面向工程能力培養(yǎng)的起重運輸機械實驗教學設(shè)計與開發(fā)

焦淵

摘? 要 在剖析原有起重運輸機械實驗教學方式不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程教育認證人才培養(yǎng)體系的建設(shè)思路，以學生工程實踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)為目標，設(shè)計新的起重運輸機械課程實驗。將起重運輸機械的原理實驗與相關(guān)的應力應變測試實驗內(nèi)容有機整合，同時開發(fā)虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，使得新的實驗內(nèi)容促進學生知識應用的工程能力培養(yǎng)，提升實驗教學水平。

關(guān)鍵詞 工程能力;起重運輸機械;虛擬仿真;實驗教學

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）20-0124-02

Design and Development of Hoisting and Conveying Machinery Experiment Teaching Oriented to Engineering Ability Training//JIAO Yuan

Abstract Based on the analysis of the shortcomings of the original experimental teaching mode of lifting and transporting machinery， a new experiment of lifting and transporting machinery， combined with the construction idea of engineering education certification per-sonnel training system ， is designed. It is aimed at the cultivation of?students engineering practice ability and innovation spirit. The prin-ciple experiment of hoisting and conveying machinery is organically integrated with related stress-strain test. At the same time， the virtual simulation experiment teaching system is developed， which makes the new experiment contents promote the cultivation of students engineering ability of knowledge application and improve the level of experimental teaching.

Key words engineering capability; hoisting and conveying machi-nery; virtual simulation; experiment teaching

1 引言

起重運輸機械課程是西安建筑科技大學機械工程專業(yè)的一門專業(yè)方向必修課程，著重講解起重運輸機械的設(shè)計理論和設(shè)計方法，以及典型起重運輸機械——塔式起重機的總體設(shè)計的基本理論、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點等，理論性及應非常強。

在工程認證過程中，實驗教學是認證專家考查學生是否達到畢業(yè)要求的重要環(huán)節(jié)之一。因此，把握好工程認證標準，落實指標體系的新要求，將有利于進一步完善課程實驗教學，提升實驗教學質(zhì)量并為畢業(yè)要求提供支撐[1-2]。

本文在分析原有起重運輸機械實驗教學方式不足之處的基礎(chǔ)上，結(jié)合西安建筑科技大學人才培養(yǎng)實際情況，調(diào)整原有的實驗教學大綱，改進實驗教學內(nèi)容，使培養(yǎng)的學生能夠滿足工程認證標準的畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標。

2 起重運輸機械實驗教學現(xiàn)狀分析

課程是在學習了結(jié)構(gòu)力學與鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上開設(shè)的一門課，通過本課程實驗教學體系的訓練，使學生具有對機械產(chǎn)品進行實驗研究的動手操作能力、方案設(shè)計能力、數(shù)據(jù)分析處理能力。從知識體系的完整性、學生接受能力等各方面綜合考慮，原有的實驗教學方式存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）實驗教學內(nèi)容相對局限? 起重運輸機械實驗教學非獨立設(shè)課，四個學時，依附于起重運輸機械課程的理論教學。由于起重運輸機械包含的知識面極廣，要在如此短的學時內(nèi)讓學生掌握各種典型起重運輸機械的用途、工作原理、組成和使用方法是無法做到的。因此，起重運輸機械實驗教學僅僅定位于設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理，內(nèi)容寬泛且單調(diào)。

多是驗證性實驗，學生缺乏主動性? 在實驗教學中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)學生不知道要做哪些實驗，如何做實驗，只是一味地聽教師的講解與安排，缺乏學習的主動性和積極性。由于實驗設(shè)置多是驗證性實驗，導致學生在實驗過程中過于依賴教師，很難達到培養(yǎng)動手能力和自主應用能力的目的。就是學校日常教學更關(guān)注理論知識的教授，忽略了實踐是理論知識向能力轉(zhuǎn)化的重要的載體作用，最終造成教與用的脫節(jié)[3]。

實驗內(nèi)容缺乏與工程實際相結(jié)合? 起重運輸機械的結(jié)構(gòu)、工作原理實驗設(shè)置只能增強學生對理論知識的直觀理解，缺乏創(chuàng)新性，沒有拓展學生的設(shè)計思維，對于運用知識解決工程能力的問題作用不大。

3 面向工程能力培養(yǎng)的實驗教學內(nèi)容設(shè)計與開發(fā)

根據(jù)工程認證對課程目標的要求，在原有的基礎(chǔ)驗證性實驗的基礎(chǔ)上，增加具有工程應用的綜合性、設(shè)計性實驗。通過新的實驗教學內(nèi)容，使學生能基于工作原理并采用科學方法對機械系統(tǒng)、部件、機構(gòu)設(shè)計可行的實驗方案;能根據(jù)實驗方案構(gòu)建實驗系統(tǒng)并進行實驗;能正確采集和整理實驗數(shù)據(jù)，對實驗結(jié)果進行分析和解釋，并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

