基于现代信息技术的机械类课程改革与实践

朱立达 巩亚东 史家顺

摘 要 针对机械类课程在教学过程中教学内容抽象、教学方法不直观和教学实践性强等特点，采用现代信息技术对机械类课程中复杂产品设计、机械加工过程、机械振动控制以及加工表面质量等知识点进行建模和仿真，以数学模型、力学模型及控制模型为基础，以仿真数据和实验数据的图形可视化为量化效果，有效提高教学质量并增强教学直观性。通过该类课程改革与实践，充分体现教学与科研有效结合、虚拟与实验紧密结合，使学生能够真正感受和理解工程实际设备及装备的原理及工作过程，明确掌握机械类课程的基本概念的真实含义，以提高学生对该课程的学习兴趣和对课程内容深刻正确理解与掌握程度，并为该课程全面提高教学质量奠定基础。

关键词 机械类课程；教学改革；建模与仿真；信息技术

中图分类号：G642.3 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）16-0114-05

1 引言

近年来发布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》及《中国机械工程学科教程》都指出：教师要把教学作为首要任务，不断提高教育教学水平；加强实验室及实习基地等教学基本建设，并深化教学改革。因此，在现有教学条件下利用现代信息技术加强机械类课程实践教学条件建设，改善实践教学效果的研究与实践，是非常必要的[1-3]。

机械类课程的特点是实践性强，要求理论学习与工艺实践的关系非常紧密；但实施新培养方案后，导致课时少，内容多，理论学习与工艺实践常常脱节，造成教学内容抽象和不直观等弊端[4-5]。随着数字化技术的不断发展，机械类课程的教学中引入现代信息技术，将有效辅助课堂教学和实验教学，从而增强教学效果并优化教学资源，从而提高机械类课程的教学质量，提高学生的全面素质，培养高层次的全面发展型人才[6-7]。

目前在国外的一些课堂，尤其是提倡多样化与个性化的美国等发达国家，都非常注重现代信息技术在机械类课程的应用，如一些教师在讲课时利用计算机辅助教学手段，模拟现场加工场景和绘制三维模型，在多媒体课件上将文字、动画和声音有机地结合在一起，加大课堂教学的信息量，提高了学生的学习兴趣，加深了学生对于抽象知识的理解[8-10]。

本文通过采用现代信息技术对各实际装备工作过程中受力、热及振动等进行仿真分析，从而来提高学生对课程相关内容的认知能力，也为建模与仿真技术在专业课教学改革中的应用进行有益探讨和尝试，可以极大提高学生的上课积极性，加深学生对机械设计与制造学科复杂原理的理解，还可以使学生对机械类课程更感兴趣。同时会加强学生对数字化建模和仿真的兴趣，真正实现制造业继续朝信息化、知识化、极端化和绿色化的趋势发展。

2 改革内容与改革目标

首先对现代信息技术在机械类课程教学中的应用开展研究，了解学生对工程实际知识的认知障碍，确定现代信息技术应用的方案和具体实现方法，对机械类课程中涉及工程实际的感知认识且学生不容易深入理解的内容，如机床设计、机床夹具、金属切削过程以及机床运动、机器装配等，和重要的机械加工工艺的基本概念，进行选题和数字化建模与仿真技术应用设计，以开发出相关的三维模型、力学模型及控制模型等仿真结果和可视化课件，应用于机械类课程教学之中。

1）通过该改革的开发和研究，使学生能够真正感受、理解工程实际设备及装备的原理与工作过程，明确掌握机械制造工艺基本概念的真实含义，以提高学生学习专业课的兴趣，深刻正确地理解与掌握课程内容，并为课程全面提高教学质量奠定基础。

2）通过该改革的开发和研究，教学中将常用的设计方法和工艺方法等演示得一目了然、真实生动，使学生有一种身临其境的感觉，从而既较好地理解工艺方法，又了解实际生产过程，提高学生对机械行业及未来职业的认识，增加对机械专业课的兴趣，使学生早日做好生涯规划。

3）充分体现了虚拟与实验的紧密结合、教学与科研的紧密结合，使学生早日了解科研的手段和方法，初步了解科研过程，为国家培养高层次人才奠定基础。

3 改革实施方案及实践过程

1）创建机械类课程的三维建模与仿真平台。利用现代信息技术对相关教学内容进行二次开发，实现各类机械类课程典型实例在虚拟环境下的可控操作，形成直观生动的教学案例，实现教学内容的整体优化。通过三维建模与仿真平台创建的静态或动态的三维物体模型及仿真结果，所传递的教学信息更为逼真，更能够吸引学生的注意，给予学生视、听、触觉多方位的感官刺激，这种方式更有表现力和感染力。充分挖掘三维动画方面的技术优势，以多形式、多角度呈现教学内容，并以虚拟现实课件的建设为重点，实现教学手段现代化。在教学的同时为学生提供二维码扫描打开链接下载的方式供其下载，以便其课下学习。

2）搭建简易的机械类课程三维交互协同设计平台。通过搭建简易的三维交互协同设计平台，突破传统设计实践的时空限制，满足学生个性化的自主性开发与设计，从而有利于学生创新思维和自主学习能力的培养。

