虚拟样机技术课程教学改革与实践研究

杨代云 毕仁贵 吴启舟 肖雄

摘 要：局限于传统虚拟样机技术教材的学习，学生仅能初步掌握虚拟样机软件操作基本步骤，学习自主性和热情不高。教学改革强调学习自主性、分析解决工程实际问题能力。实践证明，课前学习虚拟样机技术教材基础案例，课堂重点分析工程实际案例，激发了学生的学习热情，师生课堂互动交流频繁，课堂气氛活跃，对于培养学生学习兴趣、团队合作能力、工程分析能力以及综合专业素养具有重要价值。

关键词：虚拟样机技术;教学改革;工程实际案例

1 引言

如何在短期内开发出功能完善的机械产品，是很多企业面临的一个问题，虚拟样机技术的出现给机械产品设计带来了方便。随着产品竞争的激烈化，虚拟样机技术不仅能帮助產品设计者在较短时间内完成产品设计，还能保证产品良好的工作状态和使用寿命，满足消费者个性话的需求，更容易被市场接受[1]。

我校机械系虚拟样机技术课程是为机械设制造及其自动化专业和机械电子工程大学本科生开设的一门专业选修课，每年学习该课程的学生约为80人。课程要求学生在熟练掌握CAD三维建模软件、机械原理、机械设计、测试技术等专业知识的基础上，能较熟练地利用所学虚拟样机技术知识分析问题。目的是培养学生理论联系实际能力，对学生深入理解课程理论知识，熟练应用辅助设计工具起到积极推动作用。

随着吉首大学机械系相关专业课程不断完善和教学改革不断深入，通过教学方法改革与实践研究，对于创建适合当代机械产品设计需求的虚拟样机授课模式具有重要意义。

2 虚拟样机技术概述

虚拟样机能够反映实际产品的特性，可以对产品的寿命、使用、功能、设计等进行测试，从而大大提高产品性能[2]。

机械产品的虚拟样机是一种计算机数据模型，课程教学中使用的虚拟样机软件为： ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），即机械系统动力学自动分析[3]。该软件现在为美国MSC公司开发的虚拟样机分析软件，目前，我国主要汽车等制造企业也采用该软件建立整车或关键零部件虚拟样机[4]。

3 虚拟样机技术教学试点实验

3.1 教材的使用

我校机械系学习了虚拟样机课程的班级有2016级机械1-2班和2017级机械1-2班。

2017级学生为第一届学生，通过一个学期的授课发现以下问题：

（1）教材案例过于简单。例如曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、压力机构以及凸轮机构等简单机构虚拟样机创建，创建方法仅为使用软件中提供的圆柱、方块等零件创建模型，与装备实际外形差距较大，案例物理意义不强，学生对虚拟样机核心内涵理解不深刻。对于实际当中包含复杂外部形状的零部件产品虚拟样机创建案例较少。

（2）虚拟样机创建过程中运动副创建和参数填写没有过多注释说明，学生根据步骤完成虚拟样机创建，不明白相关参数配置方法和原理，基于课时限制，课堂上讲解基本原理时间有限。例如：弹簧的阻尼值、接触参数设置等问题。

（3）例题虽配有详细操作过程，但缺少相关操作步骤的注释和案例拓展。

针对2017级学生学习方式以及学习效果，现已在2016级进行教材改革试点教学。具体方式为：

（1）教材内容为辅，根据上课要求，学生课前熟悉软件基本操作步骤。

（2）教师根据自身项目经验以及网络资源准备合适的工程案例，制作相应学习任务要求，课堂上学生根据任务完成学习要求。例如本学期已开展了：搬运机器人、焊接机器人、越障小车、投篮模型以及汽车独立悬架系统等工程案例学习。学生熟练运用了球绞副、万向节、胡克副、平面副以及STEP函数、IF函数、SPLINE等函数的实际应用场所，和课本上简单模型相比，这种方法能拓展学习广度和深度，激发了学生学习热情。

