虚实结合的机械设计实验教学方法

宁方立, 王 琳

(西北工业大学 机电学院，西安 710072)

虚实结合的机械设计实验教学方法

宁方立, 王 琳

(西北工业大学 机电学院，西安 710072)

以培养高素质的机械工程专业人才为目标，针对以实物为基础的机械设计实验教学中存在的问题，结合机械工程专业知识面广、系统性强、与工程结合紧密等特点，在机械设计实验的实践过程中，建立了以工程认知、表达、分析为主线，以代表性的真实机械零件——带传动、螺栓为对象的虚实结合机械设计实验。采用虚拟实验与实物实验相结合的实验教学模式，通过实物实验教学、虚拟实验教学和理论教学相融合的方式，全面推进和提高学生实践能力培养。

虚实结合; 机械设计; 实践教学

0 引 言

机械工程专业的特点是实践性强，因此实验环节在教学中占有举足轻重的地位[1-6]。“机械设计”以往所采取的教学模式主要是“课堂教学+实验教学”：课堂教学主要是教师讲解的方式，实验教学环节由实验教师指导学生在实验室完成。现有的实验课程存在的主要问题是：因课时限制，有限的实验学时主要集中在验证性实验上——主要是验证书本上的内容。验证性的学习尽管是不可缺的，但还是处于对知识的认知层面，不能对所学习知识深入解析，很难激发学生的积极性和创造性[7-9]。另外，由于办学规模的扩大，实验室仪器设备的短缺问题也日益突出，难以满足教学质量的要求。

随着计算机和网络技术的不断发展，虚拟仿真技术日益成熟，大机械系统背景、计算机支持的全生命周期产品研发技术，也都要求充分发展虚拟仿真实验教学[10-14]。因此，将虚拟仿真技术引入到实验教学中将会成为必然趋势[15-16]。

机械工程专业如何通过虚拟化技术补充与拓展实物实验，开展实验教学，构建现代机械工程实验教学体系成为当务之急。我校机械基础与航空制造虚拟仿真实验教学中心获批2013年度首批国家级虚拟仿真实验教学中心。为解决机械工程专业人才培养与实践教学所面临的上述问题提供了很好的平台。机械基础与航空制造虚拟仿真实验教学中心依托我校机械基础国家级实验教学示范中心(简称实验中心)，旨在“以社会需求为牵引，以实验教学与科研相协同、实践教学与产业相协同”的实验教学理念，涵盖专业基础层、专业层、跨专业层的实验与实践教学内容，对机械工程专业实践教学模式进行探索，全面推进学生实践能力培养。

本文以代表性的真实机械零件——带传动、螺栓为对象，建立虚实结合的机械设计实验。采用全虚拟实验与实物实验相结合的实验教学模式，通过实物实验教学、虚拟实验教学和理论教学相融合的方式，为全面建立虚实结合的机械工程实践教学模式奠定基础。

1 虚实结合在机械设计实验教学中的典型应用

1.1 带传动性能测试实验

带传动在机械传动中广泛使用，也是机械设计课程中的基础实验之一。带传动实验是让学生观察带传动的弹性滑动和打滑现象；了解带的初拉力、带速等参数的改变对带传动能力的影响，测绘出弹性滑动曲线, 掌握转速、扭矩、转速差及带传动效率的测量方法。

要实现上述的实验内容和目的，实物实验环节是必不可少的，因此,采用一台智能带、链传动组合实验台(见图1)，该实验台通过4路数字显示信息，在不同负载的情况下，学生手工抄录主动轮转速、转矩和被动轮转速、转矩，然后根据此数据计算并绘出弹性滑动曲线和传动效率曲线。该实验台除了具有传动带弹性滑动曲线和传动效率曲线测试功能之外，还增加了传动主动带轮与被动带轮在传动过程中转速波动曲线测试功能，能够更直观地观察传动带的弹性滑动状况。

图1 智能带、链传动组合实验台

带传动弹性滑动从紧边到松边的变化过程是一个渐进的现象，在以实物为实验台的实验中难以观察和观测。因此，考虑将虚实进行结合。①由实验台通过S232串行线，将实验装置与PC机直接连通。随带传动负载的逐级增加，计算机能根据专用软件自动进行数据处理与分析，并输出滑动曲线、效率曲线、转速波动曲线和所有的数据。②通过这些数据输入到自行编写的虚拟仿真程序中，学生可以通过该程序了解弹性滑动的变化全过程(见图2)。

图2 带传动系统运行演示

学生还可以通过观察标注于皮带和带轮上两个色块的运动位置变化，对从动轮处弹性滑动过程进行深入学习(见图3)。

图3 从动轮上的弹性滑动演示

1.2 螺栓性能测试实验

现代各类机械工程中广泛应用螺栓组机构进行联接。如何计算和测量螺栓受力情况及静、动态性能参数是工程技术人员面临的一个重要课题。

因此，在这个实验中也采用虚实结合的实验方法。首先，通过实物的螺栓组及单螺栓联接静、动态综合实验台(见图4),让学生了解和掌握实际工程中螺栓性能的测试方法和手段，特别是掌握如何测量螺栓的应变量来分析螺栓的应力和刚度。

