人机交互式V带传动设计辅助教学软件的开发与教学应用

摘 要：V带传动设计是机械设计课程教学的一个重要部分，为了使学生更好地掌握设计内容，利用Frontpage2000开发了人机交互式辅助教学软件。设计过程中的参数选择由人工完成，输入计算机，数学计算由计算机自动完成。在做V带传动设计练习题时，使用该软件能够简化设计过程，使学生摆脱烦琐的数学计算，多做设计练习，集中精力锻炼选择设计参数的能力，可显著提高设计训练效率。

关键词：V带传动设计；人机交互；计算机辅助教学；教学软件

机械设计课程教学中的主要内容是传动装置的设计，学生需要熟练掌握其设计过程。V带传动是其中的一种基本传动形式，在实际生产中应用较多。由于学生初次学习机械传动的具体设计，不了解机械设计步骤，而且具体设计过程知识点较多，往往掌握不扎实，因此，学生需要在课下多做设计练习题，掌握其要点。

传统的教学方式是教师在课堂上讲解设计过程，学生在课下通过练习题进行训练。教师很少给学生讨论和提问的机会，缩减了学生自主思考的时间[1]。由于课下作业由学生手工完成，单纯的数学计算很多，计算过程烦琐，效率低下，学生不能抓住主要问题进行练习，而且出现错误后不想修改，因此，学生对设计过程的练习少，效果差，知识点难以掌握。这种情况下学生很难发挥出自己的主动性，不能很好地激发个人的学习兴趣。

如果应用计算机辅助教学，充分发挥计算机的优势，学生可以根据自己的学习基础、学习兴趣选择需要的内容，可以选择适合自己水平的练习，作为学习的主体参与全过程。以往有些辅助教学的软件，只要输入原始参数不必查阅任何图表就可输出准确的设计结果。这种方式不能锻炼学生的设计能力。实现学生与计算机交互，学生在学习过程中可以和计算机一起研究要学习的内容，通过计算机实现与同学和教师之间的讨论和咨询[2]。为学生提供了一个交互式的学习环境，激发学生的积极性和参与性，增强学习效果[3]。而基于Web设计的课件，能充分发挥多媒体、网络技术的教学资源优势，使学生根据需要选择学习的切入点，或循序渐进，或跳跃前进，不受时空限制，通过与计算机之间的交互活动达到教学目的，提高学生自主学习的兴趣和主动性，从而提高教学质量[4]。

开发人机交互式V带传动设计辅助教学软件的目的是充分利用计算机多媒体技术模拟V带传动设计过程，由计算机完成烦琐的数学计算，而由人工进行判断、参数选择，使学生可以在一个交互式环境下自主学习V带传动设计部分的内容，激发学生的积极性和参与性，加深对设计过程的认识和理解，提高学习兴趣，增强学习效果。

1 软件功能的分析与设计

V带传动设计的过程主要包括计算和参数选择两个部分，其中的数学计算比较烦琐，该步骤完全可以由计算机自动完成，而设计过程中的参数选择是体现设计人员设计能力的主要方面，不同人员的选择结果必定存在差异，这个步骤不宜由计算机完成，否则得到一样的结果，不能体现设计人员的水平。如小带轮基准直径的选择，在大于最小值的有效范围内，不同人员会有不同的选择，对最终设计结果也会有不同的影响，这也是工程设计的一个特点。此环节应该由设计人员自主选择，输入计算机，再进行下一步设计，如果参数选择不当，需要返回重新选择。软件的另一个特殊功能则是对选择的参数或计算结果提示允许范围，并说明结果大小对传动性能有何影响，如果不在允许范围内，则应返回重新设计，如带速、带的根数等。因此，学生在设计过程中会对相应的知识加深理解。

软件的界面和框架采用Frontpage2000开发，典型的Word界面设计，综合提供了网页制作和网站建立、管理等多项功能，并支持“所见即所得”的操作方式，用户无需学习HTML，Java，JavaScript等建立网站的相关语言，也可以设计出包括文字、图像、声音等多种元素且精彩的网页。另外，Frontpage2000中还预制了50余种主题，便于设计者创立页面风格一致的站点。设计中，首先将整个系统的框架和各个子页面设计出来，加入大量超链接使各个页面能相互浏览，制作链接目录，做到链接整齐化、可视化、简洁化。使浏览界面既拥有庞大的信息含量又不失简洁明了，方便浏览。

V带传动设计辅助教学软件具有一个核心，它完成设计中的数学计算功能，这个功能由Frontpage2000中ActiveX控件和VBScript脚本语言来实现。ActiveX控件可以在辅助计算过程中实现获取参数、触发运算、显示结果等功能，它配合VBScript脚本语言在后台进行运算，可以完成设计过程的计算功能。

2 V带传动设计辅助教学软件主要内容

V带传动设计步骤根据文献[5]完成，具体操作界面如下：

（1）确定计算功率，选择V带型号、小带轮基准直径，验算带速，界面如图1所示。

图1 界面一

（2）计算大带轮转速，选择基准直径，初定中心距，计算相应带长，界面如图2所示。

图2 界面二

（3）选取带的基准长度，计算实际中心距，验算小带轮上的包角，界面如图3所示。

图3 界面三

（4）确定带的根数，确定单根带的初拉力，计算压轴力，界面如图4所示。

图4 界面四

（5）总结、显示上述设计过程得到的主要参数，应用VBScript中自动赋值实现，并可存入文件，供比较设计结果使用，界面如图5所示。

图5 界面五

在操作界面中，点击超链接，即可出现文献[5]中的相关参考图表，从中选取参数，在操作界面输入。当所用参数再次出现时，本系统可以用自动赋值功能将前面算出或者输入过的数值赋给当前参数。其中，工况系数以下拉列表的形式输入，使用VBScript脚本语言中的“ComboBox1.AddItem”语句实现。

计算带速后，提示带速允许范围，如果计算带速超出允许范围，则需更改前面选择的小带轮基准直径数值，使带速满足要求。为保证工作能力，应使小带轮包角大于许用值。设计中应用VBScript中的If语句实现对包角的判定。若包角过小，可加大中心距或增设张紧轮。对于V带根数，如果不是整数，须取整；带的根数要在允许范围之内，否则返回重新计算。

3 结束语

利用Frontpage2000开发了V带传动设计的计算机辅助教学软件，将参数选择与设计计算过程有机地结合在一起，使学习者可以在一个人机交互的环境下自主学习，对设计过程中参数选择的能力进行强化训练，而且本软件采用Web形式，可以使更多的机械设计学习者应用此项辅助学习功能。学生一段时间的使用表明，在做V带传动设计练习题时，使用该软件能够大大简化设计过程，使学生摆脱烦琐的数学计算，将主要精力用于选择设计参数的能力的培养，练习过程不再枯燥乏味，学生的积极性和参与性大大提高，能够完成多次设计过程练习，明显增强了设计训练的效果，加深了对理论、概念和方法的认识和理解，实现了对学生学习成果的检测。

参考文献

[1] 何秀娟.多媒体教学与传统课堂教学的实践对比与思考[J].实验技术与管理，2005，22（12）：94-96.

[2] 霍银磊.双主体交互式教学模式在包装机械教学中的应用实践[J].中国科技博览，2010（28）：122.

[3] 马春生.交互式教学在机械制图课件开发中的应用[J].机械管理开发，2010，25（3）：130-131，133.

[4] 陈展荣.基于Web的校园网CAI课件的设计与实现[J].暨南大学学报：自然科学版，2003，24（3）：51-55.

[5] 金清肃.机械设计基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2008.