机械原理简图“运动”教学实践

王利霞 冯占荣 朱保利

摘  要：针对《机械原理》基础部分“运动简图”在教学中学生难以理解、学习兴趣不高且效果差的状况，提出以CATIA草绘工具为手段，以运动简图为出发点，使机构运动简图“运动”起来的教与学的方法，该方法不仅可提高学生学习兴趣，更可激发创新意识，提高创新精神。

关键词：机械原理;运动;草绘;机构

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）11-0112-03

Abstract： In view of the fact that the basic part of the "Mechanical Principles" "sports diagram" is difficult for students to understand， and their interest of learning is not high and the effect is poor. The CATIA sketching tool is used as a means to use the movement sketch as the starting point to make the movement of the organization simple. The teaching and learning method of "sports" is not only to improve students' interest in learning， but also to stimulate innovation and enhance the spirit of innovation.

Keywords： mechanical principle; motion; sketch; institution

机械原理是一门以机构运动简图为基本研究、学习对象的课程。所以学生对机构运动简图的理解及掌握程度直接决定了该门及后续相关课程的好坏。机械原理的学生对于机构运动简图设计及分析的恐惧就是不知如何在图纸上对静止的二维简图表达头脑中的机构运动，也就是说学生在静止的二维简图表达上是短板，学生设计的难点恰恰在于头脑里有各机构形式，无法将各种机构有效的组合并准确表达出組合出机构的运动形式。该课程在各大高等院校的开展已有几十年的历史，取得了一定的教学成果，课程教学方式也有巨大的改进。然而在以往该课程教学中，仍存在许多缺陷与不足，亟待改进。例如从教学手段上：目前主要采用慕课（MOOC）[1]、反转课堂（Flipped Class Model）[2]、微课[3]、移动教学和混合式教学[4，5]等，可在一定程度上提高学生的自主学习积极性，但这些方法并未在本质上对机械原理教学难以理解内容做改进，以往学生难以消化、接受的内容还是较难理解。随着计算机的普及应用也有采用Matlab、Flash动画方式[6，7]，但此种方式对于教师需要涉及非专业软件Flash的学习及对机械原理的深入理解及把握，而学生在学习过程中更是不会应用也不可能用其辅助学习到相应的原理，也就无从谈及创新设计了。

基于此，本文提出基于CATIA草绘工具，利用它快速将头脑中的构思以运动形式形象的表达出来，使教师的教或学生的学得到辅助理解的效果，进而培养学生机械系统方案创新设计的思维方式和方法，以及机械系统方案的综合设计能力、创新设计能力和工程实践能力。

一、“运动”功能的实现方法

结合作者多年机械原理教学经验，改进机械原理教学方式，将CATIA草绘运动仿真功能技术引入机械原理课程教学中，能真正实现运动简图的“运动”功能。CATIA运动简图的“运动”功能主要由两种方式来实现，可满足不同的难易及应用场合。

（1）借助CATIA草绘的“对约束应用动画”功能可使已绘机构运动简图真正的运动起来，操作简单、快捷且现象显著，可实现创新设计，但该功能驱动尺寸限制为1。

（2）借助CATIA草绘绘图功能及“DMU仿真”可绘制已经有三维模型图的机构运动简图，并使其三维图及机构运动简图一起实现“运动”效果，操作相对繁杂，可实现复杂机构运动简图的绘制并得以验证运动简图的正确性，该功能无自由度限制。

不论使用方法（1）还是方法（2）均能有效解决以往机械原理课程教学中存在的缺陷与不足，可提高机械原理课程教学的直观性，加深学生对机构组成与机构运动的理解，提高学生自主学习的积极性，为培养学生进行机构创新设计与分析的能力奠定基础。因方法（2）是在成型三维图的情况下由草绘构件并借助DMU仿真来实现的，操作较为繁杂，限于篇幅本文不再展开论述，故以方法（1）进行举例说明其实践设计过程。

