虚拟仿真在机械类课程教学的应用

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摘要：以江苏科技大学开设的专转本《机械传动基础》课程为研究对象，对实际教学中存在的影响课程教学效果的新旧知识衔接不畅、课程枯燥、实验设备无法满足需求等问题进行了具体分析，提出了在课程教学中应用虚拟仿真技术的针对性方法，给出了虚拟仿真实验教学实例，并对其应用效果进行了简单讨论，以期为低成本提高机械类课程教学效果提供可行性途径。

关键词：机械传动基础;虚拟仿真;教学模式

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略。2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，全面培养未来新兴产业和新经济需要的实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才[1-2]。学生在专业知识储备前提下，对其他专业学科知识的掌握也已成为赢得竞争主动权的重要条件。然而，目前大学学习中普遍存在课程多、学分多，学生负担重的问题，学生很难抽出时间去学自己感兴趣的东西，同时不少课程缺乏师生互动，学生们无法将课堂所学的概念和理论与实际结合起来。在此背景下，各高校的培养方案逐渐开始压缩学分，让学生从繁重的课堂上解放出来，转为主动的以问题为导向的自主学习。并同时增加了“学科基础课程群”的学分比重，使学生能够接触更丰富广阔的多学科知识。《机械传动基础》课程是面向专转本电气工程及其自动化等近机械专业的一门学科基础课。本课程旨在培养学生充分了解工程中常用的连杆机构传动、带传动、齿轮传动、液压传动等典型传动方式的组成、用途和性能特点，为培养学生解决相关工程中传动控制问题的能力奠定基础，为今后从事机械类相关专业技术工作打好必要的知识基础和工程素养。但实际教学发现，由于新旧知识衔接不畅、课程枯燥、实验设备无法满足需求等原因，导致目前的教学效果不佳，学生普遍存在学习困难的问题。因此，探索促进学生学习兴趣及实践创新能力培养，提高专转本《机械传动基础》课程教学效果的新途径、新方法具有重要的现实意义，且符合新工科背景下开发教学新模式的高校教学改革发展方向。

1《机械传动基础》课程教学中出现的问题

1.1新旧知识衔接不畅

《机械传动基础》课程主要面向专转本学生，专转本是专科生从普通高等专科学校转入普通高等本科院校的选拔考试，简称“专转本”。但目前，专转本考试科目区分度较低，理工类的考试科目仅包括高等数学、计算机基础和大学英语，其导致学校及任课教师都无法准确评判学生对专业基础知识的掌握情况。由于学生在专科阶段主要关注专转本考试科目的学习，普遍存在专业基础知识掌握不牢靠的现象。另一方面，选课学生虽本科专业为近机械专业，但专科阶段就读于不同学校、不同专业，各专科专业的基础课程设置差异较大，并且即使同一专科专业，不同学校的培养大纲编写的也并不相同。以本课程为例，选课学生普遍存在理论力学、工程制图、材料力学等前序课程未修或掌握不牢的情况，导致新旧知识无法衔接的问题，严重影响课程的教学效果。

1.2课程枯燥

《机械传动基础》课程是一门典型的技术基础课程，其研究对象是在生产实际中广泛应用的机械设备，所要解决的问题大多数是工程中的实际问题，具有实践性强、综合性强等显著特点。同时，本课程涉及带传动、齿轮传动、液压传动、气压传动等众多内容，各章内容彼此独立，前后联系不甚密切，具有独立性强的特点。此外，本课程还具有内容多、概念多、符号多、公式多的特点。实践教学发现，在这些特点的加持下，本课程讲授过程较为枯燥，学生普遍表现为学习兴趣不高，学习效果不佳。