實驗課程目標是掌握典型起重運輸機械的用途、型號、技術(shù)性能及參數(shù)和選擇使用方法，能識別起重運輸機械系統(tǒng)的關(guān)鍵部件及參數(shù)，使學生對起重機械產(chǎn)生感性認識;掌握起重機械的組成結(jié)構(gòu)特點以及各工作機構(gòu)的工作原

理;了解金屬結(jié)構(gòu)應力應變的測量系統(tǒng)的組成和測量方法;了解起重臂的運動參數(shù)測量方法及其運動分析和控制系統(tǒng)的組成。通過實驗教學，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科研精神，掌握本課程實驗相關(guān)的基本技能和實踐動手能力。

通過實驗設(shè)置，將起重運輸機械的結(jié)構(gòu)原理與應力應變測試的實驗內(nèi)容有效地銜接起來，知識結(jié)構(gòu)更加完整、統(tǒng)一，提高學生的邏輯思維能力和理解能力，鞏固知識點，鍛煉學生的工程應用能力。根據(jù)課程需要，實驗教學可以開設(shè)下面一些內(nèi)容。

1）起重臂應力應變測試實驗。起重臂應力應變測試實驗主要使學生掌握起重運輸機械測試系統(tǒng)的設(shè)計和分析方法，根據(jù)工程的實際要求布置應變片，并能夠?qū)y試系統(tǒng)的性能進行分析，對測量數(shù)據(jù)進行處理。

將工程測量問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學問題，讓學生通過分析計算此數(shù)學模型確定三種工況下，即最大幅度起吊額定起重量工況、跨中起吊額定起重量工況、在最小幅度處起吊額定起重量工況，起重臂最大應力發(fā)生的位置。在此基礎(chǔ)上根據(jù)分析結(jié)果布置應變片，選擇測點、布片、組橋。按圖1所示連接組成測量系統(tǒng)，分別施加三種典型工況下的吊重載荷，設(shè)置通道頻率以及量程，采集應變信號;對采集的數(shù)據(jù)進行處理，得到各測點的應力值。

2）開發(fā)塔式起重機虛擬仿真實驗系統(tǒng)。開發(fā)虛擬仿真實驗系統(tǒng)，將理論教學中的難點內(nèi)容和演示性實驗項目虛擬和仿真化，強化學生對專業(yè)理論教學內(nèi)容的理解和掌握。實現(xiàn)教學資源的低消耗、實驗過程的零污染，豐富實驗教學的內(nèi)容，消除實驗的危險性，增加學生動手操作的機會[4]。如圖2、圖3所示，在虛擬仿真系統(tǒng)中對塔機的結(jié)構(gòu)進行認知和拆分;通過在虛擬系統(tǒng)中進行虛擬模塊化，實現(xiàn)塔機起升機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、變幅機構(gòu)、頂升機構(gòu)的虛擬控制;給定起升、變幅、回轉(zhuǎn)速度，通過仿真繪制吊重的運動軌跡曲線。

通過3D模型仿真，使學生對起重機原理、結(jié)構(gòu)、工作的全過程有更為清楚的認識，深入掌握塔式起重機金屬結(jié)構(gòu)塔身、塔帽、起重臂、平衡臂、底座的結(jié)構(gòu)形式及其功能;掌握塔式起重機工作機構(gòu)運行方式，實現(xiàn)起升機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、變幅機構(gòu)和安全回路的程序設(shè)計;掌握塔式起重機各工作機構(gòu)控制方式和工作原理及其安全監(jiān)控原理。通過仿真實驗與實際操作實驗的相互補充、優(yōu)化配置，提升學生在實驗教學環(huán)節(jié)對知識的轉(zhuǎn)化與拓展，從而達到工程認證人才培養(yǎng)的目標。

4 結(jié)語

通過新的實驗教學體系整合設(shè)計，從整體知識構(gòu)成出發(fā)，注重知識的全面性和系統(tǒng)性，使學生形成一個系統(tǒng)的、完整的知識框架，有利于培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維能力，解決原有實驗教學中存在的實驗教學方法、手段單一，沒有充分重視學生的知識綜合應用能力培養(yǎng)的問題，從而為培養(yǎng)高素質(zhì)的工程應用型人才打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]羅正祥.工程教育專業(yè)認證及其對高校實踐教學的影響[J].實驗室研究與探索，2008，27（6）：1-3.

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[3]包海濤，王殿龍，崔巖，等.工程實際為主線問題驅(qū)式機械實驗教學研究[J].實驗室科學，2017（2）：89-91.

[4]柳浩，萬新，朱光俊，等.虛擬仿真實驗教學探索與實踐[J].中國冶金教育，2016（6）：88-91，97.