基于現代信息技術的機械類課程改革與實踐

朱立達 鞏亞東 史家順

摘 要 針對機械類課程在教學過程中教學內容抽象、教學方法不直觀和教學實踐性強等特點，采用現代信息技術對機械類課程中復雜產品設計、機械加工過程、機械振動控制以及加工表面質量等知識點進行建模和仿真，以數學模型、力學模型及控制模型為基礎，以仿真數據和實驗數據的圖形可視化為量化效果，有效提高教學質量并增強教學直觀性。通過該類課程改革與實踐，充分體現教學與科研有效結合、虛擬與實驗緊密結合，使學生能夠真正感受和理解工程實際設備及裝備的原理及工作過程，明確掌握機械類課程的基本概念的真實含義，以提高學生對該課程的學習興趣和對課程內容深刻正確理解與掌握程度，并為該課程全面提高教學質量奠定基礎。

關鍵詞 機械類課程；教學改革；建模與仿真；信息技術

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）16-0114-05

1 引言

近年來發布的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》及《中國機械工程學科教程》都指出：教師要把教學作為首要任務，不斷提高教育教學水平；加強實驗室及實習基地等教學基本建設，并深化教學改革。因此，在現有教學條件下利用現代信息技術加強機械類課程實踐教學條件建設，改善實踐教學效果的研究與實踐，是非常必要的[1-3]。

機械類課程的特點是實踐性強，要求理論學習與工藝實踐的關系非常緊密；但實施新培養方案后，導致課時少，內容多，理論學習與工藝實踐常常脫節，造成教學內容抽象和不直觀等弊端[4-5]。隨著數字化技術的不斷發展，機械類課程的教學中引入現代信息技術，將有效輔助課堂教學和實驗教學，從而增強教學效果并優化教學資源，從而提高機械類課程的教學質量，提高學生的全面素質，培養高層次的全面發展型人才[6-7]。

目前在國外的一些課堂，尤其是提倡多樣化與個性化的美國等發達國家，都非常注重現代信息技術在機械類課程的應用，如一些教師在講課時利用計算機輔助教學手段，模擬現場加工場景和繪制三維模型，在多媒體課件上將文字、動畫和聲音有機地結合在一起，加大課堂教學的信息量，提高了學生的學習興趣，加深了學生對于抽象知識的理解[8-10]。

本文通過采用現代信息技術對各實際裝備工作過程中受力、熱及振動等進行仿真分析，從而來提高學生對課程相關內容的認知能力，也為建模與仿真技術在專業課教學改革中的應用進行有益探討和嘗試，可以極大提高學生的上課積極性，加深學生對機械設計與制造學科復雜原理的理解，還可以使學生對機械類課程更感興趣。同時會加強學生對數字化建模和仿真的興趣，真正實現制造業繼續朝信息化、知識化、極端化和綠色化的趨勢發展。

2 改革內容與改革目標

首先對現代信息技術在機械類課程教學中的應用開展研究，了解學生對工程實際知識的認知障礙，確定現代信息技術應用的方案和具體實現方法，對機械類課程中涉及工程實際的感知認識且學生不容易深入理解的內容，如機床設計、機床夾具、金屬切削過程以及機床運動、機器裝配等，和重要的機械加工工藝的基本概念，進行選題和數字化建模與仿真技術應用設計，以開發出相關的三維模型、力學模型及控制模型等仿真結果和可視化課件，應用于機械類課程教學之中。

1）通過該改革的開發和研究，使學生能夠真正感受、理解工程實際設備及裝備的原理與工作過程，明確掌握機械制造工藝基本概念的真實含義，以提高學生學習專業課的興趣，深刻正確地理解與掌握課程內容，并為課程全面提高教學質量奠定基礎。

2）通過該改革的開發和研究，教學中將常用的設計方法和工藝方法等演示得一目了然、真實生動，使學生有一種身臨其境的感覺，從而既較好地理解工藝方法，又了解實際生產過程，提高學生對機械行業及未來職業的認識，增加對機械專業課的興趣，使學生早日做好生涯規劃。

3）充分體現了虛擬與實驗的緊密結合、教學與科研的緊密結合，使學生早日了解科研的手段和方法，初步了解科研過程，為國家培養高層次人才奠定基礎。

3 改革實施方案及實踐過程

1）創建機械類課程的三維建模與仿真平臺。利用現代信息技術對相關教學內容進行二次開發，實現各類機械類課程典型實例在虛擬環境下的可控操作，形成直觀生動的教學案例，實現教學內容的整體優化。通過三維建模與仿真平臺創建的靜態或動態的三維物體模型及仿真結果，所傳遞的教學信息更為逼真，更能夠吸引學生的注意，給予學生視、聽、觸覺多方位的感官刺激，這種方式更有表現力和感染力。充分挖掘三維動畫方面的技術優勢，以多形式、多角度呈現教學內容，并以虛擬現實課件的建設為重點，實現教學手段現代化。在教學的同時為學生提供二維碼掃描打開鏈接下載的方式供其下載，以便其課下學習。

2）搭建簡易的機械類課程三維交互協同設計平臺。通過搭建簡易的三維交互協同設計平臺，突破傳統設計實踐的時空限制，滿足學生個性化的自主性開發與設計，從而有利于學生創新思維和自主學習能力的培養。

