申 燚，王明強，袁明新，馮 振，陳 文

(江蘇科技大學 a.機電與汽車工程學院;b.蘇州理工學院，江蘇 張家港215600)

《機械原理》和《機械設計》課程是工科院校機械類專業(yè)學生的主干課程，對培養(yǎng)學生綜合機械設計能力起著至關重要的作用。機械原理和設計課程群呈現(xiàn)出知識點多而難的特點，學生在上課時往往感覺內(nèi)容抽象，且非常枯燥，大大降低了學習積極性。近年來，隨著專業(yè)結構的調整和課程體系的深化，該課程群的教學內(nèi)容在不斷更新和增加，而課時卻在不斷減少，如何解決學時與教學內(nèi)容的沖突，并在有限學時內(nèi)提高學生的機械設計和創(chuàng)新能力，已經(jīng)成為廣大一線教師開展教學改革的目標。段巍為了提高學生的設計和創(chuàng)新能力，針對《機械原理》課程中的機構分析重點，通過內(nèi)容精簡、調整和更新來使教學目標更明確，教學重點更突出。李克旺等通過對機械原理與設計課程群的教學內(nèi)容優(yōu)化、教學方法與手段改革、課程設計整合等來培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實踐能力。從已有的改革成果來看，目前改革更多地將重點放在了教學體系和內(nèi)容的調整上，在教學手段上更多地采用多媒體。但該課程群的教學內(nèi)容與工程實際結合緊密，且具有非常強的實踐性，而學生自身往往缺乏工程應用背景。這在理論教學中需要能盡量將知識點與工程實體相結合，幫助學生理解知識點原理以及在工程中的應用;而在實踐教學中，同樣需要結合工程實體，將課程知識點應用到工程中去，只有這樣才能切實提高課程群的教學效果。為此，文中結合工程案例，提出了基于虛擬仿真與裝配技術的機械原理與設計課程群教學改革，加深了學生對知識的理解，激發(fā)了學生的學習積極性，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新設計能力。

一 虛擬仿真技術在機械原理課程教學中的應用

《機械原理》主要研究機械中機構的結構和運動，以及機器的結構、受力、質量和運動。課程教學內(nèi)容歸納起來主要包括兩類:一類是根據(jù)機構的結構和主要參數(shù)來分析它們的各種特性，即機構和機器的分析;另一類是根據(jù)預期的各種特性來確定新機構或機器的型式、結構和主要參數(shù)，即機構和機器的綜合。由于課程很多知識點是現(xiàn)實機構的簡化，因此與工程實際結合緊密，而這對于無工程背景的學生來說，卻相對比較抽象，學生學習的積極性并不高，為此，課題組針對各章內(nèi)容首先引入了如表1所示的工程案例。比如在講解鉸鏈四桿機構時，通過慣性篩的實際工作過程來詮釋雙曲柄機構的運動及功能，以此來將知識形象化、趣味化，增強學生的感性認識，提高學生的學習積極性。為了進一步幫助學生對知識原理的理解以及在工程中的應用，課題組在工程案例基礎上加強了虛擬仿真技術的應用。首先利用Pro/E等軟件對機構運動進行動態(tài)仿真，使得學生能對機構的運動有一個直觀的了解，同時利用Pro/E強大的造型、變參和裝配等功能，幫助學生進行曲柄搖桿等機構的參數(shù)化設計，提高知識點的工程應用能力;其次，利用Matlab強大的計算和圖示化功能，對平面連桿等機構的動力進行輔助分析，從而提高學生的機構設計能力。

表1 課程部分重要知識點及其工程案例

為了進一步說明虛擬仿真技術在《機械原理》課程教學中的應用，文中以課程的周轉輪系運動和傳動比計算知識難點為例，來具體闡述如何通過動態(tài)仿真來詮釋知識點。課題組首先針對周轉輪系結構引入手持式電動螺絲刀變速裝置，如圖1(a)所示，然后利用Pro/E軟件設計了如圖1(b)所示的動畫模型。圖中，1和3為中心輪，2為行星輪，4為系桿，5為機座。通過該模型的運動仿真可以非常直觀地將周轉輪系運動展示給學生，加深學生對周轉輪系機構的理解。在講解該機構傳動比時，此時動畫中系桿4固定，而中心輪1、3繞O點，行星輪2繞H點作定軸轉動。因此，在計算周轉輪系傳動比之前，首先引導學生去思考把周轉輪系轉化為“轉化輪系”，即定軸輪系;然后在考慮“轉化輪系”中各構件之間相對運動關系與原輪系一致的前提下，協(xié)助學生輕松推導出周轉輪系轉動比的計算公式，從而把深奧難懂的知識點形象化。

