機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真相結(jié)合的策略探究

摘 要 機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計是機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)，而運(yùn)動仿真技術(shù)為設(shè)計驗證和優(yōu)化提供了重要工具。文章首先概述了這兩項技能的核心內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)了二者之間的聯(lián)系與側(cè)重點。隨后，提出了四種機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真相結(jié)合的教學(xué)策略。這些策略旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神，提升他們的實踐能力和職業(yè)素養(yǎng)，為適應(yīng)未來工業(yè)發(fā)展需求培養(yǎng)合適的人才。

關(guān)鍵詞 機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計；運(yùn)動仿真；課程結(jié)合

中圖分類號：G424 " """"""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A """ DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.28.035

Exploration of the Strategy of Combining Mechanism Motion

Design with Motion Simulation

Abstract Mechanism motion design is the foundation of mechanical design， while motion simulation technology provides an important tool for design verification and optimization. This article first outlines the core content and teaching objectives of these two courses， emphasizing the connection and focus between them. Subsequently， four combination strategies are proposed. These strategies aim to stimulate students' interest and innovation， enhance their practical abilities and professional literacy， and cultivate suitable talents for future industrial development needs.

Keywords mechanism motion design; motion simulation; course combination

1" 機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真概述

在現(xiàn)代機(jī)械工程領(lǐng)域，機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真作為兩大關(guān)鍵技術(shù)，日益顯現(xiàn)出它們的重要性和應(yīng)用價值。機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真不再是孤立的技能，而是緊密相連、互為補(bǔ)充的兩大核心能力。機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計構(gòu)成了機(jī)械設(shè)計的基本框架，關(guān)乎系統(tǒng)的整體性能與運(yùn)作效率，而運(yùn)動仿真則在這一框架內(nèi)提供了驗證設(shè)計、預(yù)見潛在問題及優(yōu)化性能的關(guān)鍵技術(shù)支持，使得設(shè)計師能夠在虛擬環(huán)境中模擬和測試機(jī)械系統(tǒng)的實際運(yùn)動情況。隨著科技的不斷發(fā)展，行業(yè)對能夠橫跨設(shè)計與仿真兩大領(lǐng)域的復(fù)合型人才的需求日益凸顯。

1.1" 機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計能力的深入解析

機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計能力是機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域的核心技能，它要求設(shè)計者不僅要對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動原理有深刻的理解，還需要具備將這種理解轉(zhuǎn)化為實際機(jī)構(gòu)設(shè)計的能力。這一能力的形成，建立在對連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)部件的深入研究之上，同時，也需要設(shè)計者具備前瞻性的視野，不斷探索和實踐新型機(jī)構(gòu)的設(shè)計理念。在設(shè)計機(jī)構(gòu)運(yùn)動的過程中，學(xué)生需要運(yùn)用所學(xué)的機(jī)構(gòu)學(xué)知識，結(jié)合實際需求進(jìn)行創(chuàng)新性的設(shè)計。例如，在連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計中，學(xué)生需要考慮到連桿的長度、連接方式以及運(yùn)動軌跡等多個因素，以確保機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和運(yùn)動性能的優(yōu)越性。這種設(shè)計過程不僅是對學(xué)生理論知識的檢驗，還是對其創(chuàng)新思維和實踐能力的挑戰(zhàn)[1]。

通過不斷的實踐和挑戰(zhàn)，學(xué)生的機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計能力將得到逐步提升。他們將能夠設(shè)計出既滿足功能需求，又具備優(yōu)良運(yùn)動性能的機(jī)構(gòu)，為后續(xù)的運(yùn)動仿真驗證和實際應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。

1.2" 運(yùn)動仿真能力的詳細(xì)探討

隨著科技的發(fā)展，運(yùn)動仿真技術(shù)已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)計過程中不可或缺的一環(huán)。運(yùn)動仿真能力就是要求設(shè)計者能夠利用先進(jìn)的仿真軟件，對設(shè)計出的機(jī)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)的運(yùn)動性能分析和優(yōu)化。

