陳 宇， 康 超， 劉金鋒， 李炳強， 謝 陽

（江蘇科技大學機械工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

引言

為主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略。2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設(shè)，全面培養(yǎng)未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要的實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型新工科人才[1-2]。學生在專業(yè)知識儲備前提下，對其他專業(yè)學科知識的掌握也已成為贏得競爭主動權(quán)的重要條件。然而，目前大學學習中普遍存在課程多、學分多，學生負擔重的問題，學生很難抽出時間去學自己感興趣的東西，同時不少課程缺乏師生互動，學生們無法將課堂所學的概念和理論與實際結(jié)合起來。在此背景下，各高校的培養(yǎng)方案逐漸開始壓縮學分，讓學生從繁重的課堂上解放出來，轉(zhuǎn)為主動的以問題為導向的自主學習。并同時增加了“學科基礎(chǔ)課程群”的學分比重，使學生能夠接觸更豐富廣闊的多學科知識。

《機械傳動基礎(chǔ)》課程是面向?qū)＾D(zhuǎn)本電氣工程及其自動化等近機械專業(yè)的一門學科基礎(chǔ)課。本課程旨在培養(yǎng)學生充分了解工程中常用的連桿機構(gòu)傳動、帶傳動、齒輪傳動、液壓傳動等典型傳動方式的組成、用途和性能特點，為培養(yǎng)學生解決相關(guān)工程中傳動控制問題的能力奠定基礎(chǔ)，為今后從事機械類相關(guān)專業(yè)技術(shù)工作打好必要的知識基礎(chǔ)和工程素養(yǎng)。但實際教學發(fā)現(xiàn)，由于新舊知識銜接不暢、課程枯燥、實驗設(shè)備無法滿足需求等原因，導致目前的教學效果不佳，學生普遍存在學習困難的問題。因此，探索促進學生學習興趣及實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提高專轉(zhuǎn)本《機械傳動基礎(chǔ)》課程教學效果的新途徑、新方法具有重要的現(xiàn)實意義，且符合新工科背景下開發(fā)教學新模式的高校教學改革發(fā)展方向。

1 《機械傳動基礎(chǔ)》課程教學中出現(xiàn)的問題

1.1 新舊知識銜接不暢

《機械傳動基礎(chǔ)》課程主要面向?qū)＾D(zhuǎn)本學生，專轉(zhuǎn)本是?？粕鷱钠胀ǜ叩葘？茖W校轉(zhuǎn)入普通高等本科院校的選拔考試，簡稱“專轉(zhuǎn)本”。但目前，專轉(zhuǎn)本考試科目區(qū)分度較低，理工類的考試科目僅包括高等數(shù)學、計算機基礎(chǔ)和大學英語，其導致學校及任課教師都無法準確評判學生對專業(yè)基礎(chǔ)知識的掌握情況。由于學生在?？齐A段主要關(guān)注專轉(zhuǎn)本考試科目的學習，普遍存在專業(yè)基礎(chǔ)知識掌握不牢靠的現(xiàn)象。另一方面，選課學生雖本科專業(yè)為近機械專業(yè)，但?？齐A段就讀于不同學校、不同專業(yè)，各?？茖I(yè)的基礎(chǔ)課程設(shè)置差異較大，并且即使同一?？茖I(yè)，不同學校的培養(yǎng)大綱編寫的也并不相同。以本課程為例，選課學生普遍存在理論力學、工程制圖、材料力學等前序課程未修或掌握不牢的情況，導致新舊知識無法銜接的問題，嚴重影響課程的教學效果。

1.2 課程枯燥

《機械傳動基礎(chǔ)》課程是一門典型的技術(shù)基礎(chǔ)課程，其研究對象是在生產(chǎn)實際中廣泛應用的機械設(shè)備，所要解決的問題大多數(shù)是工程中的實際問題，具有實踐性強、綜合性強等顯著特點。同時，本課程涉及帶傳動、齒輪傳動、液壓傳動、氣壓傳動等眾多內(nèi)容，各章內(nèi)容彼此獨立，前后聯(lián)系不甚密切，具有獨立性強的特點。此外，本課程還具有內(nèi)容多、概念多、符號多、公式多的特點。實踐教學發(fā)現(xiàn)，在這些特點的加持下，本課程講授過程較為枯燥，學生普遍表現(xiàn)為學習興趣不高，學習效果不佳。

