数字化仿真技术在“机械原理”教学中的应用分析

摘要：“卓越工程师教育培养计划”是国家为了满足经济社会发展需要的一项重大改革项目，目的在于培养造就一大批具有较强的创新能力、适应社会发展的高质量各类型工程技术人才。针对机械原理在机械工程类专业课程体系中的重要作用，对数字化仿真技术在机械原理教学中进行了一定的应用和探索，该方法有效提高了学生的创新能力和学习兴趣，能够促进“卓越工程师教育培养计划”目标的实现。

关键词：数字化仿真；卓越计划；机械原理；创新能力

作者简介：李杰（1979-），男，河北石家庄人，石家庄铁道大学机械工程学院，讲师；范晓珂（1972-），女，河北石家庄人，石家庄铁道大学机械工程学院，副教授。（河北 石家庄 050043）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）05-0083-02

“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）是高等院校贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的一项重大改革项目，其目的在于培养造就一大批具有较强创新能力、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家工业的转型升级、建设创新型国家和人才强国战略服务。该项目的实施将促进高等教育面向社会需求培养人才，对全面提高工程教育人才培养质量具有十分重要的示范和引导作用。[1]2011年，石家庄铁道大学被教育部批准成为第二批133所“卓越工程师教育培养计划”培养高校之一。“机械原理”课程作为机械工程类的专业基础课程，是石家庄铁道大学（以下简称“我校”）机械设计制造及其自动化专业、车辆工程专业、“茅以升”试验班和“卓越”班的必修课程，占有重要的地位。由于学生人数的增加和新课程的开设，“机械原理”计划学时不断被压缩，而教学内容却不断补充，传统的教学模式很难满足“卓越计划”的要求，很难培养具有创新意识、创新能力的高素质人才。[2]因此，利用数字化仿真技术改善“机械原理”以往传统的教学与实验存在的问题，提高学生的创新能力，培养学生成为具有工程思维的实用型与创新型人才，适应“卓越计划”的发展具有重要的意义。

一、课程教学内容与安排

“机械原理”的课程内容主要有：机械的结构分析、机构的运动和力分析、机械的效率、自锁与平衡、各种常用机构的设计和机械系统的方案设计等内容，共64学时，讲授54课时，实验8学时，“机械原理”课程设计1周。讲授的内容中，主要重点介绍机械的结构分析、机构的运动和力分析、机械的效率、自锁与平衡、常用机构的特点及其设计，其中包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系和其他的常用机构等；[3]机械系统的方案设计内容结合课程设计时完成；实验安排主要针对一些机构的验证、设计与综合，旨在提高学生的动手能力和对机构进行创新设计的能力。但是，由于课时限制，该课程所设置的实验只能完成4个，很难满足“卓越计划”的要求，不利于培养学生的实践能力和创新能力。

二、教学方式的改革

数字化仿真技术是近几年发展起来的一种先进的机械设计方法，它是指将计算机仿真技术应用于产品设计领域，利用计算机分析软件通过建模可对该机构进行运动模拟，对机构及整机进行运动仿真。数字化仿真技术在“机械原理”教学中的应用，不仅可以使得学生对机械原理中的各种机构有感性的认识，而且通过对各种机构的仿真模拟可以使得学生对各种机构的运动与动力特性有直观的了解，有利于培养学生的创新能力。[4]笔者将数字化仿真技术引入到“机械原理”教学中，下面以连杆机构为例，介绍在连杆机构教学中应用数字化仿真技术的一些体会。

1.理论教学的改革

在连杆机构的教学中，连杆机构的基本形式为铰链四杆机构，其三种基本形式分别为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构，当一个铰链四杆机构为曲柄摇杆机构时，通过机构的倒置则可以得到双曲柄机构和双摇杆机构。

在教学过程中，利用数字化仿真软件建立曲柄摇杆机构的数字化模型，按照要求对各相关参数进行设置，其中包括：各杆长度、质量、电机转速、力矩大小等。如图1所示，在四杆机构中各杆分别以转动副相连，分别为A、B、C、D；各杆杆长分别为280mm、520mm、500mm、720mm，然后对杆4固定，杆1为曲柄，在转动副A上加力矩，其数字化模型如图1所示。通过运动仿真对曲柄摇杆机构进行相应的运动分析。[5]曲柄摇杆机构的运动分析如图2所示。