二、对约束应用动画实践

运动简图涉及到图形相对比较简单，但为了更具体、明确说明该方法，首先对CATIA软件草绘绘制常用构件及运动副部分工具做一简要说明。

图1所示为一与尺寸无关的常用带铰链机架及带铰链移动副示意图。分别依次采用②③⑥⑨⑦及①②⑦⑥③完成，具体设计步骤本文不再展开说明。

（二）实例实践

在讲解曲柄存在条件的前期给学生布置一简单题目，以起到预习、学习、探知的功效，如：绘制一导杆机构，并将其按曲柄与机架角度约束进行动画设计，观察不同杆长条件下双曲柄存在的条件。

在检查学生预习作业时，由于未对杆长做限制，作业五花八门，但均能得到有效结论，图2为某一同学原始绘制示意图（为节省无用功，前期预习及作业中已经将图1所示部分发放给了学生，图2中为表达清楚，将创建过程中无关约束进行了隐藏）。通过选中曲柄与机架夹角→    ，通过合理设计即可得到运动仿真动画，如图3。

图4为原始绘制运动简图在各种角度下的截图，由图中可看出，长度为15的构件（曲柄）可做整周回转，但由于没有长度为40的机架长，导杆始终不能做整周回转，即得到的结果是单一曲柄机构。

当增加初始曲柄长度时，可得到如图5所示机构（为了使滑块始终在导杆上运动，图5中适当加长了导杆长度）。由图中可得到长度为60的构件（曲柄）可做整周回转，且长度为60的构件（曲柄）大于了长度为40的构件（机架），故导杆也均可做整周回转，即得到的结果是双曲柄机构。

最终该生得到的结论是：当初始绘图结果中曲柄大于机架长度时即可得到双曲柄，反之即为单曲柄。并且导杆机构与杆长绝对长度没有关系，仅与相对长度成一定的关系。该结论已符合实际条件。

由本实例可知，通过CATIA的草绘功能来实现机构的运动仿真，不仅实现了静止不动的运动简图能“运动”起来，加深学生对机构运动的理解，更可激发学生的探知欲望。

三、结束语

1. 机构运动简图运动起来的思想是实现了机械结构设计构思的静止与运动的统一，突破了传统设计呆板性、易理解性的割裂，可大大提高机械原理的认知水平，有利于培养学生机械创新设计和工程综合分析能力。

2. 由于使运动简图形象地动了起来，能展示复雜形体的运动情况，使学生做设计时对知识点的理解更加清晰、生动。既满足了学生对一门技能（CATIA软件）实际应用的需要，又可提高教学质量。

3. 通过实现运动简图的运动仿真，特别是进行创新设计后，通过简图的运动仿真分析轨迹、瞬心、急回等来验证设计的合理性，可使其理论联系实际。并通过合理修订与反馈，做出相应设计修改，可增强学生的批判意识，提高学习兴趣，激发创新意识，提高创新精神。

参考文献：

[1]江帆，张春良，王一军，等.“机械原理”MOOC教学设计[J].工业和信息化教育，2017（07）：33-37.

[2]邱宝梅，郑太雄.《机械原理》翻转课堂教学模式的探讨[J].教育教学论坛，2018（48）：143-144.

[3]王栋，田辉，张秀丽，等.微课在《机械原理》课程教学改革中的应用[J].科技视界，2017（04）：135.

[4]刘琼，朱雅光，惠记庄，等.“互联网+”机械原理课程教学模式改革的研究[J].教育教学论坛，2018（19）：102-104.

[5]刘艳艳，梁医，赵建平.基于应用能力培养的机械原理课程设计教学改革与实践[J].中国教育技术装备，2018（02）：90-92，95.

[6]刘艳，李连波，马常亮，等.基于MATLAB软件在机械原理课程教学中的应用[J].轻工科技，2018，34（07）：168-169，185.

[7]张艳丽，王贤民，蔡蕾，等.应用Flash MX2004开发机械原理教学CAI课件[J].南通职业大学学报（综合版），2004（04）：57-59.