基于仿真技术的机械设计专业课程探索与研究

兰青 刘筱 朱必武 李佳敏

摘要： 结合课程培养人才的要求，将仿真技术应用到机械设计专业课程教育教学中来。在学科横向教学方面，以机电一体化为背景，将机械、电工电子、信息、传感等模块化，实现在完整机械中剥离机械零部件、电路、传感器等的功能，便于建立起不同学科之间的联系，达到横向教学的目的。

关键词：仿真技术;机构和零件可视化;机械设计;教学研究

基金项目：湖南省普通高等学校教学改革研究项目，工程教育专业认证下的《材料科学基础（双语）》课程信息化教学模式探索与实践（HNJG-2020-0516）

仿真技术是在仿真硬件和仿真软件的基础上，借助计算机反映系统行为和过程的仿真模型技术[1]。仿真技术是机械工程里常用的手段，它的影响不应该只存在于工程实践中，更应该渗入到教育教学过程中来。让学生从学习到实践过程中都能体会到工业智能的力量和帮助。

1.当前课程教学的现状和面临的问题

1.1.《机械原理》课程教学的现状和面临的问题

《机械原理》课程是机械设计制造及其自动化专业的基础课程和必修课程，以研究各种机构的结构分析、运动分析和受力分析问题、常用机构的设计问题为主[2]。大量的机构学习和运用要求学生具有良好的立体抽象思维能力，部分同学无法形成良好的机构立体结构的建构和机构运动情况的模拟，不利于他们对知识的理解和运用，这不仅对之后的机械设计专业综合课程的学习有十分重要的影响，而且会使得今后设计机械时的设计思路板滞，不能灵活运用专业知识。

部分同学抽象思维能力较差，上课是教学的中心环节，更有“课堂一分钟，课后一小时”的说法，长期以往不仅会加重学生学习的任务和压力，也会打击学生学习的自信心，降低学生的自我效能感。理论联系实际是教师教学的基本原则，很多老师会在讲解机械零件和机构时会以生活中的简单机械为例，提高学生对新知识的理解程度。但对于生活中不常见的零件和机构，学生接触经验不足，没有足够的认知基础可以将新的认知同化吸收，新知识与旧知识联系的纽带不牢，不利于理解记忆和灵活运用，便也达不到理论联系实际的效果。

1.2.机械设计专业基础专业课程的横向联系需求

机械设计专业开设有电子电工技术、信号处理及测试技术等满足机电一体化要求的基础专业课程。一台机器不可能只有机械部分，还应有电子电工、信号、传感等模块，用以辅助机器完成驱动、信息传递和反馈等功能。基于机电不分家的理念，要求机械设计专业的学生对这些基础专业课程做到充分的横向联系，形成他们是一个整体的观念，了解他们之间的联系和所在的位置，即所完成的功能和场合，例如电子大多是完成驱动部分、信号传输和反馈大多是基于微电子技术的完成控制部分的实现、而机械则大多充当支承和搭建框架的作用等。学生在学习各个板块知识时有相互联系的想法，有利于理解所学的专业知识内容，建构关于机械专业的完整的知识体系，做到触类旁通，也便于运用各类专业知识到设计和生产实践中去。

2.基于仿真技术的机构和零件可视化的建构

基于仿真技术的机构和零件可视化在学科纵向教学方面是运用仿真技术将机构和零件的结构和运动直观的展现在学生面前，使抽象思维具体化。在教学过程中可以帮助抽象思维能力较差的同学建立知识结构;使抽象思维能力较强的同学巩固知识并灵活运用;使学生的学和教师的教尽量同步，达到让教学过程高效有序的目的。在学科横向教学方面建立学科之间的联系，在教学过程中尝试从一台完整的机器中剥离功能模块，再进行比较教学。既让学生知道功能模块的既定位置，便于学生对机器整体布局的了解和知识运用。又在潜移默化中影响学生的整体观念，防止学生将某一学科作为完全独立的模块进行学习。二者都是通过学生的感官体验配合已有经验，丰富学生的直接经验和感性经验，使学生获得生动的表象，从而比较全面、深刻地了解和掌握知识。

