導(dǎo)語(yǔ)：虛擬仿真在機(jī)械類(lèi)課程教學(xué)的應(yīng)用一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要：以江蘇科技大學(xué)開(kāi)設(shè)的專(zhuān)轉(zhuǎn)本《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》課程為研究對(duì)象，對(duì)實(shí)際教學(xué)中存在的影響課程教學(xué)效果的新舊知識(shí)銜接不暢、課程枯燥、實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法滿足需求等問(wèn)題進(jìn)行了具體分析，提出了在課程教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的針對(duì)性方法，給出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了簡(jiǎn)單討論，以期為低成本提高機(jī)械類(lèi)課程教學(xué)效果提供可行性途徑。

關(guān)鍵詞：機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ);虛擬仿真;教學(xué)模式

為主動(dòng)應(yīng)對(duì)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(dòng)發(fā)展、“中國(guó)制造2025”等一系列國(guó)家戰(zhàn)略。2017年2月以來(lái)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，全面培養(yǎng)未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[1-2]。學(xué)生在專(zhuān)業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備前提下，對(duì)其他專(zhuān)業(yè)學(xué)科知識(shí)的掌握也已成為贏得競(jìng)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)的重要條件。然而，目前大學(xué)學(xué)習(xí)中普遍存在課程多、學(xué)分多，學(xué)生負(fù)擔(dān)重的問(wèn)題，學(xué)生很難抽出時(shí)間去學(xué)自己感興趣的東西，同時(shí)不少課程缺乏師生互動(dòng)，學(xué)生們無(wú)法將課堂所學(xué)的概念和理論與實(shí)際結(jié)合起來(lái)。在此背景下，各高校的培養(yǎng)方案逐漸開(kāi)始?jí)嚎s學(xué)分，讓學(xué)生從繁重的課堂上解放出來(lái)，轉(zhuǎn)為主動(dòng)的以問(wèn)題為導(dǎo)向的自主學(xué)習(xí)。并同時(shí)增加了“學(xué)科基礎(chǔ)課程群”的學(xué)分比重，使學(xué)生能夠接觸更豐富廣闊的多學(xué)科知識(shí)。《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》課程是面向?qū)＾D(zhuǎn)本電氣工程及其自動(dòng)化等近機(jī)械專(zhuān)業(yè)的一門(mén)學(xué)科基礎(chǔ)課。本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生充分了解工程中常用的連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)等典型傳動(dòng)方式的組成、用途和性能特點(diǎn)，為培養(yǎng)學(xué)生解決相關(guān)工程中傳動(dòng)控制問(wèn)題的能力奠定基礎(chǔ)，為今后從事機(jī)械類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作打好必要的知識(shí)基礎(chǔ)和工程素養(yǎng)。但實(shí)際教學(xué)發(fā)現(xiàn)，由于新舊知識(shí)銜接不暢、課程枯燥、實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法滿足需求等原因，導(dǎo)致目前的教學(xué)效果不佳，學(xué)生普遍存在學(xué)習(xí)困難的問(wèn)題。因此，探索促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提高專(zhuān)轉(zhuǎn)本《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》課程教學(xué)效果的新途徑、新方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，且符合新工科背景下開(kāi)發(fā)教學(xué)新模式的高校教學(xué)改革發(fā)展方向。

1《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題

1.1新舊知識(shí)銜接不暢

《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》課程主要面向?qū)＾D(zhuǎn)本學(xué)生，專(zhuān)轉(zhuǎn)本是專(zhuān)科生從普通高等專(zhuān)科學(xué)校轉(zhuǎn)入普通高等本科院校的選拔考試，簡(jiǎn)稱(chēng)“專(zhuān)轉(zhuǎn)本”。但目前，專(zhuān)轉(zhuǎn)本考試科目區(qū)分度較低，理工類(lèi)的考試科目?jī)H包括高等數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)和大學(xué)英語(yǔ)，其導(dǎo)致學(xué)校及任課教師都無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)判學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況。由于學(xué)生在專(zhuān)科階段主要關(guān)注專(zhuān)轉(zhuǎn)本考試科目的學(xué)習(xí)，普遍存在專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)掌握不牢靠的現(xiàn)象。另一方面，選課學(xué)生雖本科專(zhuān)業(yè)為近機(jī)械專(zhuān)業(yè)，但專(zhuān)科階段就讀于不同學(xué)校、不同專(zhuān)業(yè)，各專(zhuān)科專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程設(shè)置差異較大，并且即使同一專(zhuān)科專(zhuān)業(yè)，不同學(xué)校的培養(yǎng)大綱編寫(xiě)的也并不相同。以本課程為例，選課學(xué)生普遍存在理論力學(xué)、工程制圖、材料力學(xué)等前序課程未修或掌握不牢的情況，導(dǎo)致新舊知識(shí)無(wú)法銜接的問(wèn)題，嚴(yán)重影響課程的教學(xué)效果。

