虛擬仿真在機械類課程教學中的應用探索★
——以《機械傳動基礎》課程為例

陳 宇， 康 超， 劉金鋒， 李炳強， 謝 陽

（江蘇科技大學機械工程學院， 江蘇 鎮江 212100）

引言

為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略。2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設，全面培養未來新興產業和新經濟需要的實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才[1-2]。學生在專業知識儲備前提下，對其他專業學科知識的掌握也已成為贏得競爭主動權的重要條件。然而，目前大學學習中普遍存在課程多、學分多，學生負擔重的問題，學生很難抽出時間去學自己感興趣的東西，同時不少課程缺乏師生互動，學生們無法將課堂所學的概念和理論與實際結合起來。在此背景下，各高校的培養方案逐漸開始壓縮學分，讓學生從繁重的課堂上解放出來，轉為主動的以問題為導向的自主學習。并同時增加了“學科基礎課程群”的學分比重，使學生能夠接觸更豐富廣闊的多學科知識。

《機械傳動基礎》課程是面向專轉本電氣工程及其自動化等近機械專業的一門學科基礎課。本課程旨在培養學生充分了解工程中常用的連桿機構傳動、帶傳動、齒輪傳動、液壓傳動等典型傳動方式的組成、用途和性能特點，為培養學生解決相關工程中傳動控制問題的能力奠定基礎，為今后從事機械類相關專業技術工作打好必要的知識基礎和工程素養。但實際教學發現，由于新舊知識銜接不暢、課程枯燥、實驗設備無法滿足需求等原因，導致目前的教學效果不佳，學生普遍存在學習困難的問題。因此，探索促進學生學習興趣及實踐創新能力培養，提高專轉本《機械傳動基礎》課程教學效果的新途徑、新方法具有重要的現實意義，且符合新工科背景下開發教學新模式的高校教學改革發展方向。

1 《機械傳動基礎》課程教學中出現的問題

1.1 新舊知識銜接不暢

《機械傳動基礎》課程主要面向專轉本學生，專轉本是專科生從普通高等專科學校轉入普通高等本科院校的選拔考試，簡稱“專轉本”。但目前，專轉本考試科目區分度較低，理工類的考試科目僅包括高等數學、計算機基礎和大學英語，其導致學校及任課教師都無法準確評判學生對專業基礎知識的掌握情況。由于學生在專科階段主要關注專轉本考試科目的學習，普遍存在專業基礎知識掌握不牢靠的現象。另一方面，選課學生雖本科專業為近機械專業，但專科階段就讀于不同學校、不同專業，各專科專業的基礎課程設置差異較大，并且即使同一專科專業，不同學校的培養大綱編寫的也并不相同。以本課程為例，選課學生普遍存在理論力學、工程制圖、材料力學等前序課程未修或掌握不牢的情況，導致新舊知識無法銜接的問題，嚴重影響課程的教學效果。

1.2 課程枯燥

《機械傳動基礎》課程是一門典型的技術基礎課程，其研究對象是在生產實際中廣泛應用的機械設備，所要解決的問題大多數是工程中的實際問題，具有實踐性強、綜合性強等顯著特點。同時，本課程涉及帶傳動、齒輪傳動、液壓傳動、氣壓傳動等眾多內容，各章內容彼此獨立，前后聯系不甚密切，具有獨立性強的特點。此外，本課程還具有內容多、概念多、符號多、公式多的特點。實踐教學發現，在這些特點的加持下，本課程講授過程較為枯燥，學生普遍表現為學習興趣不高，學習效果不佳。

1.3 實驗設備無法滿足課程需求

實驗是提高學生學習興趣、增強知識理解的有效途徑，《機械傳動基礎》課程中設置了多組實驗，但實踐教學發現，現有實驗設備并不能滿足課程需求。以江蘇科技大學為例，目前，教學用實驗設備主要存在兩大無法調解的問題。實驗設備老化，如機械創新設計臺架生產于20 世紀80 年代，臺架上電機等構件已幾乎完全損壞，零件缺失嚴重，學生動手操作時并不能達到預期的展示效果；實驗設備昂貴，無法大量采購，如液壓控制實驗臺，單個設備價格高達80 萬以上，實驗室僅有3 臺，因此實驗時僅能以分組形式進行，客觀上導致部分學生并沒有動手實際參與的機會。這一方面給任課教師的實驗教學帶來了極大的困難，同時也限制了學生能力的培養效果，打擊了學生的學習興趣。