1.3 實驗設(shè)備無法滿足課程需求

實驗是提高學生學習興趣、增強知識理解的有效途徑，《機械傳動基礎(chǔ)》課程中設(shè)置了多組實驗，但實踐教學發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有實驗設(shè)備并不能滿足課程需求。以江蘇科技大學為例，目前，教學用實驗設(shè)備主要存在兩大無法調(diào)解的問題。實驗設(shè)備老化，如機械創(chuàng)新設(shè)計臺架生產(chǎn)于20 世紀80 年代，臺架上電機等構(gòu)件已幾乎完全損壞，零件缺失嚴重，學生動手操作時并不能達到預期的展示效果；實驗設(shè)備昂貴，無法大量采購，如液壓控制實驗臺，單個設(shè)備價格高達80 萬以上，實驗室僅有3 臺，因此實驗時僅能以分組形式進行，客觀上導致部分學生并沒有動手實際參與的機會。這一方面給任課教師的實驗教學帶來了極大的困難，同時也限制了學生能力的培養(yǎng)效果，打擊了學生的學習興趣。

2 面向《機械傳動基礎(chǔ)》課程的虛擬仿真教學方法

虛擬仿真通過在計算機上構(gòu)建真實物理系統(tǒng)的虛擬模型，模擬真實物理系統(tǒng)的運動變化，以仿真的方式為用戶提供反映實體對象變化的直觀感受。隨著計算機技術(shù)的進步及對教育的深度發(fā)展，虛擬仿真越來越多的被運用到實驗教學中，發(fā)揮了巨大的積極作用[3]?！稒C械傳動基礎(chǔ)》中涉及到帶傳動、齒輪傳動等眾多機構(gòu)，傳統(tǒng)教學方法中學生僅能根據(jù)書本上的靜態(tài)圖片，結(jié)合想象理解這些機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件間的運動規(guī)律，難度較大。將虛擬仿真技術(shù)引入《機械傳動基礎(chǔ)》課程實驗教學中后，可引導學生在特定的仿真軟件中建立這些機構(gòu)的三維模型，并設(shè)定構(gòu)件間的約束關(guān)系，通過仿真計算，比較分析構(gòu)件間的運動規(guī)律，使得學生能夠更直觀地感受這些機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件間的運動規(guī)律。

基于虛擬仿真進行《機械傳動基礎(chǔ)》課程的實驗教學具有如下優(yōu)點：以直觀、簡單的方式展現(xiàn)實驗對象的運動變化，可加深學生對理論知識的理解；利用學生對電腦的普遍熱情，提高學生學習的積極性和興趣，提高教學效果；學生可基于電腦進行沉浸式的仿真實驗，減少對昂貴實驗設(shè)備的需求，實現(xiàn)方便，成本較低。

3 虛擬仿真實驗教學實例

3.1 實驗任務(wù)

本小節(jié)以齒輪傳動仿真為例，進行《機械傳動基礎(chǔ)》課程虛擬仿真實驗教學實例展示。通過齒輪傳動仿真實驗，使學生能夠自主實施實驗方案，完成齒輪傳動的動力學建模與計算，初步掌握機構(gòu)動力學仿真的途徑、意義與數(shù)據(jù)處理方法，鞏固和加深對齒輪傳動基本組成、傳動比計算等知識的理解和掌握。

3.2 虛擬仿真模型構(gòu)建

動力學軟件Recurdyn[4]的Gear 模塊是專門用于齒輪建模與仿真的功能模塊。首先，基于該模塊的Gear geometries 功能，通過調(diào)整齒輪齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等基本參數(shù)快速構(gòu)建各個齒輪的三維模型；然后，利用Gear pair assembly 功能，輸入齒輪對安裝中心距，實現(xiàn)齒輪對的自動嚙合安裝；其次，利用Joint 功能定義齒輪與基體間的轉(zhuǎn)動約束，并在主動輪的轉(zhuǎn)動副上施加驅(qū)動；最后，基于Gear contact entities 功能，建立齒輪對間的接觸碰撞關(guān)系，實現(xiàn)運動約束的定義，最終完成齒輪傳動的虛擬仿真模型構(gòu)建，如圖1所示。同時，可基于各齒輪的Properties 屬性查看所建齒輪的分度圓、齒根圓、齒頂圓等信息。

圖1 齒輪傳動仿真模型

3.3 實驗結(jié)果展示

基于動力學軟件Recurdyn 中Analysis 模塊的Dynamic/Kinematic 功能進行齒輪傳動的虛擬仿真計算，基于Animation Control 功能，可查看齒輪傳動的動畫演示，此外，如圖2 所示，在Result 功能中可查看仿真的數(shù)值結(jié)果展示。

圖2 齒輪傳動仿真結(jié)果

4 結(jié)語

本文總結(jié)了專轉(zhuǎn)本《機械傳動基礎(chǔ)》課程教學中發(fā)現(xiàn)的新舊知識銜接不暢、課程枯燥、實驗設(shè)備無法滿足課程需求等問題，提出了在課程教學中應用虛擬仿真技術(shù)的針對性方法，給出了《機械傳動基礎(chǔ)》課程的虛擬仿真實驗教學實例，并對其應用效果進行了簡單討論?？傮w而言，該方法易于實現(xiàn)，成本較低，可有效提高學生學習興趣，從而提高教學效果，具有較高的應用前景。