图4 螺栓组及单螺栓联接静、动态综合实验台

该实验台的主要功能为：①螺栓受预紧轴向载荷作用时，测量螺栓的刚度C1、被联接件的刚度C2、和联接体相对刚度C3。并了解受预紧轴向载荷螺栓联接中，零件相对刚度的变化对螺栓所受总拉力的影响。②测试并绘制螺栓受交变拉应力作用时，螺栓、被联接件之间的变形曲线和变形协调图。③通过改变螺栓联接中零件的相对刚度，观察螺栓中动态应力幅值的变化。④分析螺栓的预紧力对应力的影响以及对螺栓疲劳强度的影响。⑤分析螺栓的刚度对应力的影响以及对螺栓疲劳强度的影响。⑥分析被联接件的刚度变化对应力的影响以及对螺栓疲劳强度的影响。

但是，在螺栓受载的过程中，存在螺栓杆被拉长，被连接件被压缩的变形协调过程。另外，还存在预紧力变化的过程。这些过程由于螺栓的刚度较大，在实物实验中，变形量较小，故难以观察和观测。因此，笔者将实物实验台中的载荷同步输入到自行开发的螺栓受载虚拟仿真实验平台中。通过该平台以形象直观的方式将螺栓的受力和变形过程展示出来(见图5、6)，使学生对螺栓的加载过程有更深入地了解和认识。

图5 螺栓加载前的结构示意图

图6 螺栓加载后的结构及受力分析图

2 结 语

以培养高素质的机械工程专业人才为目标，针对实物实践教学中存在的问题，结合机械工程专业知识面广、系统性强、与工程结合紧密和新技术发展迅速等特点，秉承“能实不虚，虚实互补”的实践教学理念，采用虚拟实验与阶段实物实验相融合的实验教学模式，通过实物实验教学、虚拟实验教学和理论教学相融合的方式，全面推进学生实践能力培养。使学生具备良好继续培养的理论基础，为通过研究生阶段的培养发展，成为创新型的机械设计工程师打好基础。

[1] 葛文杰. 对机械基础课程教学方法改革的思考与探讨[J]. 中国大学教学, 2009(10)：4-7.

[2] 葛文杰. 深化机械基础课程教学改革与课程建设的思考[J]. 中国大学教学, 2007(12): 12-14.

[3] 张永红，葛文杰，宁方立. 以工程认知、表达、分析为主线建设机械原理综合测绘实验[J]. 高等工程教育研究，2013(增刊)：182-13.

[4] 宁方立，张永红，葛文杰，等. 国外机械原理课程教学的特点与启示[J]. 高等工程教育研究，2013(增刊)：54-55,62.

[5] 陈国定, 吴立言, 李建华, 等. 机械设计精品课程建设的实践与思考[J]. 中国大学教学, 2006(9): 20-21.

[6] 宁方立. 浅谈如何培养学生机械设计能力[C]//第八届全国机械设计教学研讨会，乌鲁木齐，2006.

[7] 张永红，葛文杰，李树军. 基于凸轮系列实验的阶梯式学生工程实践能力培养模式研究[C]//机械类课程报告论坛论文集，北京：高等教育出版社，2010.

[8] 宁方立，王 琳，张永红，等. 基于慧鱼模型的机械创新实验研究[J]. 广西大学学报，2015，40(增刊2): 166-170.

[9] 葛文杰. 以“质量和创新”为核心深化课程教学改革与建设[J]. 中国大学教学, 2013(7): 13.

[10] 张 长，牛金霞. 机械原理实验教学中的虚拟仿真实验设计[J]. 课程教育研究，2015(8): 185-186.

[11] 申 燚，王明强，袁明新，等. 虚拟仿真与装配在机械原理与设计课程群教学中的应用[J]. 当代教育理论与实践，2013，12(5): 79-81.

[12] 蔡卫国. 虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理，2011，28(8): 76-82.

[13] 余建潮，叶秉良. 面向创新人才培养的实验教学内涵式发展策略[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(6):183-185．

[14] 潘雪涛, 邬华芝, 蔡建文, 等． 创新虚拟实验教学模式培养自主学习能力[J]. 实验室研究与探索，2014, 33(11):72-76

[15] 王卫国．虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J]. 实验室研究与探索，2013，32(12):5-8．

[16] 张敬南，张镠钟．实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J]. 实验技术与管理，2013，30(12):101-104．

Experimental Teaching Method Based on Virtual-Real Integration for Mechanical Design Course

NINGFangli,WANGLin

(School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

In order to train high-quality talents of mechanical engineering major, an experimental teaching method based on virtual-real integration for mechanical design course is developed. The present experimental teaching of mechanical design course is mainly based on the object teaching. However, the mechanical engineering major has the characteristics of knowledgeable, systematic, and well-knit with practical engineering. The new experimental teaching method employs acknowledgement, expression, and analysis as the basic principles and takes two representative mechanical parts, belt drive and bolted connection, as the study objectives. Based on the proposed integration of object teaching, virtual teaching, and theory teaching, the students’ practical ability can be greatly improved.

virtual-real integration; mechanical design; experimental teaching

2016-05-18

陕西省高等教育教学改革研究项目(15BZ08)：西北工业大学校级教改项目

宁方立(1974-)，男，山东泗水人，博士，教授，博士生导师，国家级机械基础实验教学中心主任，主要从事机械设计及理论。

Tel.：029-88493927；E-mail：ningfl@nwpu.edu.cn

G 642.4

A

1006-7167(2017)02-0165-03