2 面向《機械傳動基礎》課程的虛擬仿真教學方法

虛擬仿真通過在計算機上構建真實物理系統的虛擬模型，模擬真實物理系統的運動變化，以仿真的方式為用戶提供反映實體對象變化的直觀感受。隨著計算機技術的進步及對教育的深度發展，虛擬仿真越來越多的被運用到實驗教學中，發揮了巨大的積極作用[3]。《機械傳動基礎》中涉及到帶傳動、齒輪傳動等眾多機構，傳統教學方法中學生僅能根據書本上的靜態圖片，結合想象理解這些機構的結構及構件間的運動規律，難度較大。將虛擬仿真技術引入《機械傳動基礎》課程實驗教學中后，可引導學生在特定的仿真軟件中建立這些機構的三維模型，并設定構件間的約束關系，通過仿真計算，比較分析構件間的運動規律，使得學生能夠更直觀地感受這些機構的結構及構件間的運動規律。

基于虛擬仿真進行《機械傳動基礎》課程的實驗教學具有如下優點：以直觀、簡單的方式展現實驗對象的運動變化，可加深學生對理論知識的理解；利用學生對電腦的普遍熱情，提高學生學習的積極性和興趣，提高教學效果；學生可基于電腦進行沉浸式的仿真實驗，減少對昂貴實驗設備的需求，實現方便，成本較低。

3 虛擬仿真實驗教學實例

3.1 實驗任務

本小節以齒輪傳動仿真為例，進行《機械傳動基礎》課程虛擬仿真實驗教學實例展示。通過齒輪傳動仿真實驗，使學生能夠自主實施實驗方案，完成齒輪傳動的動力學建模與計算，初步掌握機構動力學仿真的途徑、意義與數據處理方法，鞏固和加深對齒輪傳動基本組成、傳動比計算等知識的理解和掌握。

3.2 虛擬仿真模型構建

動力學軟件Recurdyn[4]的Gear 模塊是專門用于齒輪建模與仿真的功能模塊。首先，基于該模塊的Gear geometries 功能，通過調整齒輪齒數、模數、壓力角等基本參數快速構建各個齒輪的三維模型；然后，利用Gear pair assembly 功能，輸入齒輪對安裝中心距，實現齒輪對的自動嚙合安裝；其次，利用Joint 功能定義齒輪與基體間的轉動約束，并在主動輪的轉動副上施加驅動；最后，基于Gear contact entities 功能，建立齒輪對間的接觸碰撞關系，實現運動約束的定義，最終完成齒輪傳動的虛擬仿真模型構建，如圖1所示。同時，可基于各齒輪的Properties 屬性查看所建齒輪的分度圓、齒根圓、齒頂圓等信息。

圖1 齒輪傳動仿真模型

3.3 實驗結果展示

基于動力學軟件Recurdyn 中Analysis 模塊的Dynamic/Kinematic 功能進行齒輪傳動的虛擬仿真計算，基于Animation Control 功能，可查看齒輪傳動的動畫演示，此外，如圖2 所示，在Result 功能中可查看仿真的數值結果展示。

圖2 齒輪傳動仿真結果

4 結語

本文總結了專轉本《機械傳動基礎》課程教學中發現的新舊知識銜接不暢、課程枯燥、實驗設備無法滿足課程需求等問題，提出了在課程教學中應用虛擬仿真技術的針對性方法，給出了《機械傳動基礎》課程的虛擬仿真實驗教學實例，并對其應用效果進行了簡單討論。總體而言，該方法易于實現，成本較低，可有效提高學生學習興趣，從而提高教學效果，具有較高的應用前景。