“中國制造2025”背景下“機(jī)械原理”課程改革與實(shí)踐

袁軍　仲文晶

摘要：在“中國制造2025”的強(qiáng)國目標(biāo)下，“機(jī)械原理”課程面臨著與時(shí)俱進(jìn)的挑戰(zhàn)。本文在“機(jī)械原理”課程中引入虛擬樣機(jī)這一先進(jìn)技術(shù)，通過運(yùn)用Adams軟件對課程中機(jī)構(gòu)進(jìn)行演示以及與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析等內(nèi)容有機(jī)的結(jié)合，使靜止的機(jī)構(gòu)圖形運(yùn)動(dòng)起來，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)其對問題的深刻理解，為培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與分析的能力奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：中國制造2025；虛擬樣機(jī)；Adams；機(jī)械原理；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）28-0112-02

當(dāng)前我國制造業(yè)正處于結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時(shí)期，同時(shí)面臨著日益加劇的來自發(fā)達(dá)國家的“再工業(yè)化”戰(zhàn)略和其他新興經(jīng)濟(jì)體的加快成為承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移新陣地這樣的“雙向擠壓”挑戰(zhàn)[1]。為此，2015年5月19日，國務(wù)院印發(fā)了《中國制造2025》規(guī)劃，旨在通過推動(dòng)我國制造業(yè)由大到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變，從而加快建設(shè)制造強(qiáng)國的中國夢。新形勢下，工業(yè)企業(yè)對機(jī)械類畢業(yè)生的創(chuàng)新能力、設(shè)計(jì)能力等綜合素質(zhì)提出了更高的要求。“機(jī)械原理”作為機(jī)械類相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程面對中國制造2025的強(qiáng)國目標(biāo)，也迎來了與時(shí)俱進(jìn)的挑戰(zhàn)[2]。

一、虛擬樣機(jī)技術(shù)與Adams軟件

虛擬樣機(jī)技術(shù)以多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心，借助計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)、集成技術(shù)等，從外觀、功能和空間關(guān)系上模擬真實(shí)產(chǎn)品，模擬在真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供參數(shù)依據(jù)，是先進(jìn)生產(chǎn)力的代表[3]。Adams是虛擬樣機(jī)技術(shù)的集大成者，是公認(rèn)的優(yōu)秀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析軟件，已被越來越多的機(jī)械工程人員應(yīng)用。Adams軟件可以將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析結(jié)果以更加形象的動(dòng)畫和直觀的圖表呈現(xiàn)出來，彌補(bǔ)復(fù)雜和抽象的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及分析給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來的困難。因此，如何將Adams軟件學(xué)習(xí)融入到“機(jī)械原理”課程教學(xué)中，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，能增強(qiáng)教學(xué)實(shí)踐效果、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，是本課題組重點(diǎn)研究的問題[4，5]。為此，本課題組開展了以下工作。

二、教學(xué)實(shí)踐

（一）理論知識(shí)形象化

根據(jù)教學(xué)安排，機(jī)械原理課程安排在第四學(xué)年。這個(gè)階段學(xué)生們已經(jīng)進(jìn)行完理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械制圖和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，有了一定的理論基礎(chǔ)和軟件操作能力，但這理論知識(shí)相對抽象，并且是靜態(tài)的、平面的，與實(shí)際的工程問題還有很大的差距。這個(gè)時(shí)候加入Adams軟件的學(xué)習(xí)，會(huì)給學(xué)生耳目一新的感覺。在講第二章機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析中，利用Adams對課程設(shè)計(jì)到的機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模并演示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，讓平面的機(jī)構(gòu)立體化，并運(yùn)動(dòng)起來，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生對軟件應(yīng)用的興趣。在第三章平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析中，通過Adams軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，將分析結(jié)果與圖解法和解析法的結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，并通過一些教學(xué)案例的演示解決實(shí)際工程問題，使學(xué)生切實(shí)體會(huì)到軟件應(yīng)用的好處，并建立起自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

