軟件助力“機械設計基礎”課程 信息化教學的研究與實踐

王增勝 張勤 靳程業

摘要：本文分析了“機械設計基礎”課程的性質、地位、特點及當前教學所存在的問題；同時針對“機械設計基礎”課程內容的具體特點，分別舉例說明了思維導圖、SimMechanics、幾何畫板、AutoCAD等軟件在該課程中的應用，論述了軟件在“機械設計基礎”課程信息化教學中的重要作用，指出了選用軟件時需要注意的問題，對該課程的信息化教學改革具有一定的參考價值。

關鍵詞：思維導圖；SimMechanics；幾何畫板；AutoCAD

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）17-0101-04

“機械設計基礎”課程是機械類和近機械類專業的一門專業基礎課程，在整個課程體系中，起著承上啟下的作用。“機械設計基礎”課程主要包括機械原理和機械設計兩個部分，其內容以常用機構和通用零件的基礎知識和一般設計方法為主。該課程具有以下特點：①內容多而雜，具體表現為概念多、公式多、參數多、圖表多，計算過程繁復；②散而亂，具體表現為章節獨立，表面上相干性不大；③理論抽象，如機構運動特性的動態性，不易理解；④實踐性強，與生產實踐聯系緊密。該課程因為具有上述特點而給教師的教學與學生的學習帶來了一定的困難，教學效果不甚理想。

由于計算機具有快速數據處理和運算能力，其軟件被越來越多地應用到教學中輔助教學過程，從而實現了信息化教學，優化了教學手段，改善了教學效果。在“機械設計基礎”課程的教學中，筆者針對該課程的特點和教與學的困境，嘗試應用幾款軟件輔助教學，取得了不錯的效果。

基于思維導圖軟件的知識體系構建

“機械設計基礎”課程章節相對獨立，知識點多，表面上散而亂，學生學完之后無法建立起相互聯系的牢固的知識體系，更談不上靈活應用。教師需要幫助或引導學生梳理學習材料的內容框架，理清知識點之間的邏輯關系。而思維導圖是一種輔助思考工具，用于輔助梳理思路。[1]因此，教師在備課時可以直接利用思維導圖軟件，把講課內容的框架搭建出來，上課時直接呈現給學生。這個框架就是教學內容的“骨架”和“經絡”，而具體的知識點形成“血”和“肉”。進一步，教師可以要求學生利用思維導圖軟件自行搭建知識框架。下頁圖1是緒論部分的思維導圖：由圖1（a）可知，緒論部分主要解決三個問題，即該課程“學什么”“為什么學”和“怎么學”的問題，同時簡要給出了答案。圖1（b）是緒論部分幾個概念之間的相互關系?？梢姡ㄟ^思維導圖，可以使思維可視化、形象化，使學習材料的核心內容和邏輯關系躍然紙上，有利于學生抓住學習的重點，提高學習效率。總之，應用思維導圖軟件，對教師而言，可以輔助備課，整理授課的邏輯思路；對學生而言，不僅有助于建立知識體系，夯實所學知識，而且獲得了實用的軟件技能和學習方法。

基于軟件的機構動態過程展示

1.基于SimMechanics的連桿機構運動學分析

“機械設計基礎”課程的特點之一是有很多動態過程，如機構的傳動角或壓力角的變化，位移、速度、加速度等的變化，運動軌跡等。這些動態過程的理論分析繁復枯燥，不易理解，而用動態過程展示則直觀生動，有助于學生對理論的理解。

圖2為基于SimMechanics的曲柄搖桿機構仿真，SimMechanics是一個在Matlab/Simulink環境下直接使用的模塊集，它提供了各種常見機構的模塊。[2]建模時，可以像堆積木一樣將機構的模型搭建出來（如圖2（a）所示），再通過檢測和驅動模塊和普通的Simulink模塊連接起來，獲得整個系統的仿真結果。

建模時無需編程，只需要對各模塊經過簡單的參數設置即可獲得機構的模擬動畫（如圖2（b）所示）、運動學參數（如圖2（c）所示）及軌跡（如圖2（d）所示）等。利用SimMechanics建模，簡單高效，易于理解，尤其是驅動的設置和傳感信號的提取非常方便，可作為動畫演示、運動學分析、模擬樣機干涉檢驗等的有利工具。

2.基于幾何畫板的機構動畫演示

幾何畫板（The Geometer's Sketchpad）是一個通用的數學、物理教學平臺軟件，代表了當代專業工具平臺類教學軟件的發展方向。[3]該軟件提供了豐富而方便的創造功能，用戶只需要熟悉軟件的簡單使用技巧即可自行設計和編寫應用范例，隨心所欲地編寫出自己需要的教學課件，實現教學思想。

