“三位一體”人才培養模式下帶傳動虛擬仿真實驗設計與教學實踐

摘 要：為解決帶傳動實體實驗在教學中存在的不足，建設了帶傳動虛擬仿真實驗項目。虛擬仿真實驗項目的建設從學生知識、能力、素質培養出發，進行了實驗教學內容設計，構建出V帶設計單元和虛擬仿真單元兩大模塊。技術實現依托Web前端技術，使用Three.js框架構建帶傳動虛擬仿真三維場景。教學實踐表明，帶傳動虛擬仿真實驗能夠提升學生分析問題、解決問題的能力，有利于提高學生的學習成效。

關鍵詞：帶傳動；V帶設計；虛擬仿真；教學設計

中圖分類號：TP39；G434 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）15-0194-05

Design and Teaching Practice of Virtual Simulation Experiment of Belt Drive

under the“Trinity”Talent Training Model

ZHENG Chunhui， GUO Feng， YANG Qingxiang， ZHANG Feng， DING Gang， SUN Houtao， WEI Li

（School of Mechatronics Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

Abstract： To address the shortcomings of the physical experiment of belt drive in teaching， a virtual simulation experiment project of belt drive has been constructed. The construction of the virtual simulation experiment project starts from the cultivation of student knowledge， abilities， and qualities， designs the experimental teaching content， and constructs two major modules of the V-belt design unit and the virtual simulation unit. The technical implementation relies on the Web front-end technology and it uses the Three.js framework to build a virtual simulation three-dimensional scene of belt drive. Teaching practice has shown that virtual simulation experiments of belt drive can enhance students' ability to analyze and solve problems， which is beneficial for improving their learning outcomes.

Keywords： belt drive; V-belt design; virtual simulation; teaching design

0 引 言

上海交通大學在2009年提出了“能力建設+知識探究+人格養成”三位一體的育人理念[1]；清華大學在2013年的第24次教育工作討論會上確立了以價值塑造、能力培養、知識傳授“三位一體”為核心的教育理念[2]。2019年5月，哈爾濱工業大學正式發布了《一流本科教育提升行動計劃2025》，通過多維知識探究、綜合能力養成、核心價值塑造“三位一體”人才培養模式，將“以學生為中心，學生學習和發展成效驅動”的教育理念落到實處。

秉承知識、能力、素質“三位一體”的人才培養理念[3-5]，哈爾濱工業大學機電工程學院專業實驗教學中心以培養“信念執著、品德優良、知識豐富、本領過硬、具有國際視野、引領未來發展的拔尖創新人才”為目標，開展了系列教學改革舉措。

1 帶傳動實驗項目基本情況

1.1 帶傳動實驗概況

帶傳動實驗是哈爾濱工業大學機電工程學院專業實驗教學中心面向“機械基礎實驗（機械設計）”“機械設計基礎A”兩門專業基礎課開設的實驗項目，授課對象為大學二年級機械類和近機類專業學生，實驗學時2學時。

在實驗過程中，學生以初拉力為變化參數，調整主動輪轉速，通過逐級加載，觀察彈性滑動和打滑現象，通過記錄轉速、帶輪轉矩，計算滑動系數、傳動效率，繪制滑動曲線和效率曲線。

學生通過帶傳動實驗，可以了解帶傳動實驗臺的結構和工作原理，認識帶傳動的彈性滑動現象和打滑現象，了解影響帶傳動的傳動能力的因素，掌握帶傳動中帶輪轉速、轉矩的測試方法，并能夠繪制出帶傳動滑動曲線和效率曲線。帶傳動實驗能夠培養學生進行實驗研究的初步能力，包括設計實驗、分析與解釋數據，并通過信息綜合得到合理有效的結論。

1.2 帶傳動實驗臺

如圖1所示，帶傳動實驗臺可用于測定平帶、V帶傳動效率及滑動系數（滑動率），可觀察帶傳動彈性滑動現象及打滑現象。帶傳動實驗臺工作原理如圖2所示。實驗臺上電動機安裝在滑動機座上，通過調節螺旋裝置來調整電動機位置，從而改變傳動帶上的初拉力。實驗臺電動機和發電機均有一對滾動軸承支座懸架，使其機殼可繞各自轉軸中心轉動。利用測力杠桿和測力傳感器，通過懸架起來的電動機可計算主動輪轉矩，通過懸架起來的發電機可求得從動輪轉矩。實驗臺上傳動帶初拉力、帶輪轉速和轉矩均由傳感器測量，數字儀表顯示，從而提高了實驗數據測試精度。實驗臺上安裝兩個頻閃燈，利用頻閃燈可直接觀察到帶傳動中彈性滑動現象及打滑現象。