學(xué)生需要熟練掌握各種仿真工具的操作技巧，能夠準(zhǔn)確地將設(shè)計理念轉(zhuǎn)化為虛擬模型。通過設(shè)定合理的仿真參數(shù)和邊界條件，學(xué)生可以模擬出機(jī)構(gòu)在真實環(huán)境中的運(yùn)動狀態(tài)，從而預(yù)測其性能表現(xiàn)。這種預(yù)測不僅可以幫助學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，還可以為后續(xù)的優(yōu)化提供有力的數(shù)據(jù)支持。同時，學(xué)生還需要學(xué)會如何根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計進(jìn)行必要的調(diào)整。通過對比不同設(shè)計方案的仿真結(jié)果，學(xué)生可以找出影響機(jī)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素，并據(jù)此對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最佳的運(yùn)動性能[2]。

1.3" 兩種能力的融合與應(yīng)用前景

在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域，機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真兩種能力的融合已經(jīng)成為一種趨勢。這種融合不僅提高了設(shè)計的精準(zhǔn)度和效率，還為設(shè)計者提供了更多的創(chuàng)新空間。

在實際操作過程中，設(shè)計與仿真往往相互交織、互為補(bǔ)充。設(shè)計階段的創(chuàng)新構(gòu)思需要通過仿真來驗證其可行性和性能表現(xiàn)，而仿真的結(jié)果又可以反過來指導(dǎo)設(shè)計的進(jìn)一步優(yōu)化。這種循環(huán)往復(fù)的過程，使得設(shè)計者在不斷試錯和改進(jìn)中，逐步接近最理想的設(shè)計方案。此外，隨著智能制造和數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真的融合將在未來發(fā)揮更加重要的作用。設(shè)計者將能夠借助更先進(jìn)的仿真工具和算法，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行更精準(zhǔn)的分析和優(yōu)化。同時，這種融合也將推動機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域向著更高效、更智能的方向發(fā)展。

2" 機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真結(jié)合的策略

2.1" 交叉融合與聯(lián)合實踐

在工程技術(shù)領(lǐng)域，機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真作為兩種核心技能，對于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力具有重要意義。為了更有效地結(jié)合這兩種技能，本文提出交叉融合與聯(lián)合實踐的策略，旨在打破傳統(tǒng)教學(xué)中兩者的界限，實現(xiàn)知識與技能的深度融合。

2.1.1" 交叉融合授課

交叉融合授課不是在課堂上簡單提及兩個領(lǐng)域的知識，而是要實現(xiàn)深度的內(nèi)容整合。這要求教師對機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計和運(yùn)動仿真有深入的理解，并能夠找到兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系。在授課過程中，教師可以通過案例分析的方式，引導(dǎo)學(xué)生理解機(jī)構(gòu)設(shè)計的原理是如何通過仿真技術(shù)得到驗證和優(yōu)化的。例如，在講解連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計時，教師可以同步展示如何通過運(yùn)動仿真軟件分析連桿的運(yùn)動軌跡、速度和加速度，從而直觀地評估設(shè)計的合理性。

交叉融合授課還應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力。教師可以設(shè)定復(fù)雜的機(jī)構(gòu)設(shè)計問題，讓學(xué)生嘗試通過運(yùn)動仿真來找出設(shè)計中的缺陷，并提出改進(jìn)方案。這種教學(xué)方式不僅能夠加深學(xué)生對理論知識的理解，還能夠培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和實踐能力。

2.1.2" 聯(lián)合實踐操作

聯(lián)合實踐操作是交叉融合策略的重要組成部分，它要求學(xué)生將理論知識應(yīng)用于實際項目中。為了確保實踐的有效性，教師需要精心規(guī)劃實踐項目，確保項目既具有挑戰(zhàn)性又能夠體現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真的結(jié)合點。

例如，教師可以設(shè)計一個“智能抓取機(jī)械臂”的實踐項目。在這個項目中，學(xué)生需要首先進(jìn)行機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計，考慮如何實現(xiàn)抓取、移動和放置物體的功能。隨后，學(xué)生需要利用運(yùn)動仿真軟件對機(jī)械臂進(jìn)行性能分析，包括對運(yùn)動范圍、精度和穩(wěn)定性等方面的評估[3]。通過這樣的實踐項目，學(xué)生不僅能夠綜合運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計和運(yùn)動仿真的技能，還能夠在實際操作中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題。

除了具體的實踐項目外，聯(lián)合實踐操作還應(yīng)包括反思和總結(jié)的環(huán)節(jié)。在項目完成后，教師應(yīng)組織學(xué)生進(jìn)行項目展示和討論，讓他們分享在設(shè)計、仿真和實際操作過程中的經(jīng)驗和教訓(xùn)。這種反思和總結(jié)的過程有助于學(xué)生形成系統(tǒng)的知識和技能體系，并為他們未來的學(xué)習(xí)和工作打下堅實的基礎(chǔ)。

