仿真软件在《机械原理》新工科教学改革中的应用

王辉 郑竹安　刘行　邹大庆

摘 要：信息技术的发展不仅丰富了现代教学手段，提高了教学效率，同时也加快了学生学习的节奏，怎样更加充分的利用现有教学资源，使得各门课程相互衔接并彼此支撑是进一步需要思考的问题。文章以《机械原理》课程中四杆机构的教学内容为例，利用动力学仿真软件对四杆机构的急回特性和曲柄存在条件加以讲解。从学生发展的角度出发，课堂从多媒体教室改成了专业机房，教师的个人讲授改为学生在教师的引导下利用工程分析的观点自主探索课程中重难点问题，教学改革的目标是在此过程中培养学生学以致用以及用工程思想分析解决问题的观念。

关键词：新工科 课程改革 机械原理 四杆机构 仿真软件

1 引言

随着科学技术的飞速发展，二十一世纪信息革命改变了人们生活的方方面面。以计算机为代表的电子产品的普及应用给人类的生活带来极大的便利和快捷，加速了文化知识的传播和共享。通过计算机和互联网人们可以非常便利地查找所需知识，也可以方便地参加各种网络课程的学习，从而提高各方面的技能和素养。

借助于计算机技术，教师的授课方式也发生了较大改变[1]。早期的课堂教学教师主要通过黑板板书进行讲解，然而板书的书写占用了大部分上课时间。另一方面，对于专业课而言仅通过板书很难将复杂的运动关系形象地表达清楚，所以不仅花费的时间长而且授课得不到很好的效果。随着信息技术的发展，大部分教师采用多媒体结合板书的方式进行授课，多媒体已成为一种非常重要的教学手段。借助于多媒体教师在课堂教学前能够充分准备教学内容，例如收集各种类型的资料包括图片和视频等，再将形象生动的素材融进幻灯片中。在讲授知识时教师只需将精力集中于对知识本身的理解，仅对重难点内容使用板书进行详细讲解，这种授课方式大量减少了板书的书写时间，有效减少了学生注意力的分散，从而极大地提高了上课效率。然而，此种教学模式的改变，也使得学生学习方式发生了变化。因此，在新工科背景下出现了多方面的教学改革，如建立物联网实验教学平台采用多样式教学法[2]；为提高学生对理论知识的理解水平和学习能力，增加工程设计和创新实践[3，4]；以及与创新项目相结合的教学方法，在教学中融入教师的科研项目等尝试[5]。

2 学情分析

虽然多媒体教学方式极大地提高了教师教学和学生学习的效率，但是由于课堂节奏加快，使得许多学生很难在课堂上迅速理解幻灯片中的内容，他们课后需要花费大量时间进行知识点的复习巩固。同时，大学里的课程非常多，学生课后需要复习多门课程，采用什么方法可以将各课程联系起来进行协同育人，实现“教学并重、主体突出”，既提高学习的量，同时也能保证学习的质是现代化教育需要解决的问题[6]。

以下从社会对人才需求的角度出发进行分析，对于工科院校大部分工程类专业学生而言，从学校毕业后从事各方面的专业工作，遇到的问题往往是如何运用专业软件从事相关的设计、研发和生产工作。在信息技术如此发达的今天大部分高科技企业设计研发都需借助于专业的工具软件，然而大部分软件学生在学校里没有接触过。因为工作岗位上没有老师教，所以大部分刚毕业学生需要花费大量时间进行摸索。既然专业软件对生产力发展起到重要的推动作用，而且也是企业所需，那么也可将之用于大学课程的教学中，一方面辅助教学，另一方面为学生的就业提供铺垫[7]。

基于此种设想我们尝试将工业应用中常用的动力学仿真软件Adams引入到《机械原理》课程的教学中来。其中，《机械原理》是机械类专业一门必修的专业基础课程，主要包括各类机构的组成、运动学、动力学等内容，研究常用机构的运动、动力性能分析以及传动方案设计等问题，是理论性和实践性结合比较强的一门课程。课程中介绍的各类机构在工程实践中有着广泛的应用实例，掌握这些机构学分析的基本理论知识是拟定机械运动方案和设计机器的基礎。本文以平面四杆机构内容为例，应用Adams软件进行四杆机构相关特性的分析和讲解，使课堂教学更加生动形象，也使学生更加容易地理解四杆机构复杂的运动特性，培养他们使用计算机进行机构分析和设计的能力，同时也培养学生的工程意识，使得他们踏上工作岗位后更加从容地应对相关设计研发工作[8，9]。

