關于平面機構創意組合分析與教學改革

劉月英　張宇鵬　李云飛

摘 要：平面機構設計是機械設計基礎實驗的重要組成部分，關系到機械系統的動力性能及結構.闡述了平面機構創意組合實驗教學改革的必要性和重要性.采用虛擬仿真技術的方法，研究開發了一個平面機構創意組合虛擬實驗平臺，建立了平面機構的零部件模塊和運動仿真模塊，該虛擬實驗平臺操作性強，簡單易行，可以滿足不同的實驗教學需要，提高了實驗教學效率，為學生創新能力的培養提供了一條有效途徑。

關鍵詞：平面機構；創意組合；教學改革

1 前言

實驗教學是高等院校培養高素質合格人才的重要實踐性環節，是鞏固和加深學生對理論知識理解的重要手段。隨著高等學校實驗教學改革的不斷推進，培養學生的創新思維，并使之在實驗教學環節中得以實踐，是實驗教學方法改革的關鍵所在。傳統的實驗教學方法在課程時間安排和實驗場地方面已經不能滿足當前實驗教學的要求，難以激發學生在機械課程學習中的興趣。本文在分析平面機構創意組合實驗傳統教學中現存弊端的基礎上，提出了采用虛擬仿真技術，對實驗教學方法進行改革，通過實踐證明此方法具有較好的教學效果。

2 平面機構創意組合實驗教學方法 的改革

2.1傳統教學方法的局限性

平面機構是機械系統的重要組成部分，雖然平面機構創意組合實驗教學在課程培養中占據著非常重要的地位，但隨著時代的發展，我國的實驗教學尤其是創新方面在國際上的地位滯后，現在的實驗教學存在很多弊端。實驗課很多時候是由教師先介紹實驗目的、實驗原理和實驗設備，然后對學生重點示范，最后才由學生按照實驗指導書上的實驗步驟進行操作。教師講解和學生設計構思會花費很長時間，留給學生動手操作的時間就很有限，在整個實驗教學過程中，學生處于較為被動的地位，學生的積極性和主動性得不到充分發揮。另外由于受實驗場地、實驗學時、實驗分組、實驗人數、實驗設備臺套數等諸多因素的限制，加之每個學生實驗操作水平、實驗速度不同，往往實際的實驗設備并不能完全滿足每個學生的各種實驗需求。

2.2結合虛擬仿真技術的教學改革

鑒于傳統實驗教學的種種弊端，課題組結合虛擬仿真技術，獨立開發了一套與真實實驗臺完全一樣的虛擬實驗平臺。這種虛擬實驗平臺擺脫了傳統實驗教學模式在空間和時間上的局限性，學生可以根據自己的設計思路在計算機上進行仿真模擬，既可利用課余時間繼續完成自己在實驗課上未完成的實驗，又可以實現自己獨立構想的創新實驗，大大激發了學生學習機械課程的積極性。

學生通過虛擬實驗平臺能夠提前熟悉實驗設備的硬件組成及零件功能，掌握機構組成原理及運動特性。通過虛實結合的實驗課程可進一步熟悉桿組概念，學習分析機構的特性，為機械創新設計打下更堅實的基礎，提高機械原理課程的設計水平[1]。

1.學生可以以小組形式，研究實現虛擬裝配過程中裝配約束動態，識別的虛擬構件的建模方法，建立機構運動方案拼裝實驗中所需構件的信息模型并形成構件庫。

2.根據提出的裝配關系，動態創建基于裝配約束，動態識別的虛擬裝配實現方案，在虛擬裝配過程中對構件間的可實現裝配的約束特征進行識別和配對，實現構件間的自由組合和裝配操作。

3.結合Solidworks運動學仿真模塊，研究實現相應的機械機構裝配信息模型與運動學仿真，在完成機構裝配操作的同時，建立機構的運動學仿真邏輯模型，并使之應用于運動學仿真計算中.以此驗證虛擬仿真結果的正確性與有效性。

最后，以上述機構運動方案為基礎，在創意組合實驗臺上，對機構運動方案進行實物拼裝，完成平面機構實驗。

通過仿真，根據多種不同的設計方案，可使學生在實驗臺上自行拼裝不同的機構，充分發揮了學生的想象力和創造力。該實驗能夠彌補傳統方式的不足，增強學生機構運動創新設計意識及綜合設計的能力。

3 實驗教學改革的意義

3.1實驗教學改革的必要性

現有的高校實驗教學具有以下幾點通病：高校實驗教學不被重視，高校實驗教學內容缺乏創新，高校實驗教學設備需求難以滿足。老師把實驗的內容和擴展講完之后，留給學生的動手時間就很少了，更何況是創新。再加上實驗條件的限制，系統培養和訓練學生掌握實驗科學知識、科學方法與實驗能力的目標就很難做到，培養創新精神更無從談起[2]，因此采用虛擬仿真進行教學改革很有必要。

基于虛擬仿真技術的平面機構創意組合實驗可以作為對機械系統的前置了解實驗，為后續的機械制造機械設計等課程打下堅實的基礎。基于虛擬仿 真技術的平面機構創意組合實驗是將實驗和理論知識講述相結合的教學方法，結合一些典型實體平面機構連接實例進行授課，學生經過實驗教學就能比較系統的了解平面機構。虛擬實驗平臺為自由搭建任意合理的實驗模型提供了能滿足教師對各層次實驗教學的需求，學生既可通過該平臺動手操作，又可自主設計實驗，有利于培養創新意識和能力。

3.2實驗教學改革的重要性

虛擬實驗概念的出現，在虛擬場景中模擬真實場景。運用一定的器材和儀器采集實驗操作數據，并通過仿真計算得到與真實實驗相符合的結果。注重實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性，學生按照老師給定的任務進行平面機構的創新組裝設計，通過學到的零件連接方法，對開展平面機構的裝配組合分析。然后進行改良調整，有助于學生思維能力的培養和創新能力的提高。該虛擬實驗平臺系統的開發及在實驗教學中的運用，已成為實驗教學在培養學生的實踐能力、研究能力、創新能力和綜合素質等方面的重要環節，

4 總結

在實驗教學改革中引入仿真實驗，不僅使學生加深了對理論知識的理解，還能與傳統實驗起到互補的作用，有利于提高學生的專業素質。開設平面機構創意組合實驗的目的，是為了提高學生對機械系統的創新能力以及動手的能力。利用計算機輔助的創新設計方法，對開闊學生思路、增強創新能力起到了重要作用。

參考文獻

[1]雷源忠.我國機械工程研究進展與展望[ J ].機械工程學報，2009，45（5）：1 -1 1.

[2]劉元林.大工程背景下機械設計基礎實驗教學改革的研究與探索[ J ].實驗技術與管理，2010，27（1）：14 -16.

作者簡介：

劉月英（1967.7—），女，河北省安國人，保定市南市區河北科技學院機械設計制造及其自動化專業，高級工程師。