機械原理簡圖“運動”教學實踐

王利霞 馮占榮 朱保利

摘 ?要：針對《機械原理》基礎部分“運動簡圖”在教學中學生難以理解、學習興趣不高且效果差的狀況，提出以CATIA草繪工具為手段，以運動簡圖為出發點，使機構運動簡圖“運動”起來的教與學的方法，該方法不僅可提高學生學習興趣，更可激發創新意識，提高創新精神。

關鍵詞：機械原理;運動;草繪;機構

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）11-0112-03

Abstract： In view of the fact that the basic part of the "Mechanical Principles" "sports diagram" is difficult for students to understand， and their interest of learning is not high and the effect is poor. The CATIA sketching tool is used as a means to use the movement sketch as the starting point to make the movement of the organization simple. The teaching and learning method of "sports" is not only to improve students' interest in learning， but also to stimulate innovation and enhance the spirit of innovation.

Keywords： mechanical principle; motion; sketch; institution

機械原理是一門以機構運動簡圖為基本研究、學習對象的課程。所以學生對機構運動簡圖的理解及掌握程度直接決定了該門及后續相關課程的好壞。機械原理的學生對于機構運動簡圖設計及分析的恐懼就是不知如何在圖紙上對靜止的二維簡圖表達頭腦中的機構運動，也就是說學生在靜止的二維簡圖表達上是短板，學生設計的難點恰恰在于頭腦里有各機構形式，無法將各種機構有效的組合并準確表達出組合出機構的運動形式。該課程在各大高等院校的開展已有幾十年的歷史，取得了一定的教學成果，課程教學方式也有巨大的改進。然而在以往該課程教學中，仍存在許多缺陷與不足，亟待改進。例如從教學手段上：目前主要采用慕課（MOOC）[1]、反轉課堂（Flipped Class Model）[2]、微課[3]、移動教學和混合式教學[4，5]等，可在一定程度上提高學生的自主學習積極性，但這些方法并未在本質上對機械原理教學難以理解內容做改進，以往學生難以消化、接受的內容還是較難理解。隨著計算機的普及應用也有采用Matlab、Flash動畫方式[6，7]，但此種方式對于教師需要涉及非專業軟件Flash的學習及對機械原理的深入理解及把握，而學生在學習過程中更是不會應用也不可能用其輔助學習到相應的原理，也就無從談及創新設計了。

基于此，本文提出基于CATIA草繪工具，利用它快速將頭腦中的構思以運動形式形象的表達出來，使教師的教或學生的學得到輔助理解的效果，進而培養學生機械系統方案創新設計的思維方式和方法，以及機械系統方案的綜合設計能力、創新設計能力和工程實踐能力。

一、“運動”功能的實現方法

結合作者多年機械原理教學經驗，改進機械原理教學方式，將CATIA草繪運動仿真功能技術引入機械原理課程教學中，能真正實現運動簡圖的“運動”功能。CATIA運動簡圖的“運動”功能主要由兩種方式來實現，可滿足不同的難易及應用場合。

（1）借助CATIA草繪的“對約束應用動畫”功能可使已繪機構運動簡圖真正的運動起來，操作簡單、快捷且現象顯著，可實現創新設計，但該功能驅動尺寸限制為1。

（2）借助CATIA草繪繪圖功能及“DMU仿真”可繪制已經有三維模型圖的機構運動簡圖，并使其三維圖及機構運動簡圖一起實現“運動”效果，操作相對繁雜，可實現復雜機構運動簡圖的繪制并得以驗證運動簡圖的正確性，該功能無自由度限制。

不論使用方法（1）還是方法（2）均能有效解決以往機械原理課程教學中存在的缺陷與不足，可提高機械原理課程教學的直觀性，加深學生對機構組成與機構運動的理解，提高學生自主學習的積極性，為培養學生進行機構創新設計與分析的能力奠定基礎。因方法（2）是在成型三維圖的情況下由草繪構件并借助DMU仿真來實現的，操作較為繁雜，限于篇幅本文不再展開論述，故以方法（1）進行舉例說明其實踐設計過程。

二、對約束應用動畫實踐

運動簡圖涉及到圖形相對比較簡單，但為了更具體、明確說明該方法，首先對CATIA軟件草繪繪制常用構件及運動副部分工具做一簡要說明。

圖1所示為一與尺寸無關的常用帶鉸鏈機架及帶鉸鏈移動副示意圖。分別依次采用②③⑥⑨⑦及①②⑦⑥③完成，具體設計步驟本文不再展開說明。

（二）實例實踐

在講解曲柄存在條件的前期給學生布置一簡單題目，以起到預習、學習、探知的功效，如：繪制一導桿機構，并將其按曲柄與機架角度約束進行動畫設計，觀察不同桿長條件下雙曲柄存在的條件。

在檢查學生預習作業時，由于未對桿長做限制，作業五花八門，但均能得到有效結論，圖2為某一同學原始繪制示意圖（為節省無用功，前期預習及作業中已經將圖1所示部分發放給了學生，圖2中為表達清楚，將創建過程中無關約束進行了隱藏）。通過選中曲柄與機架夾角→ ? ?，通過合理設計即可得到運動仿真動畫，如圖3。

圖4為原始繪制運動簡圖在各種角度下的截圖，由圖中可看出，長度為15的構件（曲柄）可做整周回轉，但由于沒有長度為40的機架長，導桿始終不能做整周回轉，即得到的結果是單一曲柄機構。

當增加初始曲柄長度時，可得到如圖5所示機構（為了使滑塊始終在導桿上運動，圖5中適當加長了導桿長度）。由圖中可得到長度為60的構件（曲柄）可做整周回轉，且長度為60的構件（曲柄）大于了長度為40的構件（機架），故導桿也均可做整周回轉，即得到的結果是雙曲柄機構。

最終該生得到的結論是：當初始繪圖結果中曲柄大于機架長度時即可得到雙曲柄，反之即為單曲柄。并且導桿機構與桿長絕對長度沒有關系，僅與相對長度成一定的關系。該結論已符合實際條件。

由本實例可知，通過CATIA的草繪功能來實現機構的運動仿真，不僅實現了靜止不動的運動簡圖能“運動”起來，加深學生對機構運動的理解，更可激發學生的探知欲望。

三、結束語

1. 機構運動簡圖運動起來的思想是實現了機械結構設計構思的靜止與運動的統一，突破了傳統設計呆板性、易理解性的割裂，可大大提高機械原理的認知水平，有利于培養學生機械創新設計和工程綜合分析能力。

2. 由于使運動簡圖形象地動了起來，能展示復雜形體的運動情況，使學生做設計時對知識點的理解更加清晰、生動。既滿足了學生對一門技能（CATIA軟件）實際應用的需要，又可提高教學質量。

3. 通過實現運動簡圖的運動仿真，特別是進行創新設計后，通過簡圖的運動仿真分析軌跡、瞬心、急回等來驗證設計的合理性，可使其理論聯系實際。并通過合理修訂與反饋，做出相應設計修改，可增強學生的批判意識，提高學習興趣，激發創新意識，提高創新精神。

參考文獻：

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