3 课程教学改革实例

3.1 四杆机构的基本内容

平面四杆机构基本特性是《机械原理》课程第8章连杆机构及其设计第二小节的重要内容，这一章共分成四小节介绍连杆机构及其设计内容，第一小节初步介绍连杆机构及其类型与应用，接着第二小节讲解平面四杆机构的基本特性，第三节使用图解法和解析法进行平面四杆机构的设计；第四节简要介绍平面多杆机构和空间连杆机构。从各小节的关系可以看出，第一小节的内容介绍是为讲解平面四杆机构的基本特性打好铺垫，第二小节对基本特性的讲解是对平面四杆机构的进一步深入分析，第三小节的内容是对第二节内容的延伸，第四节的内容介绍是对连杆机构知识的扩展。从章节知识的布局可以看出平面四杆机构的基本特性是本章节的核心内容，同时也是同学们学习四杆机构的难点。

3.2 传统课堂教学设计的优缺点分析

平面四杆机构是《机械原理》课程中比较常见的一种机构，结构相比其他机构简单，但通过四杆机构可以发展出许多结构不同的机构，包含了丰富的机构学设计思想。平面四杆机构关键知识点主要包括铰链四杆机构曲柄存在的条件、铰链四杆机构的急回运动和行程速度变化系数以及铰链四杆机构的传动角和死点等。传统的教学设计为：第1部分是问题的引入，在此过程中注意到与上次课内容的衔接，首先简要回顾了四杆机构中机架、连杆、曲柄、摇杆等基本杆件的定义和特点，从而为介绍曲柄存在的条件做好铺垫。第2部分接着介绍铰链四杆机构曲柄存在的条件。第3部分是在此基础上分析铰链四杆机构的急回运动特性，并定义行程速度变化系数来评价急回运动的程度。第4部分介绍铰链四杆机构的传动角和死点的概念，让学生更加深入的认识铰链四杆机构的特点。最后第5部分对本次课的内容加以总结和回顾。其中，曲柄存在的条件通常利用数学推导的方法讲解，虽然比较严谨，但是也使得教学内容过于枯燥乏味，缺乏生动形象，不易调动起学生的学习兴趣。因此，我们尝试利用理论结合实验操作的方法精选这一节的内容作为课程教学改革的试点，以下作详细介绍。

3.3 应用仿真软件讲解四杆机构

3.3.1 建立四杆机构三维几何模型

与前期学习的建模课程相衔接，首先，通过让学生使用学习过的三维建模软件如UG、Catia、Pro/E等软件建立四杆机构的几何模型，所以上课的地点从多媒体教室改成专业机房。教学目标包括复习前期课程所学知识，增加学生对所学知识的理解，同时锻炼他们学以致用的思维，培养他们用所学知识解决工程问题的科学观念，图1是学生使用Pro/E软件建立的四杆机构三维几何模型。在此基础上运用Adams软件进行动力学仿真分析，虽然此时学生没有接触过动力学仿真软件，但在四杆机构的讲授过程中，通过教师简要介绍仿真软件的使用方法，再以四杆机构为实例加以仿真分析，既可以把理论的知识显性化，又让学生了解的仿真软件的基本功能和使用方法，起到了相互促进的效果。

3.3.2 四杆机构的动力学特性仿真分析

虽然通过课堂上教师的讲解可以使得学生基本理解四杆机构的受力和运动形式，但缺点是只能停留在对某一瞬态过程的理论分析，学生很难全面理解在完整的运动过程中四杆机构力、角速度、角加速度等参数的连续变化。

如图2所示曲柄摇杆机构中急回特性的概念，使用两种教学方法作一比较说明：

教学方式1：通过公式1的推导可以得到进程和回程的平均角速度，并利用式2急回速比系数作为衡量急回特性的指标，可以说明摇杆回程运动的平均角速度大于进程平均角速度，此种教学方法基本可以使得学生了解曲柄摇杆机构存在急回特性现象。

教學方式2：通过简要的介绍Adams使用方法后，学生使用仿真软件可以得到如图3所示当曲柄以30deg/s角速度转动3圈时摇杆在进程和回程过程中角速度瞬时变化曲线，会促进他们对于急回特性的深刻理解。因为仿真曲线是学生自己实践得出的，会激发他们对于四杆机构动力学问题的兴趣，当他们以后遇到类似的运动分析问题时也会更加全面的思考问题，而不仅仅停留于对公式的理解[10]。