帶傳動實驗臺是哈爾濱工業大學自制實驗設備，與同類實驗臺相比，具有測量精度高、實驗數據準確、可連續加載，彈性滑動和打滑的觀察效果明顯等特點，入選了第三屆高校自制實驗設備優秀作品展，目前實驗臺已更新到第三代。浙江大學、哈爾濱工業大學深圳校區、東北農業大學、哈爾濱商業大學等高校先后采用本實驗臺開展教學活動。

1.3 帶傳動虛擬仿真實驗建設的必要性

目前，通過帶傳動實驗臺實體設備，“機械基礎實景教學（機械原理）”和“機械基礎實景教學（機械設計）”兩門國家級精品MOOC課程開展線下實驗和線上實驗。與虛擬仿真實驗相比，傳統實體實驗普遍存在高成本、高消耗的問題，設備易陳舊老化，設備改造和迭代速度易落后于教學改革的步伐，帶傳動虛擬仿真實驗項目的建設旨在解決上述問題，在原有實驗內容基礎上引入多傳動參數測量和設計實驗，彌補線下實體實驗的內容，同時提供仿真數據補償線上實驗數據不足的問題，交互環境及輔助評價平臺實現反饋閉環，提高虛擬仿真實驗教學效果。

2 帶傳動虛擬仿真實驗的教學設計

基于知識、能力、素質“三位一體”的人才培養理念，帶傳動虛擬仿真實驗項目要求學生能夠達到的知識、能力水平如下：

1）掌握設計或選用帶傳動零部件的基本理論、基本知識和基本技能，具有設計帶傳動裝置的能力。

2）具有計算能力、繪圖能力、運用計算機進行輔助設計的能力和運用標準、規范及查閱技術資料的能力，并能夠在設計環節中體現創新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素。

3）掌握帶傳動實驗原理和方法，具有進行實驗研究的初步能力，能夠基于科學原理并采用科學方法對帶傳動問題進行研究，分析與解釋數據，并通過信息綜合得到合理有效的結論。

帶傳動虛擬仿真實驗教學項目以此教學目標為出發點，進行了虛擬仿真實驗教學內容的設計，并開展了項目實施和教學實踐。

2.1 帶傳動虛擬仿真實驗內容設計

帶傳動虛擬仿真實驗的內容設計充分考慮“能實不虛”“以虛補實”“虛實結合”的虛擬仿真實驗項目的建設原則，實驗內容設計包括V帶設計單元和虛擬仿真單元兩大板塊，突出綜合性、設計性實驗的特色。以學生為中心，針對學生帶傳動知識點掌握的痛點、難點問題進行設計，體現虛擬仿真實驗項目的“兩性一度”標準[6-8]。

2.1.1 V帶設計單元

V帶設計單元培養學生通過使用虛擬仿真輔助軟件進行帶傳動選型及相關參數設計的能力。如圖3所示，在V帶設計單元，學生可以根據功率設計要求、傳動比、轉速等實際工況輸入相關參數，進行V帶選型。系統會根據實際的帶輪直徑情況，給出帶速和傳動比的誤差范圍，輔助學生判斷帶輪基準直徑設計的合理性。確定帶輪基準直徑后，學生可在推薦的中心距范圍內靈活初選中心距，系統將推薦正確的標準帶長和實際中心距、包角等幾何尺寸，并給出壓軸力和V帶根數。設計完成后，學生能夠等比例看到帶傳動的三維模型。通過V帶設計單元，學生可以更好地理解帶傳動迭代設計思想，直觀地觀察到設計結果。

2.1.2 虛擬仿真單元

虛擬仿真單元由實驗臺3D仿真、傳動裝置的運動學仿真和動力學仿真三部分組成，具體內容如下：

1）實驗臺3D仿真。對控制臺、直線軸承導軌、初拉力調整螺桿、移動機座、力矩傳感器、測力杠桿、軸承座、直流電動機、直流發電機和實驗環境進行三維建模，并對主要功能零件進行交互性設計，學生通過鼠標可查看相應的功能和原理介紹。