2.1.可视化

运用Solidworks、UG、Proe等3D建构模型软件建立机构和零件的三维结构图，再运用仿真技术将结构图投放在承载平台上。该承载平台应实现的基本功能有拖拽查看功能、放大缩小功能、模拟运动功能、线框透视功能等。拖拽查看功能是保证三维机构和零件可视化的基础。可以使学生360°全方位观察机构的构件要素和连接方式以及零件的结构。放大缩小功能可以从整体和局部的角度全面了解机构和零件的结构，甚至可以设置易忽略点，尽量让学生不放过任何一个细节。模拟运动功能是将机构的运动情况直观的展现在学生面前，便于学生认识和分析机构的运动，也便于对同类机构的运动情况进行对比。线框透视功能的主要目的是便于学生观察机构和零件的内部结构，了解运动时机构内部的变化，对于内部结构复杂的机构和零件可以增加爆炸图效果。这些功能的直接作用就是便于学生从而各个方面、各个角度了解机构和零件。他们的实现有利于学生了解和掌握各类简单、复杂的机构和零件，使机构和零件直观化、可视化。

2.2.模块化

在学科纵向教学方面，学生要了解掌握的机构和零件是不可计数的，其中简单常用机构和零件是学习的基础和课堂教学的重点，但学生也需要了解结构较为复杂的机构和零件。再复杂的机构和零件都是由简单的机构和零件组成的，将简单、常用的机构和零件模块化，使得复杂机构和零件的建构就是组合模块。这个过程可以由教师在课前准备的时候完成，也可以是由教师和学生在课堂中合作完成，也可以是由学生在课余的自主探索和研究。这种模式下的模块化是机构和零件模块化。在学科横向教学方面，机电一体化在近年来得到了迅速的发展，是工业生产领域的一种重要技术。将机构的功能模块化，引入电子、传感、信息处理等模块，可模擬机构运用的各类场景，让学生从场景中学习机构知识，有利于学生理解机构各类功能的实现，充分了解机构的优缺点，为之后设计机械时机构的选择打下夯实基础。同时在进行电子电工、信号处理等基础专业课程时，利用承载平台中各个模块建立的完整机器中剥离出所要教学的内容模块，有利于学生建立起学科间的联系，让学生的思维不限于某一个学科上，将眼界从局部放宽到整体，使学生完整的认识各个学科的教学内容。

2.3.操作便捷化

基于仿真技术的机构和零件可视化是为了方便学生学习、提高课堂效率。这一理念的运用更多的是在课堂上，而有限的时间不应该被复杂、累赘的操作耽误。操作便捷化要求尽可能一键操作，方便教师和学生的使用。例如一键还原初始大小、一键还原初始观察面、一键拆分（呈现爆炸图效果）、一键装配等。这可以增强课堂的高效性和可操作性，让学生能在教师的引导下在课堂上的有限时间里全面完整的观察了解机构，有利于课堂高效、高质量地进行。同时，在该项技术成熟后设置在拆分图中点击零部件详细查看的功能，点击时应出现该零部件的基本参数和优缺点等课堂教学内容，在机器中看机构和零件更能使学生直观的理解各类机构零件的使用场所和功能，增强了操作的便捷性，使学生和教师能随时在课堂学习中复习之前所学的机构、加深理解和记忆并方便教师的引导。