1.3实验设备无法满足课程需求

实验是提高学生学习兴趣、增强知识理解的有效途径，《机械传动基础》课程中设置了多组实验，但实践教学发现，现有实验设备并不能满足课程需求。以江苏科技大学为例，目前，教学用实验设备主要存在两大无法调解的问题。实验设备老化，如机械创新设计台架生产于20世纪80年代，台架上电机等构件已几乎完全损坏，零件缺失严重，学生动手操作时并不能达到预期的展示效果；实验设备昂贵，无法大量采购，如液压控制实验台，单个设备价格高达80万以上，实验室仅有3台，因此实验时仅能以分组形式进行，客观上导致部分学生并没有动手实际参与的机会。这一方面给任课教师的实验教学带来了极大的困难，同时也限制了学生能力的培养效果，打击了学生的学习兴趣。

2面向《机械传动基础》课程的虚拟仿真教学方法

虚拟仿真通过在计算机上构建真实物理系统的虚拟模型，模拟真实物理系统的运动变化，以仿真的方式为用户提供反映实体对象变化的直观感受。随着计算机技术的进步及对教育的深度发展，虚拟仿真越来越多的被运用到实验教学中，发挥了巨大的积极作用[3]。《机械传动基础》中涉及到带传动、齿轮传动等众多机构，传统教学方法中学生仅能根据书本上的静态图片，结合想象理解这些机构的结构及构件间的运动规律，难度较大。将虚拟仿真技术引入《机械传动基础》课程实验教学中后，可引导学生在特定的仿真软件中建立这些机构的三维模型，并设定构件间的约束关系，通过仿真计算，比较分析构件间的运动规律，使得学生能够更直观地感受这些机构的结构及构件间的运动规律。基于虚拟仿真进行《机械传动基础》课程的实验教学具有如下优点：以直观、简单的方式展现实验对象的运动变化，可加深学生对理论知识的理解；利用学生对电脑的普遍热情，提高学生学习的积极性和兴趣，提高教学效果；学生可基于电脑进行沉浸式的仿真实验，减少对昂贵实验设备的需求，实现方便，成本较低。

3虚拟仿真实验教学实例

3.1实验任务

本小节以齿轮传动仿真为例，进行《机械传动基础》课程虚拟仿真实验教学实例展示。通过齿轮传动仿真实验，使学生能够自主实施实验方案，完成齿轮传动的动力学建模与计算，初步掌握机构动力学仿真的途径、意义与数据处理方法，巩固和加深对齿轮传动基本组成、传动比计算等知识的理解和掌握。

3.2虚拟仿真模型构建

动力学软件Recurdyn[4]的Gear模块是专门用于齿轮建模与仿真的功能模块。首先，基于该模块的Geargeometries功能，通过调整齿轮齿数、模数、压力角等基本参数快速构建各个齿轮的三维模型；然后，利用Gearpairassembly功能，输入齿轮对安装中心距，实现齿轮对的自动啮合安装；其次，利用Joint功能定义齿轮与基体间的转动约束，并在主动轮的转动副上施加驱动；最后，基于Gearcontactentities功能，建立齿轮对间的接触碰撞关系，实现运动约束的定义，最终完成齿轮传动的虚拟仿真模型构建，如图1所示。同时，可基于各齿轮的Properties属性查看所建齿轮的分度圆、齿根圆、齿顶圆等信息。

3.3实验结果展示

基于动力学软件Recurdyn中Analysis模块的Dynamic/Kinematic功能进行齿轮传动的虚拟仿真计算，基于AnimationControl功能，可查看齿轮传动的动画演示，此外，如图2所示，在Result功能中可查看仿真的数值结果展示。

4结语

本文总结了专转本《机械传动基础》课程教学中发现的新旧知识衔接不畅、课程枯燥、实验设备无法满足课程需求等问题，提出了在课程教学中应用虚拟仿真技术的针对性方法，给出了《机械传动基础》课程的虚拟仿真实验教学实例，并对其应用效果进行了简单讨论。总体而言，该方法易于实现，成本较低，可有效提高学生学习兴趣，从而提高教学效果，具有较高的应用前景。

作者：陈宇 康超 刘金锋 李炳强 谢阳 单位：江苏科技大学机械工程学院