2）傳動裝置的運動學仿真。對主動輪、從動輪和帶的主要幾何參數（帶輪基準直徑dd1和dd2、中心距a、包角α、帶的基準長度Ld等）進行運動學仿真，進而反映真實的帶輪轉速、帶的線速度。

3）傳動裝置的動力學仿真。依照摩擦型帶傳動所能傳遞的最大有效圓周力的歐拉公式：

其中Fmax為最大有效圓周力，F0為初拉力，α1為小帶輪包角，f為摩擦因數。確定影響帶傳動的傳動能力的三因素即初拉力F0、當量摩擦系數f、主動輪包角α1與Fmax的關系，使學生可以直觀感受改變三因素的值對帶傳動的傳動能力的影響。

虛擬仿真單元如圖4所示，引導學生依據實驗步驟，完成不同工況下帶傳動的傳動效率和滑動系數的測量，并繪制出滑動系數和傳動效率的曲線。實驗流程包括帶初拉力的加載、主動輪轉速調節、負載的逐級加載等內容，通過二維界面和三維場景的交互，使學生非常便捷地完成不同工況下的參數設置與數據測量。

2.2 帶傳動虛擬仿真實驗開發框架

帶傳動虛擬仿真實驗項目的系統架構采用層次結構，一共分為6層，如圖5所示。從帶傳動裝置的幾何參數和傳動能力的參數出發，構建帶仿真模型，通過可視化渲染與交互層，支持任務層的各個實驗步驟的完成。評價層從學生操作反饋與電子實驗報告的記錄中給出客觀評價。

帶傳動虛擬仿真實驗項目采用了哈爾濱工業大學機電工程學院高端裝備虛擬仿真實驗教學平臺網站的通用框架。如圖6所示，課程管理系統為平臺的子系統，通過平臺分配的課程碼進行管理。課程可以通過教師后臺創建，學生在平臺注冊賬號即可訪問，平臺會記錄學生的基礎訪問數據包括登錄、瀏覽和學生在個人中心登記的學號、姓名等基礎信息。

帶傳動虛擬仿真實驗項目采用Web前端技術，由html+css+js構成基礎技術路線。課程三維場景采用Three.js框架實現[9-10]，V帶設計的參數和觀察實驗的實驗臺均為1：1比例建模，根據機械設計手冊關于普通V帶傳動的相關公式和表格進行數學建模，編程實現參數化模型進行仿真。V帶設計單元的帶輪和帶均根據設計參數實時三維建模，以求達到最佳仿真效果。

人機交互設計基于jQuery實現Web頁面查詢，虛擬仿真單元的實驗臺操作界面由html+css技術以真實實驗臺的界面進行設計，交互功能按鈕通過jQuery關聯控件實現，力求操作過程與真實實驗過程保持一致。實驗數據通過基礎動畫技術與模型相關聯，通過EChart實現圖表，完成數據描點繪圖。

2.3 教學內容設計特色

2.3.1 增強實體實驗教學內容

實體帶傳動實驗平臺由于材料及結構限制，存在磨損快、實驗結果波動較大的情況，影響實驗數據準確性，得出的實驗結果可能會產生較大誤差，并存在實驗結果不直觀等缺陷。帶傳動虛擬仿真實驗可以有效地克服此種局限，提供穩定性強、安全性高和使用經濟性良好的實驗結果。

2.3.2 促進全面掌握帶傳動的設計參數

實體的帶傳動線下實驗臺采用固定包角α、固定當量摩擦系數，通過改變傳動帶初拉力（預緊力）的方式影響帶傳動的傳動能力。在傳動帶的類型選擇上，僅選用了普通平帶和V帶，其他類型的帶沒有涉及。

帶傳動虛擬仿真實驗讓學生全面掌握帶傳動的設計參數，綜合分析初拉力F0、包角α、當量摩擦系數f對滑動系數ε、傳動效率η的影響，進而使學生較全面地深入掌握影響帶傳動能力的因素。

2.3.3 快速仿真復現促進帶傳動設計迭代

針對實際的設計需求問題，帶傳動虛擬仿真實驗教學項目V帶設計單元提供快速的智能化理論計算輔助功能，學生在計算得出帶傳動設計參數后，可快速在系統中呈現所設計的帶傳動裝置的實際幾何信息，進而促進帶傳動的設計迭代。