（二）理論、實(shí)踐教學(xué)融合

在典型機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)章節(jié)中，先將設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行講解，緊接著進(jìn)行平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)課中，指導(dǎo)教師先講授Adams軟件基本操作，接著進(jìn)行連桿機(jī)構(gòu)（如圖1所示）、凸輪機(jī)構(gòu)（如圖2所示）、齒輪機(jī)構(gòu)（如圖3所示）建模與仿真分析的內(nèi)容講解。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為典型的機(jī)構(gòu)的建模，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到相關(guān)參數(shù)值，并以曲線圖和動(dòng)畫的方式顯示仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)總共6課時(shí)，分三次課。在實(shí)驗(yàn)過程中，先由教師講解并通過虛擬樣機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的建立和仿真，對所涉及的機(jī)構(gòu)問題給予直觀生動(dòng)的演示。學(xué)生則利用課余時(shí)間，通過上機(jī)練習(xí)來熟悉和掌握軟件的操作。

每次相關(guān)內(nèi)容講授完畢后，由學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書提供的典型機(jī)構(gòu)，同時(shí)開放機(jī)房，學(xué)生可利用課余時(shí)間學(xué)習(xí)。這樣理論和實(shí)踐緊密的結(jié)合到一起，讓學(xué)生們即刻體驗(yàn)到軟件設(shè)計(jì)帶給他們的快樂。

（三）轉(zhuǎn)換自主學(xué)習(xí)模式

傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)主要采用圖解法和解析法對機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)分析方法，使得學(xué)生花費(fèi)大量的時(shí)間和精力在繪圖和計(jì)算過程中，很難開發(fā)學(xué)生對機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新意識(shí)。為此，我們在“機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)”指導(dǎo)書中加入Adams軟件的應(yīng)用，并將設(shè)計(jì)的題目多樣化，且更貼近實(shí)際需要（如圖4所示）。設(shè)計(jì)中引導(dǎo)學(xué)生利用Adams軟件，發(fā)揮創(chuàng)新意識(shí)，對比多種設(shè)計(jì)方案，同學(xué)間討論、分析問題，對比結(jié)果，充分調(diào)到學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性，從而體現(xiàn)學(xué)生主體、教師主導(dǎo)的教學(xué)思想。

三、結(jié)論

在“中國制造2025”制造業(yè)強(qiáng)國夢的背景下，本文在“機(jī)械原理”課程中引入虛擬樣機(jī)這一先進(jìn)技術(shù)，通過運(yùn)用Adams軟件對課程中機(jī)構(gòu)進(jìn)行演示以及與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析等內(nèi)容有機(jī)的結(jié)合，使靜止的機(jī)構(gòu)圖形運(yùn)動(dòng)起來，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)對問題的深刻理解，為培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與分析的能力奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周濟(jì).智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機(jī)械工程，2015，（17）.

[2]張雪雁，馮立艷.基于三維仿真和分析軟件的機(jī)械原理課程改革[J].教育教學(xué)論壇，2016，（04）.

[3]席俊杰.虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2006，（11）.

[4]黃小龍.虛擬樣機(jī)技術(shù)在“機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2013，（04）.

[5]朱玉.Pro/E和ADAMS在《機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].江蘇教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科版），2006，23（4）：112-114.

Abstract：Under the power target of "made in China 2025"，"mechanical principle course" facing the challenge of keeping the pace with The Times. Based on the principle of "mechanical" course to introduce the advanced technology，the virtual prototype using Adams software to demonstrate course organization and institution system of kinematics and dynamics analysis of the content such as organic combination，make static graphics movement of institutions，improve the students' interest in learning，enhance the deep understanding of the problem，the analysis of the mechanism innovative design was carried out to cultivate students with ability to lay the foundation.

Key words：made in China，2025；virtual prototype；Adams；mechanical principles；teaching reform