)力學(xué)仿真過(guò)程中連桿的受力曲線進(jìn)行講解。

基金項(xiàng)目：鹽城工學(xué)院教改項(xiàng)目“分層培養(yǎng)，賽練促學(xué)”應(yīng)用型本科汽車(chē)人才培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐（JXCC-2020B17）；江蘇省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（BY2020671）；鹽城工學(xué)院校級(jí)科研資助項(xiàng)目（xjr2020033）。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉榮.“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)”背景下機(jī)械原理課程教學(xué)改革探究[J]. 陜西教育：高教版，2019（11）：46-48.

[2]申會(huì)鵬，曹毅，丁浩，等. 新工科背景下的機(jī)械原理課程改革初探[J]. 機(jī)械工程師，2022（7）：46-49.

[3]彭飛，方芳，劉丹，等. 新工科背景下機(jī)械原理課程教學(xué)模式探索與實(shí)踐[J]. 中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2022（3）：82-84.

[4]趙榮榮，魏紅梅，張煒煒. 以學(xué)生能力培養(yǎng)為中心的機(jī)械原理課程教學(xué)改革[J]. 汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2021，46（13）：150-152.

[5]劉萬(wàn)鋒，曾斌. 與機(jī)械產(chǎn)品項(xiàng)目相結(jié)合的機(jī)械原理課程教學(xué)改革[J]. 科技資訊，2020，18（35）：127-129.

[6]高麗敏，趙磊，曹志遠(yuǎn)，等.“教學(xué)并重，主體突出”的葉輪機(jī)械原理課程改革[J]. 高等工程教育研究，2019（S01）：97-98.

[7]張磊，于濤，馬國(guó)清，等. 基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的“機(jī)械原理”課程教學(xué)改革探索[J]. 科教文匯，2020（11）：67-70.

[8]蘇昭群，黃舒彥，陳金蘭，等.“新工科”背景下的機(jī)械原理課程改革——以福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院為例[J]. 長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2021，22（4）：129-131.

[9]彭飛，方芳，劉丹，等. 新工科背景下機(jī)械原理課程教學(xué)模式探索與實(shí)踐[J]. 中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2022（3）：82-84.

[10]王成，李園園，高常青. 基于案例教學(xué)法的課程教學(xué)與大學(xué)生科創(chuàng)競(jìng)賽結(jié)合的探索——以機(jī)械原理課程為例[J]. 化工高等教育，2022，39（2）：43-46.