王 芳 王瑞芳 平學(xué)成 劉 卉 張林靜

（天津科技大學(xué)，天津 300222）

基于虛擬樣機技術(shù)的機械原理課程改革與實踐

王 芳 王瑞芳 平學(xué)成 劉 卉 張林靜

（天津科技大學(xué)，天津 300222）

結(jié)合天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)團隊建設(shè)宗旨，闡明了現(xiàn)代設(shè)計方法與機構(gòu)分析理論對機械課程教學(xué)體系的重要性，提出基于虛擬樣機技術(shù)的機械原理教學(xué)改革措施。通過課堂教學(xué)，強化解析法在平面機構(gòu)運動分析及受力分析中的運用；以課程設(shè)計為載體，將機械原理課程體系中的理論教學(xué)和實踐有機結(jié)合。實踐證明，在機械原理課程中引入虛擬樣機技術(shù)進行機構(gòu)設(shè)計及分析，這種理論教學(xué)與設(shè)計訓(xùn)練融合的創(chuàng)新組織形式，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、提高專業(yè)綜合素質(zhì)方面有重要的應(yīng)用價值。

機械原理；虛擬樣機技術(shù)；解析法

一、引言

機械原理是天津科技大學(xué)機械類專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課和主干課，開課于機械制圖、力學(xué)、金屬工藝學(xué)、互換性等課程之后，專業(yè)課之前，具有承上啟下的作用，以機構(gòu)及機械系統(tǒng)設(shè)計為主線，通過課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和課程設(shè)計實踐教學(xué)各環(huán)節(jié)，夯實機械系統(tǒng)運動設(shè)計知識基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計意識和運用先進設(shè)計技術(shù)及方法分析解決工程問題的能力[1-2]。

理論教學(xué)使學(xué)生掌握關(guān)于機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、運動學(xué)和機器動力學(xué)的基本理論，我校教學(xué)體系過去一直以圖解法為主，解析法為輔。課程設(shè)計作為機械類本科生的第一次課程設(shè)計，在我校每年涉及300多學(xué)生參與，目的是培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)系實際機械進行結(jié)構(gòu)分析、運動分析和力分析的能力，對學(xué)生深入理解課程的理論知識、熟練應(yīng)用輔助設(shè)計工具起到積極推動作用[2]。長期以來，我校課程設(shè)計選題主要是牛頭刨床的運動和動力設(shè)計。學(xué)生多是參照設(shè)計指導(dǎo)書給定的機構(gòu)運用圖解法按部就班完成導(dǎo)桿機構(gòu)的運動分析與動態(tài)靜力分析。單一的設(shè)計內(nèi)容、陳舊的設(shè)計方法，不能調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，制約了學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)揮，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力。當(dāng)今制造業(yè)及先進計算機技術(shù)的發(fā)展，要求培養(yǎng)學(xué)生具備綜合設(shè)計能力。

隨著天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院機械類教學(xué)改革的不斷深入和課程體系的不斷完善，通過改革強化解析法，構(gòu)建基于虛擬樣機技術(shù)的機械原理課程體系具有重要意義。

二、基于虛擬樣機技術(shù)的機械原理課程教學(xué)改革探討

改革應(yīng)以學(xué)生為本，革新內(nèi)容、精煉理論、增強實踐，深化教學(xué)研究，更新教學(xué)觀念，依托信息技術(shù)，完善教學(xué)手段，在現(xiàn)代設(shè)計方法與機構(gòu)分析理論研究成果的基礎(chǔ)上，針對課程指導(dǎo)思想、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式等方面進行機械原理課程教學(xué)改革研究與實踐。

