基于Pro/E的機構仿真在《機械設計基礎》課堂教學中的應用

胡迎花

南京信息職業技術學院，江蘇南京 210046

0 引言

機械設計基礎課程是工科院校機械類專業學生的主要課程之一，作為專業基礎課在教學中占有重要的地位，該課程系統地闡述了機械原理及常用機械零件的設計方法。然而這門課的理論性很強，一些抽象的概念和常用的機構對于沒有實際經驗甚至連見都沒見過的學生來說很難掌握。開展課程教學改革，提高教學質量是南京信息職業技術學院教學改革一項重要舉措，本文結合自身的教學實踐，根據課程的特點，在教學過程中從教學方法、教學手段方面進行了探索，在課堂教學中應用Pro/E軟件進行機構仿真輔助教學，取得了良好的教學效果。

1 機械設計基礎傳統教學方法的弊端

1.1 傳統的教學模式影響課堂教學效果

機械設計基礎主要研究機械中常用機構和通用零件的工作原理、結構特點、基本設計原理和計算方法。上課前學生往往對機械設備知之甚少，尤其是對常用機構部分缺乏感性認識。傳統的教學方法是采用掛圖與模型，但對于常用機構來說實物模型一般較為復雜，給上課帶來諸多不便，而且教材的變化較大，模型往往與教材相脫節，教師不能根據實際情況靈活選用教具，近年來雖已逐步采用多媒體教學，但多數只是采用簡單的PPT，缺乏直觀性，教師無法在課堂上進行演示，也不能隨意進行反轉、拆卸、使學生觀察內部結構及裝配關系，更不能充分展示動態變化過程。

1.2 學生的學習興趣不高

機械設計基礎內容較多，由于學生剛接觸機械專業知識，缺少實踐，對實際生產中的一些零件及機構都很陌生，專科院校的學生基礎相對較差，上課時學生對部分較難的內容不能很好理解，難以掌握，因而學生的學習積極性受到挫傷，有的甚至產生厭學情緒。

2 基于Pro/E的機構仿真輔助教學及其優點

為了克服以往教學中的不足，提高教學效果，學期結束時我們在學生中進行了調查，結果顯示學生對一些知識只是簡單的記憶，沒有真正理解，比如平面四桿機構，由于學生空間想象能力不足和缺乏工程實踐，面對二維的圖紙學生無法想象出各種機構的運行方式，似懂非懂，遇到具體問題不會分析，還有的同學甚至不明白蝸輪蝸桿是如何傳動的。為此，結合學院的課程教學改革，我們從教學方法、教學手段方面進行了探索，提出了應用Pro/E軟件進行機構仿真輔助教學，我們將教材中出現的機構進行了篩選，把常用的典型機構用Pro/E軟件做成模型并進行仿真，同時對各種機構組件進行造型設計，生成元件庫，在教學過程中可隨時調用，組裝成不同的機構。

這種全新的教學方法具有很大的優點。首先，教師在Pro/E環境中可以隨意裝拆、放大，有利于加深學生對各種機構空間結構及組成的理解，同時可根據實際情況隨意旋轉、改變對模型的觀察方向，其真實感完全與現實中的零件一樣，最為重要的是Pro/E軟件能進行機構仿真，可以把各種復雜的機構通過形象、生動、逼真的動畫演示以三維的形式直觀地展示給學生，克服了采用PPT教學中平面圖形的不足，從而使學生建立起良好的感性認識；其次，Pro/E是美國參數技術公司的主打產品，其設計過程可以實現真正的相關性，任何修改都會自動反映到所有的相關對象。比如在講平面四連桿機構時，利用模型仿真不僅可以驗證所設計的機構是否滿足要求，同時還可以改變相應的參數、或以不同的構件為機架或調用不同長度的連桿進行裝配，讓學生參與設計并對設計結果進行現場演示加以驗證，改變了以往單純的教學方式，在課堂上真正實現教學的互動，既激發了學生的學習興趣又加深了印象。再比如學生對間歇運動機構比較陌生，更難想象出機構具體的運動情況，在課堂教學中采用Pro/E對零件直接進行三維建模并用建好的模型進行裝配及機構仿真，能按需造型及修改模型，并直觀地顯示整個機構的裝配結構、各構件之間的連接關系，使教學中的各知識點更加清晰、生動、形象，大大提高了課堂教學質量。在講軸的結構設計時，對軸上零件的定位和固定，學生也往往不能很好掌握，我們就預先繪制出各類軸上零件固定件，上課時則利用Pro/E對軸系各個零件進行裝配，演示如何進行齒輪的周向和軸向固定，軸的支承與固定，軸承如何裝配如何調整間隙，各零件之間的相互位置關系、零件的裝拆順序及零件的結構工藝性應注意的問題等。通過動態的演示能在較短的時間內給學生正確的示范，培養學生的空間想象力。

基于Pro/E軟件的輔助教學，通過模擬、仿真、動畫技術的應用，不僅可以使一些在普通條件下無法實現或無法觀察的過程生動地顯示出來，還能增強學生對抽象事物的理解，拓寬學生的知識面，同時也使教學過程更為生動，課堂氣氛活躍，從而提高學生的學習興趣。

3 教學實踐

針對全新的教學方法，我們在2008級學生教學實踐中進行了嘗試和驗證，并得到了一些經驗和啟示：

1）教學方法與手段改革是提高教學質量的關鍵，通過現代化技術手段的應用，可以提高課堂的信息量和教學效率，應用Pro/E軟件進行機構虛擬裝配和運動仿真演示，提高了教學的直觀性，有利于在教學中采用啟發式教學發揮學生在教學中的主體作用。在期末考試中常用機構部分的知識點學生普遍掌握較好，失分較少。

2）學生對機械設計的過程有了更完整更全面的了解，同時把學到的知識與生產實際結合起來，大大激發了學生的求知欲，從學期末的學生測評中看到，學生對這種教學方式給予了很高的評價。

3）基于Pro/E軟件的教學方法有別與傳統的教學方法，在機械設計課堂教學中加入了虛擬的機構動畫，對于一般從沒接觸過工程實踐的學生來說，可大大增強對各種常用機構的感性認識，但在剛開始介紹時應將各機構的工作原理先講解清楚。

通過現場教學或配以相應的實驗，對于學生快速掌握各種常用機構和通用零件的工作原理、結構特點具有非常重要的促進作用。

4 結論

通過分析機械設計基礎課程傳統教學方法的不足，在課堂教學中應用Pro/E軟件進行機構仿真輔助教學，教學實踐表明，這些教學方法、教學手段改革的舉措，可以激發學生的觀察力和想象力，提高學習的趣味性。不過在教學過程中教師的板書和分析依然不可缺少，所以在教學中應當將傳統的教學方法和現代化教學技術有機結合，并注意各種教學手段的相互穿插相互補充，這樣才能更好地提高教學質量。

[1]祝凌云,等.Pro/Engineer運動仿真和有限元分析.人民郵電出版社,2004.

[2]李一民,等.機械設計基礎.東南大學出版社,2009.