基于仿真技術的機械設計專業課程探索與研究

蘭青 劉筱 朱必武 李佳敏

摘要： 結合課程培養人才的要求，將仿真技術應用到機械設計專業課程教育教學中來。在學科橫向教學方面，以機電一體化為背景，將機械、電工電子、信息、傳感等模塊化，實現在完整機械中剝離機械零部件、電路、傳感器等的功能，便于建立起不同學科之間的聯系，達到橫向教學的目的。

關鍵詞：仿真技術;機構和零件可視化;機械設計;教學研究

基金項目：湖南省普通高等學校教學改革研究項目，工程教育專業認證下的《材料科學基礎（雙語）》課程信息化教學模式探索與實踐（HNJG-2020-0516）

仿真技術是在仿真硬件和仿真軟件的基礎上，借助計算機反映系統行為和過程的仿真模型技術[1]。仿真技術是機械工程里常用的手段，它的影響不應該只存在于工程實踐中，更應該滲入到教育教學過程中來。讓學生從學習到實踐過程中都能體會到工業智能的力量和幫助。

1.當前課程教學的現狀和面臨的問題

1.1.《機械原理》課程教學的現狀和面臨的問題

《機械原理》課程是機械設計制造及其自動化專業的基礎課程和必修課程，以研究各種機構的結構分析、運動分析和受力分析問題、常用機構的設計問題為主[2]。大量的機構學習和運用要求學生具有良好的立體抽象思維能力，部分同學無法形成良好的機構立體結構的建構和機構運動情況的模擬，不利于他們對知識的理解和運用，這不僅對之后的機械設計專業綜合課程的學習有十分重要的影響，而且會使得今后設計機械時的設計思路板滯，不能靈活運用專業知識。

部分同學抽象思維能力較差，上課是教學的中心環節，更有“課堂一分鐘，課后一小時”的說法，長期以往不僅會加重學生學習的任務和壓力，也會打擊學生學習的自信心，降低學生的自我效能感。理論聯系實際是教師教學的基本原則，很多老師會在講解機械零件和機構時會以生活中的簡單機械為例，提高學生對新知識的理解程度。但對于生活中不常見的零件和機構，學生接觸經驗不足，沒有足夠的認知基礎可以將新的認知同化吸收，新知識與舊知識聯系的紐帶不牢，不利于理解記憶和靈活運用，便也達不到理論聯系實際的效果。

1.2.機械設計專業基礎專業課程的橫向聯系需求

機械設計專業開設有電子電工技術、信號處理及測試技術等滿足機電一體化要求的基礎專業課程。一臺機器不可能只有機械部分，還應有電子電工、信號、傳感等模塊，用以輔助機器完成驅動、信息傳遞和反饋等功能。基于機電不分家的理念，要求機械設計專業的學生對這些基礎專業課程做到充分的橫向聯系，形成他們是一個整體的觀念，了解他們之間的聯系和所在的位置，即所完成的功能和場合，例如電子大多是完成驅動部分、信號傳輸和反饋大多是基于微電子技術的完成控制部分的實現、而機械則大多充當支承和搭建框架的作用等。學生在學習各個板塊知識時有相互聯系的想法，有利于理解所學的專業知識內容，建構關于機械專業的完整的知識體系，做到觸類旁通，也便于運用各類專業知識到設計和生產實踐中去。

2.基于仿真技術的機構和零件可視化的建構

基于仿真技術的機構和零件可視化在學科縱向教學方面是運用仿真技術將機構和零件的結構和運動直觀的展現在學生面前，使抽象思維具體化。在教學過程中可以幫助抽象思維能力較差的同學建立知識結構;使抽象思維能力較強的同學鞏固知識并靈活運用;使學生的學和教師的教盡量同步，達到讓教學過程高效有序的目的。在學科橫向教學方面建立學科之間的聯系，在教學過程中嘗試從一臺完整的機器中剝離功能模塊，再進行比較教學。既讓學生知道功能模塊的既定位置，便于學生對機器整體布局的了解和知識運用。又在潛移默化中影響學生的整體觀念，防止學生將某一學科作為完全獨立的模塊進行學習。二者都是通過學生的感官體驗配合已有經驗，豐富學生的直接經驗和感性經驗，使學生獲得生動的表象，從而比較全面、深刻地了解和掌握知識。

