基于虚拟样机技术的机械原理课程改革与实践

王 芳 王瑞芳 平学成 刘 卉 张林静

（天津科技大学，天津 300222）

基于虚拟样机技术的机械原理课程改革与实践

王 芳 王瑞芳 平学成 刘 卉 张林静

（天津科技大学，天津 300222）

结合天津科技大学机械工程学院基础教学团队建设宗旨，阐明了现代设计方法与机构分析理论对机械课程教学体系的重要性，提出基于虚拟样机技术的机械原理教学改革措施。通过课堂教学，强化解析法在平面机构运动分析及受力分析中的运用；以课程设计为载体，将机械原理课程体系中的理论教学和实践有机结合。实践证明，在机械原理课程中引入虚拟样机技术进行机构设计及分析，这种理论教学与设计训练融合的创新组织形式，在激发学生学习兴趣、培养创新思维、提高专业综合素质方面有重要的应用价值。

机械原理；虚拟样机技术；解析法

一、引言

机械原理是天津科技大学机械类专业重要的技术基础课和主干课，开课于机械制图、力学、金属工艺学、互换性等课程之后，专业课之前，具有承上启下的作用，以机构及机械系统设计为主线，通过课堂教学、实验教学和课程设计实践教学各环节，夯实机械系统运动设计知识基础，培养学生机械创新设计意识和运用先进设计技术及方法分析解决工程问题的能力[1-2]。

理论教学使学生掌握关于机构的结构、运动学和机器动力学的基本理论，我校教学体系过去一直以图解法为主，解析法为辅。课程设计作为机械类本科生的第一次课程设计，在我校每年涉及300多学生参与，目的是培养学生联系实际机械进行结构分析、运动分析和力分析的能力，对学生深入理解课程的理论知识、熟练应用辅助设计工具起到积极推动作用[2]。长期以来，我校课程设计选题主要是牛头刨床的运动和动力设计。学生多是参照设计指导书给定的机构运用图解法按部就班完成导杆机构的运动分析与动态静力分析。单一的设计内容、陈旧的设计方法，不能调动学生自主学习积极性，制约了学生创造力的发挥，不利于培养学生的创新思维和实践能力。当今制造业及先进计算机技术的发展，要求培养学生具备综合设计能力。

随着天津科技大学机械工程学院机械类教学改革的不断深入和课程体系的不断完善，通过改革强化解析法，构建基于虚拟样机技术的机械原理课程体系具有重要意义。

二、基于虚拟样机技术的机械原理课程教学改革探讨

改革应以学生为本，革新内容、精炼理论、增强实践，深化教学研究，更新教学观念，依托信息技术，完善教学手段，在现代设计方法与机构分析理论研究成果的基础上，针对课程指导思想、教学内容、教学方式、考核方式等方面进行机械原理课程教学改革研究与实践。

针对机构运动学及动力学分析，以图解法为切入点，增加解析法的讲解，优化课程内容设置，夯实理论基础，形成以解析法为主的机械设计思路。依托先进设计分析手段，将虚拟样机的机构设计及分析方法有机融入课程，创新实践教学模式，以课程设计为载体，推进教学方法改革，提高学生灵活运用计算机辅助技术完成机械设计的能力[3-5]。增强课程教学过程管理与互动，改进课程考核评估方法，锻炼学生自学能力，培养学生团队协作，建立面向实践应用能力培养的考核方法，构建适合该校学生培养方案的机械原理课程体系。建设整体规划如图1所示。

图1 课程改革规划

三、基于虚拟样机技术的机械原理课程教学改革实施

1.理论教学改革实施

将虚拟样机技术引入机械原理课程中，连续两年在2012级和2013级材料成型及控制工程专业开展试点教学及改革。

2015年，对课堂教学内容进行调整，针对平面连杆机构、凸轮机构和齿轮机构设计，强化解析法在机构运动分析及受力分析中的运用，增加解析法的学时，介绍机构各构件运动参数解析式的构建方法和各构件尺寸的求解方法；让学生理解和掌握利用矢量方程、复数、矩阵的解析法开展机构运动分析的基本理论和基本方法，如图2所示。

图2 理论课程改革

解析法的具体实现，需以计算机辅助设计软件为工具，工程软件的熟练应用是提高学生工程能力的重要环节。在课堂理论课程讲解的基础上，向学生介绍UG、SolidWorks、Pro/E、Matlab、ADAMS等计算机辅助设计工具的实体建模及运动仿真功能，调动学生学习积极性并给学生布置软件自学任务。在连杆、凸轮及齿轮三大机构讲解过程中，让学生完成机构设计、建模及运动仿真，根据学生掌握程度，做相应指导，培养学生自学能力，为后期运用计算机进行课程设计奠定基础。