2.3.4 任務導向式教學促進學習成效提升

在教學方法上，以任務為導向，通過虛擬仿真實驗教學項目界面內的引導設計，以探索式和啟發式教學手段為主，激發學生自主學習的熱情。實驗任務設計和操作步驟注重引導學生進入“心流”狀態和提升“沉浸性”的感官體驗，進而提升學生的學習成效。

3 帶傳動虛擬仿真實驗教學實踐

帶傳動虛擬仿真實驗教學項目建設于2022年3月啟動。通過與一線教師教學需求對接，并深入到學生中了解線下帶傳動實驗的教學效果反饋及改進意見，進一步明確了帶傳動虛擬仿真實驗的建設內容。2023年秋季學期，帶傳動虛擬仿真實驗項目正式面向機電工程學院機械類大二學生開展實驗教學活動。實驗教學設計采用混合式教學手段。將帶傳動虛擬仿真實驗項目作為一項重要的前置線上資源，要求學生在預約實體實驗之前完成帶傳動虛擬仿真實驗。

虛擬仿真實驗項目的引入使教學效果有了較顯著的提升。首先，學生能夠更好地掌握線下實驗過程中的重點難點，如在實驗過程中遇到問題，學生有更大的可能性自主解決，進而提升了學生分析問題、解決問題的能力；其次，在實驗報告成績提升方面，與往年學生相比，2023年秋季學期選課學生該項目的實驗成績平均分提高3分，主要體現在學生對實驗數據曲線繪制的準確性方面，學生對帶傳動滑動系數曲線的變化趨勢理解更加清晰；再次，V帶設計單元有助于提高學生學習機械設計理論課程過程中對帶傳動章節的學習成效，V帶設計單元的“電算”功能對學生完成帶傳動設計的大作業有較大幫助。

4 結 論

本文闡述了傳統帶傳動實體實驗教學的基本情況、存在的問題以及虛擬仿真實驗教學項目建設的必要性。以知識、能力、素質“三位一體”的人才培養理念為教學設計根本出發點，以“兩性一度”的金課標準建設完成了帶傳動虛擬仿真實驗教學項目。V帶設計單元和虛擬仿真設計單元在帶傳動混合式教學中體現出較好的教學效果，對學生學習成效的提升起到了促進作用。

參考文獻：

[1] 張杰.“三位一體”培養創新型領袖人才——上海交通大學人才培養目標探索 [J].國家教育行政學院學報，2010（10）：3-5.

[2] 楊斌.踐行“三位一體”教育理念 全面建設一流人才培養模式 [J].清華大學教育研究，2018，39（3）：1-6.

[3] 范鷹，高原.斯坦福大學人才培養理念探析 [J].中國高等教育，2023（23）：61-64.

[4] 李峰，秦曉峰，李秀紅，等.新工科機械類創新人才培養模式下實踐教學體系構建 [J].機械設計，2023，40（11）：135-140.

[5] 穆麗，宮春艷.基于“知識、能力、素質”的工商管理專業創新實踐育人模式研究 [J].中國商論，2022（14）：154-157.

[6] 梅瑞斌，包立，張欣.基于“兩性一度”的研究型虛擬仿真教學平臺設計與開發 [J].機械設計，2023，40（9）：135-141.

[7] 鹿有杰.基于虛擬仿真技術的柔性制造教學平臺研究 [D].石家莊：河北科技大學，2022.

[8] 熊宏齊.國家虛擬仿真實驗教學項目的新時代教學特征 [J].實驗技術與管理，2019，36（9）：1-4.

[9] 劉漢代，李亞斌，沈于畫，等.“互聯網+教育”背景下機械原理虛擬實驗項目開發 [J].東華理工大學學報：社會科學版，2020，39（4）：395-400.

[10] 侯嚴庭.基于Three.js的機械產品自動裝配演示 [J].軟件工程，2018，21（3）：23-26.

作者簡介：鄭春輝（1982—），男，漢族，遼寧阜新人，高級工程師，碩士，研究方向：機械設計；通訊作者：郭豐（1983—），男，漢族，黑龍江牡丹江人，高級工程師，博士，研究方向：機械設計、智能設計。