虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用

王爍

摘要：在經濟和科技高速發展的今天，虛擬仿真技術在實踐教學中的應用也越來越廣泛。虛擬仿真技術具有成本小、操作簡便、適用范圍廣的優點，在實踐教學中受到廣大教師和學生的歡迎，是教學過程中非常重要的教具之一，本文以機械工程實踐教學的現狀為出發點，分析了虛擬仿真技術在機械工程實踐教學中的具體應用，旨在提高機械工程教學質量，提高虛擬仿真技術的應用范圍及頻度。

關鍵詞：虛擬仿真技術；機械工程；實踐教學；現狀；具體應用

機械工程實踐教學的實踐性非常強，非常注重學生的動手實踐能力的培養，其專業化程度也非常高，必須具有專業知識、必須有專門的機械才能操作，機械工程是我國理科高校的重要專業，對我國生產制造業的發展有非常重要的作用。虛擬仿真技術對機械工程實踐教學有非常重要的作用，它可以讓學生如身臨其境般真正地理解和掌握機械操作原理，激發學生對機械工程實踐操作的積極性，為教師教學提供便利條件，為實踐教學成果的提高提供有力保證，為學生日后就業奠定良好的基礎。

一、機械工程實踐教學存在的問題

機械工程實踐教學重在實踐操作，提高學生的動手實踐能力。隨著高校擴招政策的不斷深入發展，高校的學生也越來越多，實驗設備短缺和實驗場地不足的問題已成為制約機械工程實踐教學的重要因素。學生實踐的時間和次數都非常有限，這將無法保證學生將理論中學到的知識及時有效地運用到實踐中去，對學生動手能力的提高影響比較大，學生掌握的理論知識無法在實驗中得到驗證，這在無形中也會降低學生學習的積極性。另一方面，由于實踐教學要使用機械，機械具有一定的危險性，不少學校為了學生的人身安全經常以其他形式代替實驗教學，比如：講座和參觀等。但是，這些形式不能代替實踐教學，學生的動手實踐能力得不到有效的提高，學生對知識的理解和掌握無法達到透徹和融會貫通的程度，對機械工程的學習非常不利。一言以蔽之，我國高校機械工程實踐教學的教學設備和教學質量有待于進一步提高。

二、機械工程實踐教學的意義

機械工程實踐教學對學校、學生和教師都有重要意義。眾所周知，實踐教學注重學生的動手操作能力，學生只有進行真正的實踐操作，他們的實踐水平才能逐步提高。但是如果在真正的機械上進行實踐操作，這會大大增加學校的經費開支，因為真正的實驗設備不僅價格高，而且保養的成本也比較高。而虛擬仿真技術的出現恰好解決了這方面的問題，具有投入少、操作簡便的特點，在減少學校投入的同時還方便了教師教學。虛擬仿真技術是教師教學過程中的重要教具，虛擬仿真技術的應用有利于教師在授課過程中將理論與實踐有機結合，對提高教學水平和教學成果發揮著重要的作用。同時，虛擬仿真技術為學生的實踐提供了優質平臺，讓學生在實驗中體會學習的快樂，讓學生真正成為學習的主人，激發學生學習的積極性和主動性，讓學生真正做到學以致用，將學到的理論知識在實驗中融會貫通。

三、虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用

科學技術是第一生產力，科技不僅帶動了計算機網絡技術的迅速發展，而且促進了虛擬仿真技術的迅速發展，虛擬仿真技術在機械工程教學的應用也越來越廣泛。下面將簡要介紹虛擬仿真技術在機械工程教學中的具體應用。

（一）虛擬仿真技術在數控加工技術中的應用

數控加工技術在現代制造業中扮演著重要的角色，數控加工技術是機械加工技術和微電子技術的結合體，它與機械工程的發展方向吻合。數控加工技術是我國理科類高校的專業必修的核心內容。因為機床價格昂貴，所以機床嚴重不足已成為一個數量的問題。為了解決這一問題，實驗室利用了數控加工仿真技術。以CAXA軟件在鼠標的數控加工為例。在實驗過程中，CAXA軟件將會模擬真實的數控機床實際操作方法與步驟，讓每個學生身臨其境感受數控加工的具體過程。在實踐過程中，學生首先要建立具體的實體模型，然后根據具體的模型選擇加工所用刀具和加工路線，最后完成模擬仿真加工。

（二）數控仿真技術在機構運動簡圖測繪實驗中的具體應用

機構運動簡圖測繪實驗要求學生在掌握運動簡圖繪制方法的基礎上進行，達到能在實際中測繪運動簡圖的目的。在實驗中學生可以了解到實驗運動簡圖與實際運動簡圖之間的差異，從而能準確計算出機構自由度，并判定確定運動是在何種情況下進行的。數控仿真技術可以讓學生通過動態的運動簡圖觀察機構的自由度，讓學生真正地理解機構運動簡圖，為以后的實踐操作奠定良好的基礎。

（三）虛擬仿真技術在減速器裝配實驗中的具體運用

減速器是機械設備上的一個重要部件，減速器實驗也是機械工程實驗教學中的一項基礎性的實驗。傳統教學過程中，教師為了讓學生真正了解減速器的工作原理、內部構造和主要功能，往往將真實的減速器搬到課堂上進行拆裝。這種方法雖然讓學生接觸、了解了真正的減速器，但是由于成本比較高，實驗結果不穩定，在教學的過程中實用性不是很大。虛擬仿真技術在減速器實驗中的具體運用很好地解決了這一問題。在虛擬仿真技術的具體應用過程中，利用Inventor軟件進行減速器模型的設置是第一要務，在模型設置完畢后就可以利用虛擬仿真技術進行減速器的拆裝模擬實驗，在實驗之后可根據已得數據對減速器進行修形，再利用ANSYS軟件計算出減速器的頻率，使學生真正掌握減速器的運動原理和共功能，達到實踐教學的目的。

（四）數控仿真技術在帶傳動性能測試實驗中的具體應用

在機械傳動過程中，帶傳動是一項非常重要的傳動技術。數控仿真技術在帶傳動性能測試實驗中的應用比較廣泛，已經成為機械工程實驗教學的基礎實驗課程。它主要是學生通過對帶傳動過程中打滑現象和彈性滑動現象進行觀察，分析帶傳動承載能力，得出相關數據，從而對帶傳動效率圖形的形式進行描繪。但是，利用數控仿真技術在帶傳動性能測試實驗時，不須要使用轉矩力測桿、發電機、電動機、以及傳感器等裝置，它的硬件設施主要是計算機，在實驗中，性能測試系統由軟件進行設計，測力傳感器、轉速傳感器、加載裝置以及數據采集卡等在計算機的帶動下，完成帶傳動性能測試，通過對實驗中各種動力和運動進行觀察分析，從而描繪出傳動的效率曲線和彈性滑動曲線，通過曲線能夠準確地計算出傳動效率和彈性滑差率之間的聯系。

四、結束語

在機械工程實驗教學中采用虛擬仿真技術能夠提高學生的學習興趣，使學生積極地參與到課堂學習中，同時，虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用能夠有效地解決教學實驗設備短缺和老化問題，適應了現代社會的發展要求，更好地提高了學生的課堂學習效率。

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編輯/岳 鳳