计算机辅助教学在《机械原理》课程教学中的实践

陈红亮

(浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院，浙江 杭州 310018)

《机械原理》课程是工科学校机械类专业的一门重要的基础核心课，主要研究机构结构学、机构的运动学和机构的动力学等三方面内容的分析与综合，培养学生具有对现有机构的结构学、运动学和动力学理论分析能力，以及能够综合运用各方面的知识，创新设计优化新型机构.因此，《机械原理》课题是一门理论和实践高度结合的学科.该课程知识点多面广，理论知识抽象枯燥，教学颇为困难.因此，各高校该课程教师都在研究如何提高该课程的教学效果和教学质量[1-2].

1 传统教学模式分析

传统教学模式以板书加多媒体教学为主，教学过程穿插实验教学和课程设计，对机械机构的运动学和动力学分析采用解析法和图解法[3].传统教学模式不可避免地存在一系列弊端，提高课堂教学效果的改革势在必行.

(1)传统教学模式没有和当代大学生特点充分结合

首先，现在的高等教育是普及化教育，学生知识掌握的基础知识和社会知识差异性较大，这些差异会影响了课堂教学效果.其次，现在的学生学习能力强，吸收新知识快，但实践能力弱，关于机械机构结构学、运动学和动力学等内容缺乏实践验证，多数学生反应本课程抽象、难学.最后，相对于过去精英式教育大学生同期，他们掌握的计算机技术和互联网加技术远超前辈[4-5].

(2)板书加多媒体教学方式采用文字或课件形式

机械机构的运动学和动力学分析与综合采用的图解法和解析法的课件多用PPT制作，图片和文字的结合，机构运动过程难以形象展示，只能用视频或实物模型，效果都不尽如人意.因此这种教学方法属于面对面传统“填鸭式”教学，教学资源过于单一，上课形式过于死板，学生学习十分被动[6].

(3)实验课存在的问题

首先，实验设备属于固定资产，不能随时更新，有的早已经损坏.从而影响学生的动手能力.其次，实验方法死板，实验内容因实验设备而设，内容无法轻易改变.学生按照实验指导书“墨守成规”进行操作就能完成实验.学生独立思考和创造的空间受到限制，学生的求知欲很难激发，学生的实验能力、创新能力和解决问题的能力得不到真正地培养[7].

(4)课程设计存在的问题

首先，设计题目老套，而且每届学生都是相同题目，不适应时代变化要求，不能激发学生的兴趣.其次，全班或者多人题目相同，没有做到因材施教.最后，课程设计往往不能充分体现课程内容的全局和重点，淡化了课程的精髓.比如课程设计指导书已经拟定了传动方案，学生按部就班进行设计，不会充分思考机构传动形式的多样性，无法激发学生的创新.这些问题的存在引起学生正确理解机械原理[7].

2 计算机辅助教学和项目制教学相结合的教学模式

随着三维技术CAD和CAE、虚拟现实、大数据技术等计算机技术的发展，借助于CAE软件的计算机辅助教学(CAI)已在各门学科获得广泛开展应用.应用较为普及的CAE软件有Pro/E、UG、ADAMS等都可以满足机械原理的辅助教学要求.

《机械原理》课程的教学中，由于采用图解法和解析法教学，容易出现工科教学理科化的现象，导致知识僵化，很多学生不知其所用.因此为了促进学生掌握基础知识，提高学生解决实际问题的能力，激发学生主动学习，课程理论教学以项目制教学方式教学，从而提高课程教学质量[8].

项目制教学体现以学生为中心，项目为载体来实施教学的教学模式.以《机械原理》的课程教学为例，内燃机作为《机械原理》课程中常规内容可以作为主项目，内燃机中包含的《机械原理》经典三大机构：连杆机构、齿轮机构和凸轮机构作为子项目.教学过程中理论联系实际，分别讲解各子项目的运动分析和动力学分析等.通过这样实际的项目案例教学，促进学生掌握基础知识，提高基本技能，并举一反三，拓展学生知识面，培养学生自主学习和知识应用的能力[8].

项目制教学和计算机辅助教学两者并不矛盾，可以相辅相成.本文将以美国MSC公司的ADAMS软件为例展开计算机辅助教学项目制教学方法.

3 计算机辅助教学的项目制教学实践

ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，是美国MSC公司开发的虚拟样机分析软件，非常适合于《机械原理》的教学[9].

下面以内燃机项目为例，内燃机结构(见图1).

图1 内燃机结构示意图

内燃机工作原理是活塞往复运动带动曲轴旋转，从图1可以看出，内燃机结构上有凸轮机构，飞轮带动的齿轮机构以及曲柄连杆机构.所以该项目可以分为3个机械原理小项目，本文仅分析曲柄连杆机构.

汽车内燃机中的曲柄连杆机构为曲柄滑块机构(见图2)，曲柄对应内燃机曲轴，连杆对应连杆，滑块对应活塞.曲柄和机架、曲柄和连杆、连杆和滑块之间连接是转动副，滑块和机架之间连接是移动副.