3.基于仿真技术的机构零件可视化的优缺点分析

3.1.基于仿真技术的机构零件可视化的优点

机构零件可视化是基于直观性教学原则和理论联系实际教学原则上提出来的利用仿真技术的教学手段。在纵向教学方面，可以帮助学生建构机构和零件的知识体系，使抽象思维学习转变为具体思维学习，为学生在某一学科上的深度学习打下夯实基础，同时也为教师教学提供便利，使得课堂高效地进行。在横向教学方面，在机电一体化大背景下，机械、电子、信号、传感以及微电子等各自有各自的所处位置以及要完成的功能，同时作用形成完整的机械体系，机构零件可视化模块功能的实现，达到机电一体化的各个组成部分形成模块，同时作用形成完整机器，从整体中剥离出来又可以有针对的进行教学，这可以帮助学生建立同专业下不同学科之间的联系，使得各类专业知识形成相辅相成的格局，在之后综合课程的学习过程中以及未来设计机械过程中大有裨益。

对学生的学习而言，此项技术的实现可以方便学生建构关于各个机构和零件的知识体系，将抽象思维转化为具体思维，便于学生在脑海里对知识进行的编码和提取，这也是它实现的基本目的。并且可以方便学生课后的自主学习和研究，海量机构信息存储在承载平台上，通过手机电脑学生可随时随地查看这些信息，在一些没有教材等可供查看的纸质资料时探讨问题就可以在平台上找到作证观点的信息。对教师的教学而言，在课堂教学过程中教师可随时调出相应的机构让学生观察，在与之前学习的机构进行类比过程中，省去了翻书寻找之前所学机构的过程，也使类比更加直观，同时加深了之前所学内容的记忆。在技术成熟之后，引入零件、机构组装功能，方便了教师对学生所学知识的考查，更重要的是在不断组装过程中可以锻炼学生的创新思维能力，也使机械设计过程更加简洁可靠。

3.2.基于仿真技术的机构零件可视化的缺点

此项技术的实现较为困难，对机构建构技术和承载平台的要求很高，不论是海量机构的建立，还是各种功能的实现和统一，都需要有强大的技术和理论支持。对教学而言，此项技术在课堂上的运用需要承载平台有强制跟随教师的功能，并且要求教师有较强的组织能力和维持课堂秩序的能力，如若没有，学生容易沉浸在探索承载平台功能上，从而分散学习注意力。不可否认的是，机构信息的存储、查看、组建等都需要在网络状态下进行，对于网络覆盖能力不好的地区，无法正常使用。最重要的是，在课堂上，教师没有办法准确判断学生是在利用手机登录承载平台查看信息，还是在做与学习无关的事情，此项技术如果实现并投入使用，对课堂秩序的维护不无小补，这就要求学生有较好的自制能力，同时要求老师有较强的组织能力和课堂吸引力。毕竟课堂依旧是学生和教师的课堂，其他教学手段都是只辅助手段。

4.结语

综上所述，基于仿真技术的机构零件可视化技术是一次将大型工程中使用的技术运用到教育教学中来的尝试，是在承载平台上建立各类机构和零件以及满足机构、零件自由組合功能的技术改革。本文从技术建构、优缺点分析等方面对仿真技术与课堂教学融合的效果进行了阐述，将抽象思维具体化，把需要想象的空间立体图形直观的展现在眼前，将理论课堂与实践课堂通过信息技术实现融合，为教师的教和学生的学都提供了较大帮助。当然，基于仿真技术的机构零件可视化只是一个教学辅助手段，教学过程的主体仍旧是学生，教师要充分发挥自己在课堂上的主导作用，引导学生充分发挥自己的主体作用，辅以教学手段来达到教学目的。教师和学生应充分发挥自己的主观能动性，利用仿真技术与教育教学融合的优势，同时规避仿真技术与教育教学融合的劣势，相信基于仿真技术的机构和零件可视化这一教学手段将会使专业课程的教学效果再上一个台阶。

参考文献

[1] 刘杰，张昕，胡准庆. 内燃机仿真技术教学探讨[J]. 内燃机与配件， 2020， 2020（20）： 221-222.

[2] 蒋天弟，张庐陵，吴瑞梅. 《机械原理》课程现状与出路[J]. 农机化研究， 2004， 2004（1）： 248-249.

湖南科技大学 机电工程学院 兰青，刘筱，朱必武，李佳敏