3.2 学生的学习方式

对于2017级机械学生学习方式：

（1）绝大部分同学限于课堂上教材案例学习，缺乏主动思考和创新思维，对于教材案例，只知其一不知其二，脱离教材后，学习任务完成质量不佳。

（2）学生不能将学习到的技巧整合起来解决实际问题，课堂上所有学生表面上都完成了学习任务，但未能将所学的知识融会并利用起来，期末测验效果不佳。

针对2017级学生学习方式以及期末测验表现，现已在2016级班级进行教学方式改革试点教学。

具体方式为：

（1）学生课前做好预习工作，课堂上根据教师提供的学习任务和简单注意事项，独立完成学习任务。

（2）学习过程中碰到的问题及时与老师或同学交流，并在课堂上将学习结果交于教师检查指出问题。

该种学习方法对于学习自主性强的学生，有较好的学习效果，课堂气氛活跃，学生学习欲望强烈。出现的问题：对于学习自主性稍差的学生，主要表现为跟不上，部分学生经常出现延迟甚至抄袭作业的情况。

4 虚拟样机技术课程教学改革

对比总结2017级和2016级学生的学习效果，未来2018级虚拟样机教学方法具体如下：

4.1 教材的利用，发挥学习自主性

将教材内容分为自主学习部分和重点学习部分。

（1）自主学习内容：课本上基础内容，如零件库的使用，连杆、球、方块、拉伸操作的学习;简单运动副创建，转动副、移动副、转动副的创建，这部分内容学生课前自主学习教材掌握。

（2）重点学习内容，如参数化设计、结构优化设计、函数的建立、柔性体建模和振动特性分析等内容。教师将案例操作过程以及要点录制成视频，并制作相应任务要求和简单的提示资料，学生课堂上根据学习任务独立完成相关案例，教师随时解决学生提出的问题，课堂检查学生完成情况，同时指出相应问题。课后将提前录制的视屏发送给学生，要求学生课后观看，并改进课堂上创建的模型，将改进后的虚拟样机上交检查。

4.2 实际案例，激发学习热情

教师根据自身项目经验以及网络资源准备合适的工程案例，制作学习任务和提示资料，课堂发送给上课班级。学生课堂操作前，充分讲解实际案例的工况以及注意点。如图1所示：在讲解运动副和参数化建模案例应用的汽车悬架系统，结合实际悬架照片让学生了解悬架结构、工作模式、常见问题以及虚拟样机创建要点。让学生感体会虚拟样机技术对于解决实际问题的便利性，激发学生的学习热情。

如图2所示，讲解越障小车实际案例，结合实际问题给学生介绍汽车离去角、接近角以及底盘的相关知识，能极大提高学生的学习热情。

4.3 因材施教

根据课堂表现和课后作业完成情况，制定特别帮扶名单。课堂中，老师对这部分同学要特别关注，及时了解这部分学生出现的问题，并及时指出。课后，选定班级中学习能力强的同学对其进行一对一帮扶指导，确保学习过程的完整性，避免出现抄袭等现象。

5 总结

传统的授课方式重点在于教授学生掌握虚拟样机软件（ADAMS）基本操作，例如简单零部件、连接、驱动以及测量的创建，很难激发学生学习自主性和创造性，学生学习效果不佳，不能将课本知识拓展应用中去。

基于虚拟样机技术课程改革和实践研究激发了学生学习自主性和积极性，在学习了虚拟样机基础知识的同时，还大幅度提高了机械产品的研发手段，例如越障小车、悬架系统等案例学习，培养了学生发现问题、分析问题、解决问题以及理论联系实际的能力。与此同时也发现了一些问题，教学方法和手段还需要进一步细化设计，保证所有学生均能达到良好的学习效果，适应机械行业的发展需求。

基金项目：吉首大学教改项目（2019JSUJGB09），吉首大学实验教改项目（2018SYJG005）;湖南省新工科研究与实践项目“民族地区高校推进物理学科赋能机械工程创新人才培养的探索与实践”（湘教通〔2020〕90号）。

参考文献：

[1]虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程（第二版）[M].北京：郭卫东，2018：1-12.

[2]孙志宏.提高学生创新能力改革机械原理课程设计[J].实验室研究与探索，2007，26（11）：98-100.

[3]田国松. 虚拟样机技术及其在工程机械领域的应用[J]. 居业，2019，85-86.

[4]王詩杨. 面向虚拟样机的工业设计研究与实践[D].重庆：重庆大学，2002.