基于Pro/E的机构仿真在《机械设计基础》课堂教学中的应用

胡迎花

南京信息职业技术学院，江苏南京 210046

0 引言

机械设计基础课程是工科院校机械类专业学生的主要课程之一，作为专业基础课在教学中占有重要的地位，该课程系统地阐述了机械原理及常用机械零件的设计方法。然而这门课的理论性很强，一些抽象的概念和常用的机构对于没有实际经验甚至连见都没见过的学生来说很难掌握。开展课程教学改革，提高教学质量是南京信息职业技术学院教学改革一项重要举措，本文结合自身的教学实践，根据课程的特点，在教学过程中从教学方法、教学手段方面进行了探索，在课堂教学中应用Pro/E软件进行机构仿真辅助教学，取得了良好的教学效果。

1 机械设计基础传统教学方法的弊端

1.1 传统的教学模式影响课堂教学效果

机械设计基础主要研究机械中常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本设计原理和计算方法。上课前学生往往对机械设备知之甚少，尤其是对常用机构部分缺乏感性认识。传统的教学方法是采用挂图与模型，但对于常用机构来说实物模型一般较为复杂，给上课带来诸多不便，而且教材的变化较大，模型往往与教材相脱节，教师不能根据实际情况灵活选用教具，近年来虽已逐步采用多媒体教学，但多数只是采用简单的PPT，缺乏直观性，教师无法在课堂上进行演示，也不能随意进行反转、拆卸、使学生观察内部结构及装配关系，更不能充分展示动态变化过程。

1.2 学生的学习兴趣不高

机械设计基础内容较多，由于学生刚接触机械专业知识，缺少实践，对实际生产中的一些零件及机构都很陌生，专科院校的学生基础相对较差，上课时学生对部分较难的内容不能很好理解，难以掌握，因而学生的学习积极性受到挫伤，有的甚至产生厌学情绪。

2 基于Pro/E的机构仿真辅助教学及其优点

为了克服以往教学中的不足，提高教学效果，学期结束时我们在学生中进行了调查，结果显示学生对一些知识只是简单的记忆，没有真正理解，比如平面四杆机构，由于学生空间想象能力不足和缺乏工程实践，面对二维的图纸学生无法想象出各种机构的运行方式，似懂非懂，遇到具体问题不会分析，还有的同学甚至不明白蜗轮蜗杆是如何传动的。为此，结合学院的课程教学改革，我们从教学方法、教学手段方面进行了探索，提出了应用Pro/E软件进行机构仿真辅助教学，我们将教材中出现的机构进行了筛选，把常用的典型机构用Pro/E软件做成模型并进行仿真，同时对各种机构组件进行造型设计，生成元件库，在教学过程中可随时调用，组装成不同的机构。

这种全新的教学方法具有很大的优点。首先，教师在Pro/E环境中可以随意装拆、放大，有利于加深学生对各种机构空间结构及组成的理解，同时可根据实际情况随意旋转、改变对模型的观察方向，其真实感完全与现实中的零件一样，最为重要的是Pro/E软件能进行机构仿真，可以把各种复杂的机构通过形象、生动、逼真的动画演示以三维的形式直观地展示给学生，克服了采用PPT教学中平面图形的不足，从而使学生建立起良好的感性认识；其次，Pro/E是美国参数技术公司的主打产品，其设计过程可以实现真正的相关性，任何修改都会自动反映到所有的相关对象。比如在讲平面四连杆机构时，利用模型仿真不仅可以验证所设计的机构是否满足要求，同时还可以改变相应的参数、或以不同的构件为机架或调用不同长度的连杆进行装配，让学生参与设计并对设计结果进行现场演示加以验证，改变了以往单纯的教学方式，在课堂上真正实现教学的互动，既激发了学生的学习兴趣又加深了印象。再比如学生对间歇运动机构比较陌生，更难想象出机构具体的运动情况，在课堂教学中采用Pro/E对零件直接进行三维建模并用建好的模型进行装配及机构仿真，能按需造型及修改模型，并直观地显示整个机构的装配结构、各构件之间的连接关系，使教学中的各知识点更加清晰、生动、形象，大大提高了课堂教学质量。在讲轴的结构设计时，对轴上零件的定位和固定，学生也往往不能很好掌握，我们就预先绘制出各类轴上零件固定件，上课时则利用Pro/E对轴系各个零件进行装配，演示如何进行齿轮的周向和轴向固定，轴的支承与固定，轴承如何装配如何调整间隙，各零件之间的相互位置关系、零件的装拆顺序及零件的结构工艺性应注意的问题等。通过动态的演示能在较短的时间内给学生正确的示范，培养学生的空间想象力。

基于Pro/E软件的辅助教学，通过模拟、仿真、动画技术的应用，不仅可以使一些在普通条件下无法实现或无法观察的过程生动地显示出来，还能增强学生对抽象事物的理解，拓宽学生的知识面，同时也使教学过程更为生动，课堂气氛活跃，从而提高学生的学习兴趣。

3 教学实践

针对全新的教学方法，我们在2008级学生教学实践中进行了尝试和验证，并得到了一些经验和启示：

1）教学方法与手段改革是提高教学质量的关键，通过现代化技术手段的应用，可以提高课堂的信息量和教学效率，应用Pro/E软件进行机构虚拟装配和运动仿真演示，提高了教学的直观性，有利于在教学中采用启发式教学发挥学生在教学中的主体作用。在期末考试中常用机构部分的知识点学生普遍掌握较好，失分较少。

2）学生对机械设计的过程有了更完整更全面的了解，同时把学到的知识与生产实际结合起来，大大激发了学生的求知欲，从学期末的学生测评中看到，学生对这种教学方式给予了很高的评价。

3）基于Pro/E软件的教学方法有别与传统的教学方法，在机械设计课堂教学中加入了虚拟的机构动画，对于一般从没接触过工程实践的学生来说，可大大增强对各种常用机构的感性认识，但在刚开始介绍时应将各机构的工作原理先讲解清楚。

通过现场教学或配以相应的实验，对于学生快速掌握各种常用机构和通用零件的工作原理、结构特点具有非常重要的促进作用。

4 结论

通过分析机械设计基础课程传统教学方法的不足，在课堂教学中应用Pro/E软件进行机构仿真辅助教学，教学实践表明，这些教学方法、教学手段改革的举措，可以激发学生的观察力和想象力，提高学习的趣味性。不过在教学过程中教师的板书和分析依然不可缺少，所以在教学中应当将传统的教学方法和现代化教学技术有机结合，并注意各种教学手段的相互穿插相互补充，这样才能更好地提高教学质量。

[1]祝凌云,等.Pro/Engineer运动仿真和有限元分析.人民邮电出版社,2004.

[2]李一民,等.机械设计基础.东南大学出版社,2009.