2.1.可視化

運用Solidworks、UG、Proe等3D建構模型軟件建立機構和零件的三維結構圖，再運用仿真技術將結構圖投放在承載平臺上。該承載平臺應實現的基本功能有拖拽查看功能、放大縮小功能、模擬運動功能、線框透視功能等。拖拽查看功能是保證三維機構和零件可視化的基礎。可以使學生360°全方位觀察機構的構件要素和連接方式以及零件的結構。放大縮小功能可以從整體和局部的角度全面了解機構和零件的結構，甚至可以設置易忽略點，盡量讓學生不放過任何一個細節。模擬運動功能是將機構的運動情況直觀的展現在學生面前，便于學生認識和分析機構的運動，也便于對同類機構的運動情況進行對比。線框透視功能的主要目的是便于學生觀察機構和零件的內部結構，了解運動時機構內部的變化，對于內部結構復雜的機構和零件可以增加爆炸圖效果。這些功能的直接作用就是便于學生從而各個方面、各個角度了解機構和零件。他們的實現有利于學生了解和掌握各類簡單、復雜的機構和零件，使機構和零件直觀化、可視化。

2.2.模塊化

在學科縱向教學方面，學生要了解掌握的機構和零件是不可計數的，其中簡單常用機構和零件是學習的基礎和課堂教學的重點，但學生也需要了解結構較為復雜的機構和零件。再復雜的機構和零件都是由簡單的機構和零件組成的，將簡單、常用的機構和零件模塊化，使得復雜機構和零件的建構就是組合模塊。這個過程可以由教師在課前準備的時候完成，也可以是由教師和學生在課堂中合作完成，也可以是由學生在課余的自主探索和研究。這種模式下的模塊化是機構和零件模塊化。在學科橫向教學方面，機電一體化在近年來得到了迅速的發展，是工業生產領域的一種重要技術。將機構的功能模塊化，引入電子、傳感、信息處理等模塊，可模擬機構運用的各類場景，讓學生從場景中學習機構知識，有利于學生理解機構各類功能的實現，充分了解機構的優缺點，為之后設計機械時機構的選擇打下夯實基礎。同時在進行電子電工、信號處理等基礎專業課程時，利用承載平臺中各個模塊建立的完整機器中剝離出所要教學的內容模塊，有利于學生建立起學科間的聯系，讓學生的思維不限于某一個學科上，將眼界從局部放寬到整體，使學生完整的認識各個學科的教學內容。

2.3.操作便捷化

基于仿真技術的機構和零件可視化是為了方便學生學習、提高課堂效率。這一理念的運用更多的是在課堂上，而有限的時間不應該被復雜、累贅的操作耽誤。操作便捷化要求盡可能一鍵操作，方便教師和學生的使用。例如一鍵還原初始大小、一鍵還原初始觀察面、一鍵拆分（呈現爆炸圖效果）、一鍵裝配等。這可以增強課堂的高效性和可操作性，讓學生能在教師的引導下在課堂上的有限時間里全面完整的觀察了解機構，有利于課堂高效、高質量地進行。同時，在該項技術成熟后設置在拆分圖中點擊零部件詳細查看的功能，點擊時應出現該零部件的基本參數和優缺點等課堂教學內容，在機器中看機構和零件更能使學生直觀的理解各類機構零件的使用場所和功能，增強了操作的便捷性，使學生和教師能隨時在課堂學習中復習之前所學的機構、加深理解和記憶并方便教師的引導。

