關(guān)于平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合分析與教學(xué)改革

劉月英　張宇鵬　李云飛

摘 要：平面機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，關(guān)系到機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力性能及結(jié)構(gòu).闡述了平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性和重要性.采用虛擬仿真技術(shù)的方法，研究開發(fā)了一個(gè)平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建立了平面機(jī)構(gòu)的零部件模塊和運(yùn)動(dòng)仿真模塊，該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作性強(qiáng)，簡(jiǎn)單易行，可以滿足不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了一條有效途徑。

關(guān)鍵詞：平面機(jī)構(gòu)；創(chuàng)意組合；教學(xué)改革

1 前言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校培養(yǎng)高素質(zhì)合格人才的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié)，是鞏固和加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解的重要手段。隨著高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的不斷推進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，并使之在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中得以實(shí)踐，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法在課程時(shí)間安排和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地方面已經(jīng)不能滿足當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，難以激發(fā)學(xué)生在機(jī)械課程學(xué)習(xí)中的興趣。本文在分析平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)中現(xiàn)存弊端的基礎(chǔ)上，提出了采用虛擬仿真技術(shù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行改革，通過實(shí)踐證明此方法具有較好的教學(xué)效果。

2 平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法 的改革

2.1傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限性

平面機(jī)構(gòu)是機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，雖然平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課程培養(yǎng)中占據(jù)著非常重要的地位，但隨著時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤其是創(chuàng)新方面在國(guó)際上的地位滯后，現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在很多弊端。實(shí)驗(yàn)課很多時(shí)候是由教師先介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，然后對(duì)學(xué)生重點(diǎn)示范，最后才由學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作。教師講解和學(xué)生設(shè)計(jì)構(gòu)思會(huì)花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，留給學(xué)生動(dòng)手操作的時(shí)間就很有限，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生處于較為被動(dòng)的地位，學(xué)生的積極性和主動(dòng)性得不到充分發(fā)揮。另外由于受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)分組、實(shí)驗(yàn)人數(shù)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)等諸多因素的限制，加之每個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作水平、實(shí)驗(yàn)速度不同，往往實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)備并不能完全滿足每個(gè)學(xué)生的各種實(shí)驗(yàn)需求。

2.2結(jié)合虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)改革

鑒于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的種種弊端，課題組結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，獨(dú)立開發(fā)了一套與真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)完全一樣的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這種虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在空間和時(shí)間上的局限性，學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)思路在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真模擬，既可利用課余時(shí)間繼續(xù)完成自己在實(shí)驗(yàn)課上未完成的實(shí)驗(yàn)，又可以實(shí)現(xiàn)自己獨(dú)立構(gòu)想的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械課程的積極性。

學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠提前熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備的硬件組成及零件功能，掌握機(jī)構(gòu)組成原理及運(yùn)動(dòng)特性。通過虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)課程可進(jìn)一步熟悉桿組概念，學(xué)習(xí)分析機(jī)構(gòu)的特性，為機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)打下更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高機(jī)械原理課程的設(shè)計(jì)水平[1]。

1.學(xué)生可以以小組形式，研究實(shí)現(xiàn)虛擬裝配過程中裝配約束動(dòng)態(tài)，識(shí)別的虛擬構(gòu)件的建模方法，建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案拼裝實(shí)驗(yàn)中所需構(gòu)件的信息模型并形成構(gòu)件庫(kù)。

2.根據(jù)提出的裝配關(guān)系，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建基于裝配約束，動(dòng)態(tài)識(shí)別的虛擬裝配實(shí)現(xiàn)方案，在虛擬裝配過程中對(duì)構(gòu)件間的可實(shí)現(xiàn)裝配的約束特征進(jìn)行識(shí)別和配對(duì)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件間的自由組合和裝配操作。

3.結(jié)合Solidworks運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊，研究實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)裝配信息模型與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，在完成機(jī)構(gòu)裝配操作的同時(shí)，建立機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真邏輯模型，并使之應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真計(jì)算中.以此驗(yàn)證虛擬仿真結(jié)果的正確性與有效性。

最后，以上述機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案為基礎(chǔ)，在創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行實(shí)物拼裝，完成平面機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。

通過仿真，根據(jù)多種不同的設(shè)計(jì)方案，可使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上自行拼裝不同的機(jī)構(gòu)，充分發(fā)揮了學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈浹a(bǔ)傳統(tǒng)方式的不足，增強(qiáng)學(xué)生機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)及綜合設(shè)計(jì)的能力。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的意義

3.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性

現(xiàn)有的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有以下幾點(diǎn)通?。焊咝?shí)驗(yàn)教學(xué)不被重視，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容缺乏創(chuàng)新，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備需求難以滿足。老師把實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和擴(kuò)展講完之后，留給學(xué)生的動(dòng)手時(shí)間就很少了，更何況是創(chuàng)新。再加上實(shí)驗(yàn)條件的限制，系統(tǒng)培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ哪繕?biāo)就很難做到，培養(yǎng)創(chuàng)新精神更無從談起[2]，因此采用虛擬仿真進(jìn)行教學(xué)改革很有必要。

基于虛擬仿真技術(shù)的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)可以作為對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的前置了解實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)的機(jī)械制造機(jī)械設(shè)計(jì)等課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?；谔摂M仿 真技術(shù)的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)是將實(shí)驗(yàn)和理論知識(shí)講述相結(jié)合的教學(xué)方法，結(jié)合一些典型實(shí)體平面機(jī)構(gòu)連接實(shí)例進(jìn)行授課，學(xué)生經(jīng)過實(shí)驗(yàn)教學(xué)就能比較系統(tǒng)的了解平面機(jī)構(gòu)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為自由搭建任意合理的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┝四軡M足教師對(duì)各層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，學(xué)生既可通過該平臺(tái)動(dòng)手操作，又可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和能力。

3.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要性

虛擬實(shí)驗(yàn)概念的出現(xiàn)，在虛擬場(chǎng)景中模擬真實(shí)場(chǎng)景。運(yùn)用一定的器材和儀器采集實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)，并通過仿真計(jì)算得到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相符合的結(jié)果。注重實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性，學(xué)生按照老師給定的任務(wù)進(jìn)行平面機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新組裝設(shè)計(jì)，通過學(xué)到的零件連接方法，對(duì)開展平面機(jī)構(gòu)的裝配組合分析。然后進(jìn)行改良調(diào)整，有助于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提高。該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的開發(fā)及在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用，已成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面的重要環(huán)節(jié)，

4 總結(jié)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中引入仿真實(shí)驗(yàn)，不僅使學(xué)生加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，還能與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)起到互補(bǔ)的作用，有利于提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)。開設(shè)平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)的目的，是為了提高學(xué)生對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的創(chuàng)新能力以及動(dòng)手的能力。利用計(jì)算機(jī)輔助的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，對(duì)開闊學(xué)生思路、增強(qiáng)創(chuàng)新能力起到了重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1]雷源忠.我國(guó)機(jī)械工程研究進(jìn)展與展望[ J ].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（5）：1 -1 1.

[2]劉元林.大工程背景下機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與探索[ J ].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27（1）：14 -16.

作者簡(jiǎn)介：

劉月英（1967.7—），女，河北省安國(guó)人，保定市南市區(qū)河北科技學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師。