2.课程设计改革实施

传统的课程设计，都是安排在课程结束后学期末两周完成，时间安排较为集中，一方面前期理论知识学生容易淡忘，另一方面各类期末考试分散学生精力，学生常突击式完成设计，知其然不知其所以然，整个过程显得疲惫匆忙，效果不理想，不能有效激发学生创造性思维。此次改革实践中（图3），在课程初期进行课程教学体系讲解并布置课程设计任务，将设计贯穿到理论教学的整个过程，以课外作业形式依次完成连杆机构、凸轮机构和齿轮机构的方案选择及设计。课程设计要完成图纸和说明书，并进行答辩，传统的考核方式基本属于纸面考核，考核内容相对固定，无法很好地体现学生的综合能力。改革实践依据设计任务的分割情况，健全平时考核制度，重在设计每个阶段学生的设计能力和创新能力的考核。

2012级每班择优选择三分之一同学采用解析法进行课程设计，并借助计算机完成机构建模及仿真。对学生进行分组，以组为单位，鼓励每个人参与设计。通过试点发现，采用计算机进行机构设计的同学，有更大兴趣和积极性，学生通过仿真更直观的看到了机构的工作情况，提取了机构各构件位置、速度、加速度及受力大小，收到了良好的学习效果。

图3 课程设计改革

2013级试点过程中，每班扩大到三分之二同学以计算机完成机构设计及分析。通过学生和老师多途径搜集课程设计题目，增加设计性、创新性设计题目，以拓展其学习时间和空间，满足不同学生的要求，实现设计由模仿型变为思考型。为了更好的指导学生，利用网络互动平台实现对传统课程设计指导模式的改革，学生之间的交流和讨论活跃，能及时有效地解决设计过程中遇到的问题，赢得更多时间开展下一阶段的工作。运用不同软件工具得到的结果可以相互验证。部分优秀学生通过运动仿真进行机构方案的选择和确定，通过参数化设计，完成了机构尺寸优化，并通过构件形状设计及材料选择，完成机构动力学分析，掌握了基于虚拟样机技术完成机构设计及分析的能力，创造性思维也得到很好的锻炼。

四、结束语

基于虚拟样机的机械原理课程改革，激发了学生的学习兴趣，学生普遍反应收获较大，学生在学习课程理论内容的同时，掌握了先进的设计方法和工具，提高了科学研究的能力与水平，培养了分析问题、解决问题和科技创新的能力。实践过程中，也发现了一些问题，设计题目还需进一步精心设计，达到综合锻炼的目的，并逐渐将这种理论教学与设计训练融合的创新组织形式推广到更多的专业，培养学生创新和应用能力，适应机械领域的需求。

[1]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]郭卫东，刘荣，李继婷.机械原理课程体系与教学内容的改革与实践[J].太原理工大学学报（社会科学版），2008，26（S1）：8-10.

[3]张毅杰，孔令琼，施杰，等.SolidWorks在机械设计基础课程体系中的应用研究[J].云南农业大学学报，2014，8（1）：67-71.

[4]姚智华，易勇，陈丰，等.《机械原理》课程教学改革与实践[J].安徽科技学院学报，2013，27（5）：74－76.

[5]黄小龙.虚拟样机技术在“机械原理课程设计”教学中的应用[J].中国电力教育，2013（4）：102-103.

（责任编辑：姚歆烨）

Reforming the Mechanical Principle Course Based on Virtual Prototype Technology

WANG Fang,WANG Ruifang,Ping Xuecheng,LIU Hui,ZHANG Linjing
（Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300222,China）

With the progress of teaching team construction and teaching reform in the College of Mechanical Engineering in Tianjin University of Science and Technology，the modern design method and analytical theory of mechanism have become more and more important in the mechanical principle course.Therefore,a curriculum reform based on virtual prototype technology was proposed.In classroom teaching,the analytical method was applied to the analysis of motion and dynamics in plane linkage.The new curriculum combined theory with practice,and introduced virtual prototyping technology into the course.As a result, the interest of the students has been inspired,and their innovation ability and professional quality have improved.

mechanical principle;virtual prototyping technology;analytical method

G642.0

王芳（1982—），女，副教授，研究方向：生物力学、机械CAD/CAE。

天津科技大学青年教师创新基金（教育教学类）（2014JXC01）。