3）课题研究以课程组的团队形式打造，拟形成一支知识结构合理、专业优势互补、理论素养与实践能力俱佳的师资队伍。

4）采用现代信息技术，对机械类课程中复杂产品设计、机械加工过程、机械振动控制以及加工表面质量等知识点进行改革与应用。

具体实施过程及展示如下。

机械产品生产过程建模及可视化 目前，绝大多数教材在讲述机械产品生产过程时，都是以文字或简单框图形式给学生讲解，而对缺少实际经验的学生来讲，一些概念或名词解释空洞乏味，很难将有效信息理解和记住。通过将图1所示机械产品设計及制造过程建模及可视化过程展示给学生，让学生对设计、制造、测试、产品定型等狭义机械设计及制造过程加深理解。

金属加工过程的可视化仿真分析 图2为金属加工过程，是利用机械能依靠刀具切削（磨削）刃在毛坯表面切除材料，进行零件加工工作。目前，学生遇到的难点是塑性材料的切屑形成过程、金属磨削过程。图2（a）为传统二维切削静态图，刀具前角和后角、三个变形区及剪切带等只能靠文字或语言讲解；图2（b）为三维模型及切削过程，可以让学生快速掌握切屑形成过程及工艺参数影响规律，比如三个变形区产生位置及大小、前角和后角的变化对切削力和切削温度影响、切屑形成种类、切削三要素对工件应力应变的影响等；图2（c）为传统磨削静态图，磨粒大小和数量及磨削用量对表面粗糙度及磨削力影响规律很难让学生理解和消化；图2（d）为三维动态磨削仿真，学生利用磨削仿真系统可以很容易掌握通过改变不同磨粒数、粒径参数、磨削速度、磨削深度等工艺参数对工件表面几何形状特征的影响规律；图2（e）为虚拟加工仿真与实际对比分析图。

机械加工过程振动机理及颤振稳定性仿真分析 目前，学生遇到的难点是强迫振动和自激振动特点及其振动机理。图3为机械加工过程振动及颤振稳定性，其中，图3（a）为机床主轴由于旋转不平衡造成强迫振动，通过建模与仿真技术分析，可以获得主轴薄弱环节和不平衡位置；同时可以通过多次仿真分析，获得工艺系统参数对固有频率的影响规律，具体详见图3（b）；图3（c）为原加工自激振动原理图，这种方式仅仅能告诉学生系统是否稳定，其原理并不能讲清楚；图3（d）为新加工自激振动原理图，通过仿真出传递函数和叶片图，将固有频率与颤振稳定性结合在一起，可以看出颤振产生的真正原因及其稳定临界区域。因此，通过建模与仿真技术的引入，让学生更加容易理解和消化相应知识点，从而提高教学效率和质量。

机械加工表面粗糙度理论模型及仿真分析 目前讲述表面粗糙度概念及理论分析，绝大多数是以文字或简单加工原理图给学生讲解，这些理论及各因素影响规律很难让学生快速理解和留下深刻印象。图4是机械加工表面理论仿真與测量分析，可以利用仿真系统获得不同影响规律，同时增加实验测试数据加以验证，使学生能有效地理解及快速掌握该知识点。

4 改革特色与创新

1）改革角度新颖、独特。结合挖掘机械类课程教学特色，利用现代信息技术优化课程内容，注重个性化、情境化教学，推进教学方法和教学手段的改革，逐步建构新时代背景下的工程技术类课程体系，让机械专业教学在最新的数字化建模与仿真技术辅助下取得更好的效果。

2）虚拟与实际融合、教学与科研结合。通过虚拟仿真方法与实际测量有效结合，增强了学生快速理解，留下深刻印象；另外，取得的科研成果与教材内容有效结合，加深学生对知识点的理解，并提高了学生的动手能力。

3）教学系统中的相关产品和实验设备是由专业软件根据产品和设备的相关参数通过计算机三维建模形成的，这种虚拟产品或设备可以在很大程度上提高学生在工程技术实践环节的认知程度，减少实际实验设备的通入与管理空间，节约资金，改善了实验条件。

4）虚拟的实验环境能向具体的实验者提出具有针对性的实验要求，并可以满足不同类型的实验。在实践教学中，学生或教师可根据不同课程或不同章节的实验参数与实验要求，定制不同的虚拟实验产品或设备和实验场景，有助于学生加深对机械专业课实践环节的切实认知程度。

5）机械类课程三维建模与仿真平台可通过网络实现区域共享甚至可以全国共享，不同地域的学校中的学生可以进行相同的虚拟实验，彼此交流。

5 结论

采用现代信息技术对机械类课程中复杂产品设计、机械加工过程、机械振动控制以及加工表面质量等知识点进行建模和仿真，可以有效提高教学效率并增强教学直观性。另外，机械类课程中的工艺流程、机床夹具、加工精度、机器装配等教学内容，都可以通过该方法来实现。因此，该课程数字化和可视化的实施，对机械类专业课程的教学改革具有一定的借鉴价值。

课件内容以教学与科研相结合，将科研中获得的仿真和实验数据以图片与视频的形式生动地展示给学生，并使其产生浓厚兴趣，不仅能让学生及时掌握知识和消化知识，而且能让学生更直观地掌握知识点的内涵和外延，因此有效提高学生分析问题和独立解决问题的能力，并为学生提高创新思维和创新能力提供有力支撑。

参考文献

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