針對機構(gòu)運動學(xué)及動力學(xué)分析，以圖解法為切入點，增加解析法的講解，優(yōu)化課程內(nèi)容設(shè)置，夯實理論基礎(chǔ)，形成以解析法為主的機械設(shè)計思路。依托先進設(shè)計分析手段，將虛擬樣機的機構(gòu)設(shè)計及分析方法有機融入課程，創(chuàng)新實踐教學(xué)模式，以課程設(shè)計為載體，推進教學(xué)方法改革，提高學(xué)生靈活運用計算機輔助技術(shù)完成機械設(shè)計的能力[3-5]。增強課程教學(xué)過程管理與互動，改進課程考核評估方法，鍛煉學(xué)生自學(xué)能力，培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作，建立面向?qū)嵺`應(yīng)用能力培養(yǎng)的考核方法，構(gòu)建適合該校學(xué)生培養(yǎng)方案的機械原理課程體系。建設(shè)整體規(guī)劃如圖1所示。

圖1 課程改革規(guī)劃

三、基于虛擬樣機技術(shù)的機械原理課程教學(xué)改革實施

1.理論教學(xué)改革實施

將虛擬樣機技術(shù)引入機械原理課程中，連續(xù)兩年在2012級和2013級材料成型及控制工程專業(yè)開展試點教學(xué)及改革。

2015年，對課堂教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整，針對平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)和齒輪機構(gòu)設(shè)計，強化解析法在機構(gòu)運動分析及受力分析中的運用，增加解析法的學(xué)時，介紹機構(gòu)各構(gòu)件運動參數(shù)解析式的構(gòu)建方法和各構(gòu)件尺寸的求解方法；讓學(xué)生理解和掌握利用矢量方程、復(fù)數(shù)、矩陣的解析法開展機構(gòu)運動分析的基本理論和基本方法，如圖2所示。

圖2 理論課程改革

解析法的具體實現(xiàn)，需以計算機輔助設(shè)計軟件為工具，工程軟件的熟練應(yīng)用是提高學(xué)生工程能力的重要環(huán)節(jié)。在課堂理論課程講解的基礎(chǔ)上，向?qū)W生介紹UG、SolidWorks、Pro/E、Matlab、ADAMS等計算機輔助設(shè)計工具的實體建模及運動仿真功能，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性并給學(xué)生布置軟件自學(xué)任務(wù)。在連桿、凸輪及齒輪三大機構(gòu)講解過程中，讓學(xué)生完成機構(gòu)設(shè)計、建模及運動仿真，根據(jù)學(xué)生掌握程度，做相應(yīng)指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，為后期運用計算機進行課程設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

2.課程設(shè)計改革實施

傳統(tǒng)的課程設(shè)計，都是安排在課程結(jié)束后學(xué)期末兩周完成，時間安排較為集中，一方面前期理論知識學(xué)生容易淡忘，另一方面各類期末考試分散學(xué)生精力，學(xué)生常突擊式完成設(shè)計，知其然不知其所以然，整個過程顯得疲憊匆忙，效果不理想，不能有效激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性思維。此次改革實踐中（圖3），在課程初期進行課程教學(xué)體系講解并布置課程設(shè)計任務(wù)，將設(shè)計貫穿到理論教學(xué)的整個過程，以課外作業(yè)形式依次完成連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)和齒輪機構(gòu)的方案選擇及設(shè)計。課程設(shè)計要完成圖紙和說明書，并進行答辯，傳統(tǒng)的考核方式基本屬于紙面考核，考核內(nèi)容相對固定，無法很好地體現(xiàn)學(xué)生的綜合能力。改革實踐依據(jù)設(shè)計任務(wù)的分割情況，健全平時考核制度，重在設(shè)計每個階段學(xué)生的設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的考核。

2012級每班擇優(yōu)選擇三分之一同學(xué)采用解析法進行課程設(shè)計，并借助計算機完成機構(gòu)建模及仿真。對學(xué)生進行分組，以組為單位，鼓勵每個人參與設(shè)計。通過試點發(fā)現(xiàn)，采用計算機進行機構(gòu)設(shè)計的同學(xué)，有更大興趣和積極性，學(xué)生通過仿真更直觀的看到了機構(gòu)的工作情況，提取了機構(gòu)各構(gòu)件位置、速度、加速度及受力大小，收到了良好的學(xué)習(xí)效果。