2.2" 以實際問題為導(dǎo)向的案例教學(xué)

案例教學(xué)作為一種有效的教學(xué)方法，已被廣泛應(yīng)用于多個學(xué)科領(lǐng)域。在機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真技能的培養(yǎng)中，采用以實際問題為導(dǎo)向的案例教學(xué)，可以更加貼近工程實際，提高學(xué)生的實踐能力和問題解決能力。

2.2.1" 精選案例

在案例的選擇上，教師需要深入工程實踐，挖掘那些既具有教學(xué)價值又能夠體現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真核心技能的案例。例如，機(jī)器人操作臂設(shè)計案例不僅涉及復(fù)雜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計，還需要通過運(yùn)動仿真來確保其運(yùn)動的精確性和穩(wěn)定性。這樣的案例能夠幫助學(xué)生建立起理論與實踐之間的橋梁，更好地理解并掌握這兩種技能。此外，精選的案例應(yīng)具有一定的難度梯度，以適應(yīng)不同水平和需求的學(xué)生。初級案例可以幫助學(xué)生鞏固基礎(chǔ)知識，而高級案例則能夠挑戰(zhàn)學(xué)生的創(chuàng)新思維和問題解決能力，激發(fā)他們的探索欲望。

2.2.2" 問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)

問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)強(qiáng)調(diào)以問題為驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生主動探索和學(xué)習(xí)。在案例教學(xué)中，教師可以通過設(shè)定一系列引導(dǎo)性問題，幫助學(xué)生逐步深入案例的核心。例如，在機(jī)器人操作臂設(shè)計案例中，可以提出“如何確定操作臂的自由度？”“如何選擇合適的驅(qū)動方式？”等問題，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真的知識進(jìn)行分析和解答[4]。這種學(xué)習(xí)方式不僅能夠鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，還能夠培養(yǎng)他們的團(tuán)隊協(xié)作和溝通能力。在小組討論和匯報的過程中，學(xué)生可以相互學(xué)習(xí)、取長補(bǔ)短，共同進(jìn)步。

2.2.3" 仿真驗證與優(yōu)化

仿真驗證與優(yōu)化是案例教學(xué)中不可或缺的一環(huán)。在完成機(jī)構(gòu)設(shè)計后，學(xué)生應(yīng)利用運(yùn)動仿真軟件對設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)的性能分析。通過調(diào)整設(shè)計參數(shù)、優(yōu)化機(jī)構(gòu)配置，學(xué)生可以直觀地看到設(shè)計改進(jìn)對機(jī)構(gòu)性能的影響，從而更加深入地理解機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真的內(nèi)在聯(lián)系。為了提高學(xué)生的仿真技能，教師可以提供必要的仿真軟件培訓(xùn)，并指導(dǎo)學(xué)生如何根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行有效的設(shè)計優(yōu)化。此外，教師還可以鼓勵學(xué)生嘗試不同的設(shè)計方案，通過對比仿真結(jié)果，找出最優(yōu)的設(shè)計方案。

2.3" 開展跨學(xué)科的創(chuàng)新實踐挑戰(zhàn)

為了更有效地融合機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真兩種技能，教師可以組織以這兩者為主題的跨學(xué)科創(chuàng)新實踐挑戰(zhàn)。這類挑戰(zhàn)旨在通過解決實際問題和創(chuàng)新實踐來檢驗和提升學(xué)生的綜合能力。

首先，挑戰(zhàn)的主題應(yīng)緊密圍繞機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真的核心技能點。例如，設(shè)定主題為“智能機(jī)械裝置的設(shè)計與性能仿真”，要求學(xué)生或?qū)W生團(tuán)隊設(shè)計和仿真一款能夠自動完成特定任務(wù)的機(jī)械裝置。這樣的挑戰(zhàn)既能檢驗學(xué)生對機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計原理的掌握情況，又能考查他們運(yùn)用仿真技術(shù)分析優(yōu)化的實踐能力。其次，鼓勵學(xué)生自由組隊參與，每隊?wèi)?yīng)包括對不同技能有興趣和專長的學(xué)生，以促進(jìn)技能的交流與融合。教師可以提供必要的指導(dǎo)和建議，確保團(tuán)隊的協(xié)作和技能的互補(bǔ)。