3）課題研究以課程組的團隊形式打造，擬形成一支知識結構合理、專業優勢互補、理論素養與實踐能力俱佳的師資隊伍。

4）采用現代信息技術，對機械類課程中復雜產品設計、機械加工過程、機械振動控制以及加工表面質量等知識點進行改革與應用。

具體實施過程及展示如下。

機械產品生產過程建模及可視化 目前，絕大多數教材在講述機械產品生產過程時，都是以文字或簡單框圖形式給學生講解，而對缺少實際經驗的學生來講，一些概念或名詞解釋空洞乏味，很難將有效信息理解和記住。通過將圖1所示機械產品設計及制造過程建模及可視化過程展示給學生，讓學生對設計、制造、測試、產品定型等狹義機械設計及制造過程加深理解。

金屬加工過程的可視化仿真分析 圖2為金屬加工過程，是利用機械能依靠刀具切削（磨削）刃在毛坯表面切除材料，進行零件加工工作。目前，學生遇到的難點是塑性材料的切屑形成過程、金屬磨削過程。圖2（a）為傳統二維切削靜態圖，刀具前角和后角、三個變形區及剪切帶等只能靠文字或語言講解；圖2（b）為三維模型及切削過程，可以讓學生快速掌握切屑形成過程及工藝參數影響規律，比如三個變形區產生位置及大小、前角和后角的變化對切削力和切削溫度影響、切屑形成種類、切削三要素對工件應力應變的影響等；圖2（c）為傳統磨削靜態圖，磨粒大小和數量及磨削用量對表面粗糙度及磨削力影響規律很難讓學生理解和消化；圖2（d）為三維動態磨削仿真，學生利用磨削仿真系統可以很容易掌握通過改變不同磨粒數、粒徑參數、磨削速度、磨削深度等工藝參數對工件表面幾何形狀特征的影響規律；圖2（e）為虛擬加工仿真與實際對比分析圖。

機械加工過程振動機理及顫振穩定性仿真分析 目前，學生遇到的難點是強迫振動和自激振動特點及其振動機理。圖3為機械加工過程振動及顫振穩定性，其中，圖3（a）為機床主軸由于旋轉不平衡造成強迫振動，通過建模與仿真技術分析，可以獲得主軸薄弱環節和不平衡位置；同時可以通過多次仿真分析，獲得工藝系統參數對固有頻率的影響規律，具體詳見圖3（b）；圖3（c）為原加工自激振動原理圖，這種方式僅僅能告訴學生系統是否穩定，其原理并不能講清楚；圖3（d）為新加工自激振動原理圖，通過仿真出傳遞函數和葉片圖，將固有頻率與顫振穩定性結合在一起，可以看出顫振產生的真正原因及其穩定臨界區域。因此，通過建模與仿真技術的引入，讓學生更加容易理解和消化相應知識點，從而提高教學效率和質量。

機械加工表面粗糙度理論模型及仿真分析 目前講述表面粗糙度概念及理論分析，絕大多數是以文字或簡單加工原理圖給學生講解，這些理論及各因素影響規律很難讓學生快速理解和留下深刻印象。圖4是機械加工表面理論仿真與測量分析，可以利用仿真系統獲得不同影響規律，同時增加實驗測試數據加以驗證，使學生能有效地理解及快速掌握該知識點。

4 改革特色與創新

1）改革角度新穎、獨特。結合挖掘機械類課程教學特色，利用現代信息技術優化課程內容，注重個性化、情境化教學，推進教學方法和教學手段的改革，逐步建構新時代背景下的工程技術類課程體系，讓機械專業教學在最新的數字化建模與仿真技術輔助下取得更好的效果。

2）虛擬與實際融合、教學與科研結合。通過虛擬仿真方法與實際測量有效結合，增強了學生快速理解，留下深刻印象；另外，取得的科研成果與教材內容有效結合，加深學生對知識點的理解，并提高了學生的動手能力。

3）教學系統中的相關產品和實驗設備是由專業軟件根據產品和設備的相關參數通過計算機三維建模形成的，這種虛擬產品或設備可以在很大程度上提高學生在工程技術實踐環節的認知程度，減少實際實驗設備的通入與管理空間，節約資金，改善了實驗條件。

4）虛擬的實驗環境能向具體的實驗者提出具有針對性的實驗要求，并可以滿足不同類型的實驗。在實踐教學中，學生或教師可根據不同課程或不同章節的實驗參數與實驗要求，定制不同的虛擬實驗產品或設備和實驗場景，有助于學生加深對機械專業課實踐環節的切實認知程度。

5）機械類課程三維建模與仿真平臺可通過網絡實現區域共享甚至可以全國共享，不同地域的學校中的學生可以進行相同的虛擬實驗，彼此交流。

5 結論

采用現代信息技術對機械類課程中復雜產品設計、機械加工過程、機械振動控制以及加工表面質量等知識點進行建模和仿真，可以有效提高教學效率并增強教學直觀性。另外，機械類課程中的工藝流程、機床夾具、加工精度、機器裝配等教學內容，都可以通過該方法來實現。因此，該課程數字化和可視化的實施，對機械類專業課程的教學改革具有一定的借鑒價值。

課件內容以教學與科研相結合，將科研中獲得的仿真和實驗數據以圖片與視頻的形式生動地展示給學生，并使其產生濃厚興趣，不僅能讓學生及時掌握知識和消化知識，而且能讓學生更直觀地掌握知識點的內涵和外延，因此有效提高學生分析問題和獨立解決問題的能力，并為學生提高創新思維和創新能力提供有力支撐。

參考文獻

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