3.3.3 四杆机构类型判断

在介绍四杆机构的种类时，通常是以理论分析的方法进行讲授。如图4所示，首先理论分析曲柄存在的条件，要使得曲柄存在必须使得曲柄AB能够运动到AB1和AB2两个水平极限位置，此时四杆机构组成了两个三角形B1C1D和B2C2D。再根据三角形存在的条件推导出相应的不等式，当AB运动到AB1时存在不等式3，当AB运动到AB2时存在不等式4，由式3和式4可以进一步推导出不等式5，即四杆机构曲柄存在的杆长条件，用文字表述为四根杆件中最长杆和最短杆长度之和小于另外两杆长度之和。不等式5是曲柄存在的“必要条件”，通过板书的讲解学生基本理解以上内容。曲柄存在的充分条件是“机架条件”，即要使得最短杆或其临杆为机架才能满足曲柄存在的充分条件，教师通常只能按照图5所示“照本宣科”。即存在3种情况，当最短杆作为连架杆是曲柄摇杆机构，当最短杆作为机架是双曲柄机构，当最短杆作为连杆是双摇杆机构。然而，学生一般不太容易理解，所以只能强记结论。如果我们在动力学仿真软件中让学生以不同杆件作为机架进行动力学仿真，得到如图6所示整个运动过程，那么他们对曲柄存在的充分条件会有更深刻的认识。

4 总结

信息技术的发展给大学课堂带来很多变化，借助于多媒体设备课堂教学形式更加丰富，也使得教学的效率大为提高，同时也改变了学生学习的方式，使得他们必须加快学习节奏，同时他们课后复习的压力也更大。考虑到大部分工程类专业学生毕业后从事工程设计相关工作，因此，我们尝试在课程教学过程中使用常用的仿真软件作为分析的工具，一方面避免他们踏上工作岗位时需要花费大量时间摸索软件的使用方法，另一方面也使得课程教学内容更加生动形象而便于学生理解，同时也培养了他们用工程的观点来学习课程中的理论知识。《机械原理》课程中还有许多机构可以借助分析软件进行仿真教学，本文仅以工程中常用的Adams软件为例讲解曲柄摇杆机构急回特性和四杆机构类型这两部分内容，对于四杆机构压力角和传动角的概念同样可以使用动力学仿真过程中连杆的受力曲线进行讲解。

基金项目：盐城工学院教改项目“分层培养，赛练促学”应用型本科汽车人才培养模式探索与实践（JXCC-2020B17）；江苏省产学研合作项目（BY2020671）；盐城工学院校级科研资助项目（xjr2020033）。

参考文献：

[1]王晓荣.“互联网+教学”背景下机械原理课程教学改革探究[J]. 陕西教育：高教版，2019（11）：46-48.

[2]申会鹏，曹毅，丁浩，等. 新工科背景下的机械原理课程改革初探[J]. 机械工程师，2022（7）：46-49.

[3]彭飞，方芳，刘丹，等. 新工科背景下机械原理课程教学模式探索与实践[J]. 中国现代教育装备，2022（3）：82-84.

[4]赵荣荣，魏红梅，张炜炜. 以学生能力培养为中心的机械原理课程教学改革[J]. 汽车实用技术，2021，46（13）：150-152.

[5]刘万锋，曾斌. 与机械产品项目相结合的机械原理课程教学改革[J]. 科技资讯，2020，18（35）：127-129.

[6]高丽敏，赵磊，曹志远，等.“教学并重，主体突出”的叶轮机械原理课程改革[J]. 高等工程教育研究，2019（S01）：97-98.

[7]张磊，于涛，马国清，等. 基于工程教育专业认证的“机械原理”课程教学改革探索[J]. 科教文汇，2020（11）：67-70.

[8]苏昭群，黄舒彦，陈金兰，等.“新工科”背景下的机械原理课程改革——以福建农林大学金山学院为例[J]. 长春工程学院学报：社会科学版，2021，22（4）：129-131.

[9]彭飞，方芳，刘丹，等. 新工科背景下机械原理课程教学模式探索与实践[J]. 中国现代教育装备，2022（3）：82-84.

[10]王成，李园园，高常青. 基于案例教学法的课程教学与大学生科创竞赛结合的探索——以机械原理课程为例[J]. 化工高等教育，2022，39（2）：43-46.