3.基于仿真技術的機構零件可視化的優缺點分析

3.1.基于仿真技術的機構零件可視化的優點

機構零件可視化是基于直觀性教學原則和理論聯系實際教學原則上提出來的利用仿真技術的教學手段。在縱向教學方面，可以幫助學生建構機構和零件的知識體系，使抽象思維學習轉變為具體思維學習，為學生在某一學科上的深度學習打下夯實基礎，同時也為教師教學提供便利，使得課堂高效地進行。在橫向教學方面，在機電一體化大背景下，機械、電子、信號、傳感以及微電子等各自有各自的所處位置以及要完成的功能，同時作用形成完整的機械體系，機構零件可視化模塊功能的實現，達到機電一體化的各個組成部分形成模塊，同時作用形成完整機器，從整體中剝離出來又可以有針對的進行教學，這可以幫助學生建立同專業下不同學科之間的聯系，使得各類專業知識形成相輔相成的格局，在之后綜合課程的學習過程中以及未來設計機械過程中大有裨益。

對學生的學習而言，此項技術的實現可以方便學生建構關于各個機構和零件的知識體系，將抽象思維轉化為具體思維，便于學生在腦海里對知識進行的編碼和提取，這也是它實現的基本目的。并且可以方便學生課后的自主學習和研究，海量機構信息存儲在承載平臺上，通過手機電腦學生可隨時隨地查看這些信息，在一些沒有教材等可供查看的紙質資料時探討問題就可以在平臺上找到作證觀點的信息。對教師的教學而言，在課堂教學過程中教師可隨時調出相應的機構讓學生觀察，在與之前學習的機構進行類比過程中，省去了翻書尋找之前所學機構的過程，也使類比更加直觀，同時加深了之前所學內容的記憶。在技術成熟之后，引入零件、機構組裝功能，方便了教師對學生所學知識的考查，更重要的是在不斷組裝過程中可以鍛煉學生的創新思維能力，也使機械設計過程更加簡潔可靠。

3.2.基于仿真技術的機構零件可視化的缺點

此項技術的實現較為困難，對機構建構技術和承載平臺的要求很高，不論是海量機構的建立，還是各種功能的實現和統一，都需要有強大的技術和理論支持。對教學而言，此項技術在課堂上的運用需要承載平臺有強制跟隨教師的功能，并且要求教師有較強的組織能力和維持課堂秩序的能力，如若沒有，學生容易沉浸在探索承載平臺功能上，從而分散學習注意力。不可否認的是，機構信息的存儲、查看、組建等都需要在網絡狀態下進行，對于網絡覆蓋能力不好的地區，無法正常使用。最重要的是，在課堂上，教師沒有辦法準確判斷學生是在利用手機登錄承載平臺查看信息，還是在做與學習無關的事情，此項技術如果實現并投入使用，對課堂秩序的維護不無小補，這就要求學生有較好的自制能力，同時要求老師有較強的組織能力和課堂吸引力。畢竟課堂依舊是學生和教師的課堂，其他教學手段都是只輔助手段。

4.結語

綜上所述，基于仿真技術的機構零件可視化技術是一次將大型工程中使用的技術運用到教育教學中來的嘗試，是在承載平臺上建立各類機構和零件以及滿足機構、零件自由組合功能的技術改革。本文從技術建構、優缺點分析等方面對仿真技術與課堂教學融合的效果進行了闡述，將抽象思維具體化，把需要想象的空間立體圖形直觀的展現在眼前，將理論課堂與實踐課堂通過信息技術實現融合，為教師的教和學生的學都提供了較大幫助。當然，基于仿真技術的機構零件可視化只是一個教學輔助手段，教學過程的主體仍舊是學生，教師要充分發揮自己在課堂上的主導作用，引導學生充分發揮自己的主體作用，輔以教學手段來達到教學目的。教師和學生應充分發揮自己的主觀能動性，利用仿真技術與教育教學融合的優勢，同時規避仿真技術與教育教學融合的劣勢，相信基于仿真技術的機構和零件可視化這一教學手段將會使專業課程的教學效果再上一個臺階。

參考文獻

[1] 劉杰，張昕，胡準慶. 內燃機仿真技術教學探討[J]. 內燃機與配件， 2020， 2020（20）： 221-222.

[2] 蔣天弟，張廬陵，吳瑞梅. 《機械原理》課程現狀與出路[J]. 農機化研究， 2004， 2004（1）： 248-249.

湖南科技大學 機電工程學院?蘭青，劉筱，朱必武，李佳敏