二 虛擬仿真技術在機械設計課程教學中的應用

《機械設計》是一門論述機械設計理論、方法，培養(yǎng)學生具有機械設計能力的技術基礎課，任務是使學生掌握如何設計和選用通用機械零部件，進而具有設計機械傳動裝置和簡單機械的能力。教學內(nèi)容包括:聯(lián)接設計(如螺紋、鍵和銷聯(lián)接等);機械傳動設計(如帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動等)和軸系零、部件設計(如滑動軸承、滾動軸承、聯(lián)軸器與離合器等)。與《機械原理》相比，《機械設計》課程知識點同樣具有多、難、散、枯燥的特點，知識點雖不是工程實體的簡化，但與工程應用聯(lián)系更為緊密。在課程教學時，教師不僅需要在工程中來詮釋知識點的原理和功能;更需要結合工程實際來強調如何應用，只有這樣才能在幫助學生掌握知識點的同時，提高學生的知識應用能力，進而培養(yǎng)學生的機械創(chuàng)新設計能力。為此，課題組針對該課程的特點，在教學中強調了課程知識點的工程應用。但限于有限的實驗室硬件設備資源，教學中再次強化了虛擬仿真技術的應用。以機械傳動知識點為例，教學中若僅齒輪傳動本身講解，不僅教師覺得枯燥無味，學生聽起來也更加無趣，更無從談起工程應用。因此，課題組引入了工程實例——氣象雷達。將氣象雷達的俯仰多級傳動機構作為教學對象，并結合實驗設備，利用Pro/E進行設計并構建了多級傳動機構的三維動態(tài)仿真圖，結果如圖2所示。雷達安裝在連桿8上，通過改變連桿的運動來達到改變雷達俯仰角，實現(xiàn)信號的接收。其動力傳遞過程:由電機1帶動錐齒輪2，然后帶動一對直齒輪4、5，接著傳給蝸桿6、蝸輪7，最后傳到安裝雷達的連桿8上，從而實現(xiàn)了雷達的俯仰。該工程實例涉及到了錐齒輪-直齒輪-蝸輪蝸桿的三級傳動以及四桿機構。通過該教學實例，學生不僅能掌握錐齒輪、直齒輪、蝸輪蝸桿的傳動特點，而且通過動畫能夠掌握系統(tǒng)的動力傳遞過程，實現(xiàn)了知識點與工程實際的緊密結合，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了課堂教學效果。

三 虛擬裝配技術在課程群綜合實踐教學中的應用

實踐教學是鞏固理論知識，加深對理論知識認識和利用的有效途徑?！稒C械原理》和《機械設計》各課程都有相應的課內(nèi)實驗，但為了提高學生對課程群知識的綜合利用和機械系統(tǒng)設計能力，課題組基于機構創(chuàng)新實驗室的設備，將綜合實驗與課程設計相結合，開展了綜合實踐教學改革。配合該教學改革，目前我院配備了各類平面機構創(chuàng)意組合實驗臺、機械系統(tǒng)創(chuàng)新綜合實驗臺等十余套設備。在教學中，課題組一改以往按圖索驥式的減速器設計，從實際工程項目中提煉題目，并要求學生完成以下幾個步驟:(1)針對工程項目進行機構簡化;(2)結合創(chuàng)新實驗設備進行機械零件三維造型;(3)完成機構的虛擬裝配;(4)在實驗設備上進行實體搭建;(5)完成工程項目的完整設計、計算及繪圖。與以往綜合實踐教學相比，新教學改革中強調了結合實驗設備的造型和虛擬裝配技術的應用。通過虛擬裝配及動態(tài)仿真不僅能對所設計機構進行合理性分析和驗證，而且能提高學生的機械設計軟件應用能力。

為了能闡明課程群的綜合實踐教學改革內(nèi)容，文中再次給出了一個教學案例。圖3(a)為用于綜合設計的沖床實體圖，課題要求學生按照上述五個步驟進行相應機械設計。圖3(b)為學生對沖床的簡化圖。桿2好比電動機，當桿2按照順時針旋轉時，連桿3就會隨著桿2旋轉，并帶動桿4、5、6、7按一定角度轉動，最終實現(xiàn)導桿8的上下往復直線運動，即實現(xiàn)沖床機構對工件沖壓的功能。

為了驗證所簡化機構的有效性，并能在實驗室的PCC-II型平面創(chuàng)意組合實驗臺上搭建，學生根據(jù)實驗臺的機械零件，首先利用Pro/E軟件進行零件的三維造型，并結合實驗臺和簡化圖進行虛擬裝配，從而獲得如圖4(a)所示結果;然后在此基礎上通過運動仿真來進行機構的運動干涉檢查，以確保機構簡化和設計的合理性;最后在實驗設備上進行實體的搭建，如圖4(b)所示。在完成上述所有的簡化、虛擬裝配和實體搭建等內(nèi)容后，學生還需完成實體機械的設計、計算和繪圖。

通過該綜合性實踐項目，能幫助學生將課程群知識點進行綜合運用，從而提高機械系統(tǒng)的綜合設計能力，培養(yǎng)機構創(chuàng)新設計素質。而虛擬裝配技術一方面加深了學生對機械零件的認識，提高了設計軟件的應用能力和產(chǎn)品的虛擬設計能力;另一方面也有助于學生解決機械產(chǎn)品從設計到生產(chǎn)過程會出現(xiàn)的技術問題，從而進一步提高系統(tǒng)的設計能力。

四 結論

作為機械類學生的重要核心課程，《機械原理》和《機械設計》的教學改革一直被各任課老師所持續(xù)關注。學生的機械綜合設計能力將直接決定了學生的專業(yè)業(yè)務素質，從而影響了學生的就業(yè)競爭力。為了能提高我院機械類專業(yè)學生的機械設計能力，課題組在將課程知識點與工程案例緊密結合的基礎上，通過強化虛擬仿真與裝配在教學中的應用來進行教學改革，改革內(nèi)容涉及了理論教學和實踐教學。開展教學改革三年以來，課題組協(xié)助學生成功申請到近十項本科機械創(chuàng)新項目，其中兩項為江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃。項目中的“四軸飛行器”和“智能家居中的服務機器人”參加了2010和2012年的江蘇省機械創(chuàng)新比賽，并都獲得了二等獎。2012年另外三個項目作品參加了全國機械創(chuàng)新慧魚組比賽，都獲得了三等獎。一系列成果在說明學生機械綜合設計能力得到提高的同時，也驗證了課題組所開展教學改革的有效性。

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