1.2課程枯燥

《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》課程是一門(mén)典型的技術(shù)基礎(chǔ)課程，其研究對(duì)象是在生產(chǎn)實(shí)際中廣泛應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備，所要解決的問(wèn)題大多數(shù)是工程中的實(shí)際問(wèn)題，具有實(shí)踐性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)等顯著特點(diǎn)。同時(shí)，本課程涉及帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)等眾多內(nèi)容，各章內(nèi)容彼此獨(dú)立，前后聯(lián)系不甚密切，具有獨(dú)立性強(qiáng)的特點(diǎn)。此外，本課程還具有內(nèi)容多、概念多、符號(hào)多、公式多的特點(diǎn)。實(shí)踐教學(xué)發(fā)現(xiàn)，在這些特點(diǎn)的加持下，本課程講授過(guò)程較為枯燥，學(xué)生普遍表現(xiàn)為學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效果不佳。

1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法滿足課程需求

實(shí)驗(yàn)是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)知識(shí)理解的有效途徑，《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》課程中設(shè)置了多組實(shí)驗(yàn)，但實(shí)踐教學(xué)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備并不能滿足課程需求。以江蘇科技大學(xué)為例，目前，教學(xué)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要存在兩大無(wú)法調(diào)解的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化，如機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)臺(tái)架生產(chǎn)于20世紀(jì)80年代，臺(tái)架上電機(jī)等構(gòu)件已幾乎完全損壞，零件缺失嚴(yán)重，學(xué)生動(dòng)手操作時(shí)并不能達(dá)到預(yù)期的展示效果；實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，無(wú)法大量采購(gòu)，如液壓控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)，單個(gè)設(shè)備價(jià)格高達(dá)80萬(wàn)以上，實(shí)驗(yàn)室僅有3臺(tái)，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)僅能以分組形式進(jìn)行，客觀上導(dǎo)致部分學(xué)生并沒(méi)有動(dòng)手實(shí)際參與的機(jī)會(huì)。這一方面給任課教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了極大的困難，同時(shí)也限制了學(xué)生能力的培養(yǎng)效果，打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2面向《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》課程的虛擬仿真教學(xué)方法

虛擬仿真通過(guò)在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建真實(shí)物理系統(tǒng)的虛擬模型，模擬真實(shí)物理系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)變化，以仿真的方式為用戶提供反映實(shí)體對(duì)象變化的直觀感受。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步及對(duì)教育的深度發(fā)展，虛擬仿真越來(lái)越多的被運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，發(fā)揮了巨大的積極作用[3]。《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》中涉及到帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等眾多機(jī)構(gòu)，傳統(tǒng)教學(xué)方法中學(xué)生僅能根據(jù)書(shū)本上的靜態(tài)圖片，結(jié)合想象理解這些機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，難度較大。將虛擬仿真技術(shù)引入《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中后，可引導(dǎo)學(xué)生在特定的仿真軟件中建立這些機(jī)構(gòu)的三維模型，并設(shè)定構(gòu)件間的約束關(guān)系，通過(guò)仿真計(jì)算，比較分析構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使得學(xué)生能夠更直觀地感受這些機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。基于虛擬仿真進(jìn)行《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有如下優(yōu)點(diǎn)：以直觀、簡(jiǎn)單的方式展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)變化，可加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解；利用學(xué)生對(duì)電腦的普遍熱情，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和興趣，提高教學(xué)效果；學(xué)生可基于電腦進(jìn)行沉浸式的仿真實(shí)驗(yàn)，減少對(duì)昂貴實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需求，實(shí)現(xiàn)方便，成本較低。

3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

3.1實(shí)驗(yàn)任務(wù)

本小節(jié)以齒輪傳動(dòng)仿真為例，進(jìn)行《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例展示。通過(guò)齒輪傳動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠自主實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案，完成齒輪傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)建模與計(jì)算，初步掌握機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真的途徑、意義與數(shù)據(jù)處理方法，鞏固和加深對(duì)齒輪傳動(dòng)基本組成、傳動(dòng)比計(jì)算等知識(shí)的理解和掌握。

3.2虛擬仿真模型構(gòu)建

動(dòng)力學(xué)軟件Recurdyn[4]的Gear模塊是專(zhuān)門(mén)用于齒輪建模與仿真的功能模塊。首先，基于該模塊的Geargeometries功能，通過(guò)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(gè)齒輪的三維模型；然后，利用Gearpairassembly功能，輸入齒輪對(duì)安裝中心距，實(shí)現(xiàn)齒輪對(duì)的自動(dòng)嚙合安裝；其次，利用Joint功能定義齒輪與基體間的轉(zhuǎn)動(dòng)約束，并在主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)副上施加驅(qū)動(dòng)；最后，基于Gearcontactentities功能，建立齒輪對(duì)間的接觸碰撞關(guān)系，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)約束的定義，最終完成齒輪傳動(dòng)的虛擬仿真模型構(gòu)建，如圖1所示。同時(shí)，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。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示

基于動(dòng)力學(xué)軟件Recurdyn中Analysis模塊的Dynamic/Kinematic功能進(jìn)行齒輪傳動(dòng)的虛擬仿真計(jì)算，基于AnimationControl功能，可查看齒輪傳動(dòng)的動(dòng)畫(huà)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。

4結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了專(zhuān)轉(zhuǎn)本《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的新舊知識(shí)銜接不暢、課程枯燥、實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法滿足課程需求等問(wèn)題，提出了在課程教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的針對(duì)性方法，給出了《機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)》課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了簡(jiǎn)單討論。總體而言，該方法易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，可有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而提高教學(xué)效果，具有較高的應(yīng)用前景。

作者：陳宇 康超 劉金鋒 李炳強(qiáng) 謝陽(yáng) 單位：江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院