在挑戰(zhàn)過程中，學(xué)生或?qū)W生團(tuán)隊需要綜合運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真兩種技能，解決實際問題或?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計。例如，在“智能機(jī)械裝置的設(shè)計與性能仿真”主題下，學(xué)生需要全面考慮裝置的運(yùn)動性能、穩(wěn)定性等因素，設(shè)計出合理的機(jī)構(gòu)方案，并運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行性能驗證和優(yōu)化。這一過程不僅要求學(xué)生綜合運(yùn)用兩種技能，還需要他們發(fā)揮創(chuàng)新思維和團(tuán)隊協(xié)作能力[5]。最后，挑戰(zhàn)的評審應(yīng)全面考慮設(shè)計的創(chuàng)新性、實用性，以及學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作和問題解決能力等方面。可以邀請相關(guān)領(lǐng)域的專家和從業(yè)者作為評委，對學(xué)生的作品進(jìn)行綜合評價。

2.4" 建立與行業(yè)緊密聯(lián)系的實踐平臺

實踐平臺是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和職業(yè)素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，特別是在需要高度實踐性的機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真技能培養(yǎng)中。為了增強(qiáng)學(xué)生的實踐能力和對行業(yè)的了解，學(xué)校與相關(guān)行業(yè)建立穩(wěn)定的合作關(guān)系，并設(shè)立實踐平臺，是一種非常有效的培養(yǎng)模式。

首先，選擇合作的企業(yè)或機(jī)構(gòu)應(yīng)是在機(jī)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動仿真領(lǐng)域內(nèi)有豐富實踐經(jīng)驗和專業(yè)技術(shù)的。例如，學(xué)校可以選擇與工業(yè)機(jī)器人、自動化設(shè)備制造或相關(guān)技術(shù)研發(fā)的企業(yè)進(jìn)行合作，確保學(xué)生能夠接觸到行業(yè)內(nèi)最新的技術(shù)應(yīng)用，提升其實踐經(jīng)驗。例如，在合作企業(yè)的實踐平臺上，學(xué)生可以親身參與機(jī)械裝置的設(shè)計、仿真驗證、實際調(diào)試等全過程。這樣的實踐經(jīng)驗將極大地提升學(xué)生的實際操作能力和對行業(yè)的了解。同時，實踐平臺還為學(xué)生提供與行業(yè)專家直接交流的機(jī)會。企業(yè)可以安排定期的技術(shù)交流、項目研討等活動，由經(jīng)驗豐富的工程師或技術(shù)人員分享他們的實踐經(jīng)驗和行業(yè)最新動態(tài)。學(xué)生可以通過這些活動，深入了解機(jī)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動仿真在實際工作中的應(yīng)用，以及如何解決實際問題。

3" 結(jié)語

本文通過對機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計與運(yùn)動仿真結(jié)合策略的深入探討，為現(xiàn)代機(jī)械工程教育提供了一種創(chuàng)新的教學(xué)模式，同時也符合基于OBE理念進(jìn)行教學(xué)構(gòu)思的改革思路，以學(xué)生為中心，讓學(xué)生深度參與課程教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。這種綜合性的教學(xué)方法不僅有助于學(xué)生全面掌握機(jī)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動仿真的核心知識和技能，還能夠激發(fā)他們的創(chuàng)新思維和團(tuán)隊協(xié)作能力。通過與行業(yè)的緊密聯(lián)系，學(xué)生將更加了解機(jī)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動仿真在實際工程中的應(yīng)用，從而增強(qiáng)其職業(yè)素養(yǎng)和實踐能力。展望未來，這種結(jié)合策略有望在機(jī)械工程教育領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為培養(yǎng)出更多適應(yīng)未來工業(yè)發(fā)展需求的高素質(zhì)人才作出積極貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬超，曾紅，王宏祥.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)改革[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2019，21（2）：104-106.

[2] 曹素紅.“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的線上教學(xué)設(shè)計探索與實踐研究[J].工業(yè)和信息化教育，2021（11）：32-36，65.

[3] 劉凱琳.虛擬仿真技術(shù)在中職《機(jī)械基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].貴陽：貴州師范大學(xué)，2023.

[4] 劉瑞歌，鄭琪.機(jī)械原理虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].濱州學(xué)院學(xué)報，2024，40（2）：69-73.

[5] 何玉林，楊連發(fā).機(jī)構(gòu)運(yùn)動創(chuàng)新設(shè)計實驗教學(xué)的問題和對策分析[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（85）：81-82.