筆者就幾何畫板的應用及開發的文獻進行檢索發現，幾何畫板在中學數學、物理的教學中應用甚為廣泛，但在高校機械教學和科研中的應用卻極為少見。幾何畫板使用簡單，功能強大，并無需編程，且具有在運動和變化中保持所給定的幾何關系的特色。因此可較好地適用于機構的動畫演示及軌跡生成。[4]圖3所示是利用幾何畫板制作的漸開線形成和凸輪的動畫演示?？梢姡瑤缀萎嫲逯谱鞯哪Ｐ椭庇^簡潔，凸顯了機構運動的本質原理。

基于應用軟件的機構和機械零件設計

1.AutoCAD在機構設計中的應用

機構設計中往往用到圖解法，圖解法簡單直觀，但尺規作圖耗時費力，而且誤差較大。AutoCAD是一款通用的繪圖軟件，學生在學習“機械設計基礎”課程之前已經學過AutoCAD軟件，用AutoCAD進行機構設計事半功倍，精確度高，而且可以完成自動測量。圖4所示是用AutoCAD完成的一道作業題：已知偏置曲柄滑塊機構的曲柄LAB=25mm，連桿LBC=75mm，偏距e=10mm。要求作圖求：（1）行程H和極位夾角θ；（2）曲柄為主動件時，機構的最小傳動角γmin。[5]解題時，分別以A為圓心，以LBC-LAB=50mm和LBC+LAB=100mm為半徑作圓，得到C1和C2兩個極限位置，通過標注線性尺寸可直接得到滑塊行程H=50.51mm，通過標注角度可直接得到極位夾角θ=6°。當曲柄處于垂直位置時，傳動角最小，γmin=62°。

2.其他專用軟件在機械設計中的應用

在機械零件設計過程中，有很多繁復枯燥的公式。教師在講到具體計算過程時往往事倍功半，效果不理想；學生在完成作業時計算量大，費時費力，而且容易出錯。由于機械零件的設計流程固定，同時隨著現代設計方法的發展，出現了各種專用的機械設計軟件。教師在授課時，可以先講解某具體零件設計的流程和思想，再結合軟件和教材中的例子進行說明。圖5所示為基于軟件的V帶傳動設計計算（圖（a）為開始計算界面），在設計時，只需要按照流程寫入或選擇相應的參數，便可自動完成普通V帶傳動的每一步計算，算好后點擊“下一步”即可完成整個設計（圖（b）為計算結果界面）。該軟件中嵌入了設計過程中需要查詢的表格，并具有插值算法及打印、保存等功能，使用時十分方便。學生在熟悉了零件的設計流程、計算原理及參數意義之后，使用軟件進行輔助設計可以提高效率，增強學習的積極性和成就感。

結論

教育信息化的核心內容是教學信息化。教育信息化要求在教育過程中較全面地運用以計算機、多媒體和網絡通信為基礎的現代信息技術。在“機械設計基礎”課程的教學過程中，針對課程內容的具體特點，均有相應的軟件工具可以利用。需要注意的是，在選擇軟件時，要根據學生的軟件基礎，選擇簡單高效、上手快的軟件，要以解決問題為目標，不要盲目追求功能強大的大型軟件，否則學生學起來費時費力，容易造成挫敗感。另外，要有意識地讓學生利用軟件來解決問題，如可以要求學生利用某款軟件完成作業等。總之，合適的軟件用于輔助教學可起到事半功倍的作用。軟件的使用，既提升了學生的軟件技能，又激發了其學習興趣，改善了教學效果；同時，培養了學生“利用現代設計方法”和“學以致用”的意識，對學生適應信息化社會，具有一定的促進作用。

參考文獻：

[1]博贊.思維導圖[M].曉榭，譯.北京：中信出版社，2009.

[2]王俊峰，田麗萍.Matlab運動仿真在機械原理課程設計中的應用[J].機電產品開發與創新，2009（4）：187-188.

[3]孫壯.淺談《幾何畫板》在數學教學和學習中的應用[J].神州，2012（4）：251.

[4]王增勝，孔令云，楊漢嵩，等.幾何畫板在機械原理動畫演示中的應用[J].實驗科學與技術，2016（1）：92-94.

[5]鮑莉.機械設計基礎[M].鄭州：河南科技出版社，2016，6.

作者簡介：王增勝（1980—），男，山西介休人，黃河科技學院機械工程學院副教授，工學碩士，主要研究方向為機械系統仿真。

基金項目：本文系2017年河南省高等教育教學改革研究與實踐項目“應用型高校機械類專業創新創業教育改革研究與實踐”（項目編號：2017SJGLX127）研究成果之一。