圖3 課程設(shè)計改革

2013級試點過程中，每班擴大到三分之二同學(xué)以計算機完成機構(gòu)設(shè)計及分析。通過學(xué)生和老師多途徑搜集課程設(shè)計題目，增加設(shè)計性、創(chuàng)新性設(shè)計題目，以拓展其學(xué)習(xí)時間和空間，滿足不同學(xué)生的要求，實現(xiàn)設(shè)計由模仿型變?yōu)樗伎夹汀榱烁玫闹笇?dǎo)學(xué)生，利用網(wǎng)絡(luò)互動平臺實現(xiàn)對傳統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)模式的改革，學(xué)生之間的交流和討論活躍，能及時有效地解決設(shè)計過程中遇到的問題，贏得更多時間開展下一階段的工作。運用不同軟件工具得到的結(jié)果可以相互驗證。部分優(yōu)秀學(xué)生通過運動仿真進行機構(gòu)方案的選擇和確定，通過參數(shù)化設(shè)計，完成了機構(gòu)尺寸優(yōu)化，并通過構(gòu)件形狀設(shè)計及材料選擇，完成機構(gòu)動力學(xué)分析，掌握了基于虛擬樣機技術(shù)完成機構(gòu)設(shè)計及分析的能力，創(chuàng)造性思維也得到很好的鍛煉。

四、結(jié)束語

基于虛擬樣機的機械原理課程改革，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生普遍反應(yīng)收獲較大，學(xué)生在學(xué)習(xí)課程理論內(nèi)容的同時，掌握了先進的設(shè)計方法和工具，提高了科學(xué)研究的能力與水平，培養(yǎng)了分析問題、解決問題和科技創(chuàng)新的能力。實踐過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，設(shè)計題目還需進一步精心設(shè)計，達(dá)到綜合鍛煉的目的，并逐漸將這種理論教學(xué)與設(shè)計訓(xùn)練融合的創(chuàng)新組織形式推廣到更多的專業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和應(yīng)用能力，適應(yīng)機械領(lǐng)域的需求。

[1]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]郭衛(wèi)東，劉榮，李繼婷.機械原理課程體系與教學(xué)內(nèi)容的改革與實踐[J].太原理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2008，26（S1）：8-10.

[3]張毅杰，孔令瓊，施杰，等.SolidWorks在機械設(shè)計基礎(chǔ)課程體系中的應(yīng)用研究[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，8（1）：67-71.

[4]姚智華，易勇，陳豐，等.《機械原理》課程教學(xué)改革與實踐[J].安徽科技學(xué)院學(xué)報，2013，27（5）：74－76.

[5]黃小龍.虛擬樣機技術(shù)在“機械原理課程設(shè)計”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2013（4）：102-103.

（責(zé)任編輯：姚歆燁）

Reforming the Mechanical Principle Course Based on Virtual Prototype Technology

WANG Fang,WANG Ruifang,Ping Xuecheng,LIU Hui,ZHANG Linjing
（Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300222,China）

With the progress of teaching team construction and teaching reform in the College of Mechanical Engineering in Tianjin University of Science and Technology，the modern design method and analytical theory of mechanism have become more and more important in the mechanical principle course.Therefore,a curriculum reform based on virtual prototype technology was proposed.In classroom teaching,the analytical method was applied to the analysis of motion and dynamics in plane linkage.The new curriculum combined theory with practice,and introduced virtual prototyping technology into the course.As a result, the interest of the students has been inspired,and their innovation ability and professional quality have improved.

mechanical principle;virtual prototyping technology;analytical method

G642.0

王芳（1982—），女，副教授，研究方向：生物力學(xué)、機械CAD/CAE。

天津科技大學(xué)青年教師創(chuàng)新基金（教育教學(xué)類）（2014JXC01）。