在教学过程中，图1能够清晰演示四杆机构的运动画面，其中曲柄以等角速度转动，摇杆则在一定角度范围内摆动。从图2的角速度图中可以看出曲柄转速为30°/S，而摇杆的摆角为0°～30°。

在曲柄摇杆机构中其他参数保持不变的前提下，只改变曲柄摇杆机构的机架，取原来的杆件1为机架，杆件2为曲柄，对机构进行运动仿真，可以看出，通过改变机架后，原来的曲柄摇杆机构变为了双曲柄机构。双曲柄机构的运动分析如图3所示。

在教学过程中，利用数字化仿真技术学生能够直观看出此时两个曲柄都在做整周的回转运动。从图3中的角速度图中可以看出主动曲柄转速为30°/S，而从动曲柄的转速为不等速连续回转，范围在15°/S～65°/S之间。

最后，在曲柄摇杆机构中，取原来的摇杆3为机架，杆4为曲柄，在其他参数保持不变的前提下对机构进行运动仿真，可以看出，通过改变机架后，原来的曲柄摇杆机构变为了双摇杆机构。双曲柄机构的运动分析如图4所示。

图4的动画演示中能够看出，两个摇杆都不能在整周范围内转动，都在一定范围内做往复摆动，从图4中的角速度图中可以看出主动曲柄摇杆转速为30°/S，而从动摇杆的转速为不等速摆动，范围在0°/S～35°/S之间。

在课堂教学过程中，通过四杆机构的数字化仿真能够使学生在较短的时间内对机构的倒置有清晰的认识，同时提高了学生对计算机应用的兴趣和创新能力。

2.实验教学的改革

由于课时的限制，“机械原理”课程实验共有四次，具体安排如表1所示。

由表1看出：“卓越”班的实验教学比较少，不能够满足学生创新能力和实践能力培养的需求。在实验教学过程中，可以利用数字化仿真技术进行有效的弥补，同时也可以对以上实验进行虚拟验证。在实验2机构运动方案创新设计实验教学过程中，可以先让学生根据实验台搭建不同的机构，分析机构的运动过程，并绘制机构的运动简图，课下让学生通过计算机根据所绘制的机构运动简图建立所搭建的机构模型，进行数字化仿真模拟，直观形象地模拟实际搭建机构的运动过程。而对于实验3机构运动参数测量与分析实验，事先让学生在计算机上对机构进行数字化仿真，测量出机构的位移、速度和加速度曲线，然后再与实验测量的曲线进行相应的比较。对于实验中没有的内容，也可以通过对机构的数字化仿真来培养学生的计算机应用能力和机械创新设计的能力。

三、教学效果

通过数字化仿真技术在“机械原理”课程中的应用，在理论教学过程中对所讲授知识可以实时地进行虚拟仿真，有效改变传统理论教学加实验教学的方法，节省课时。在实验教学中，通过数字化仿真技术和实验相结合大大提高了学生对实验的兴趣，提高了学生的计算机应用能力，同时也培养了学生的机械创新设计意识。

四、结束语

通过教学实践表明，将数字化仿真技术引入到“机械原理”教学中具有较大的新颖性，促进了学生对“机械原理”课程基本理论的理解，实现了教学方法的创新。

新的教学方法能够调动学生学习的积极性，在教学过程中学生能够变被动接受为主动思考，通过对不同的方案进行实时仿真，能够激发学生的创新意识，提高分析问题、解决问题的能力。

数字化仿真技术在本门课程中的应用锻炼了学生将理论知识与实际应用相结合的能力，同时也提高了学生的创新能力。这种教学模式的探索为其他工程类专业基础课程适应“卓越工程师培养计划”的教学改革提供了借鉴经验。

参考文献：

[1]毛娅.适应“卓越工程师培养计划”的机械原理双语教学探索与实践[J].探索与践，2006，4（13）：191-192.

[2]卢梅，李威，邱丽芳.虚拟仿真实验技术在机械原理实验教学中的应用研究[J].仪器仪表用户，2006，4（13）：25-26.

[3]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]袁爱霞，高中庸，李宝灵.机械原理与机构创新设计[J].高教论坛，2007，6（12）：78-80.

[5]陶峰.ADAMS虚拟样机技术在机械原理教学中的应用[J].化工高等教育，2005，2（84）：103-104.