图2 曲柄滑块机构示意图

ADAMS软件中提供了转动副、移动副等各种运动副，在教学过程中可以演示各种运动副的功能及其特点，对于缺少实践的学生来说，可以获得更多的感性认识，从而提高对机械原理的认识.建立曲柄滑块机构的ADAMS模型(见图3).

图3 曲柄滑块机构的ADAMS模型

3.1 自由度计算

机构中各构件相对于机架所具有的独立运动数目称为机构的自由度，用F表示，F>0表示机构具有原动件，可以让机构有效运动.

对于平面机构，则：

F=3n-(2PL+PH)=3n-2PL-PH

(1)

式中：n—活动构件个数；

PL—低副个数；

PH—高副个数.

所以对于曲柄滑块机构，有3个活动构件和4个低副(3个转动副和1个移动副)，没有高副，故其自由度为F=3×3-2×4=1.

也就是说该机构具有一个原动件.

1自由度的计算结果在ADAMS软件中的验证(见图4).

图4 ADAMS软件中机构验证

从图中可以看出，该机构具有3个活动构件，3个转动副和1个移动副，具有1个自由度.

3.2 机构运动分析

图2建立了机构运动分析的直角坐标系，坐标系原点为A点，X轴、Y轴正方向如图所示，那么在任意瞬时t，C点的向量方程为：

(2)

那么，C点向量方程在坐标轴上的投影：

x=r2cosθ2+r3cosθ3

(3)

y=r2sinθ2-r3sinθ3

(4)

根据几何学可知：

sinθ3=(r2/r3)×sinθ2=λsinθ2

(5)

所以：

(6)

式(5)中，λ=r2/r3是曲柄长与连杆长之比.将式(6)代入式(3)，并假设θ2=ωt，ω为曲柄角速度，就得到了滑块的位移运动方程：

(7)

实际工程应用中，λ取值通常在1/6～1/4之间，因此式(7)中将根式展开成λ2的幂级数，忽略λ4起的各项幂级数而作近似计算可得：

x=r2cos(ωt)+r3[1-0.5λ2sin2(ωt)-

0.125λ4sin4(ωt)+……]≈

r2cos(ωt)+r3-0.5r3λ2sin2(ωt)=

r2cos(ωt)+r3-0.25λ2[1-cos(2ωt)]

(8)

x≈r3(1-0.25λ2)+
r2[cos(ωt)+0.25λcos(2ωt)]

(9)

式(9)中x对时间分别求一次导和二次导，得到相应的滑块C速度和滑块C加速度运动方程的表达式：

(10)

(11)

以上是数学理论分析，讲解过程颇为复杂枯燥，不宜吸引学生.下面用ADAMS进行一个周期的仿真模拟验证，结果(见图5).

从图中可以看出，曲柄以恒定的角速度匀速转动上，滑块的位移、速度和加速度曲线(见图5)，从图中可以看出，虽然曲柄角速度匀速转动，但滑块的速度却是变化的，反之亦然，所以为了保证汽车行驶过程的平稳性，内燃机宜采用多缸形式.

ADAMS软件的优化功能，限于篇幅，不再一一介绍.

图5 曲柄的角速度、滑块位移、速度和加速度随时间关系曲线

4 结 论

本文针对当前大学生特点，结合社会生活中实际，提出以项目制教学为主、并辅以计算机辅助的教学模式.该教学过程中旁征博引，声图并茂，既弱化了枯燥乏味的公式证明，避免工科学生理科化；又强化了学生机械系统软件的学习，可以刺激学习兴趣，引导学生主动学习，提高课堂教学效果，达到教学目的.

[1] 殷勇辉，高 志，章兰珠.提高机械原理课程教学质量的思考与实践[J].中国大学教学，2014(6):57-59.

[2] 蔡冰倩.面向MOOC的机械原理动态教学系统的设计与开发[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[3] 赵永杰，程西云.机械原理课程探究式教学改革与探索[J].大学教育,2014(5):141-143.

[4] 于晓红，王小群，邱丽芳.机械原理与机械设计课程体系的优化整合[J].中国大学教学,2008(7):34-36.

[5] 申 燚，王明强.机械原理课程“三位一体”教学的探索与实践[J].装备制造技术,2012(2):184-186.

[6] 郭红利，张李娴，张军昌.机械原理课程教学体系改革的探索[J].高等农业教育，2011，6(6)：59-60.

[7] 何玉林.“机械原理”课程实验教学的现状分析与改革[J].高教论坛,2014(10):25-28.

[8] 王红志，李积彬，费跃农.基于CDIO能力培养的机械原理课程项目实践[J].高教论坛,2009(4):25-27.

[9] 宋少云，尹 芳.ADAMS在机械设计中的应用[M].北京：国防工业出版社，2015.