張毅杰 孔令瓊 施 杰 鄒 歡 管毓斌

1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 云南昆明 650201

2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電與建筑學(xué)院 云南昆明 650201

機械原理課程是車輛工程專業(yè)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，在專業(yè)課程體系中處于承上啟下的重要地位，機械原理課程設(shè)計是課程教學(xué)的重要實踐環(huán)節(jié)，其目標(biāo)是提高學(xué)生基礎(chǔ)知識運用能力并增強機械設(shè)計創(chuàng)新意識[1]。隨著時代的進步，賦予傳統(tǒng)實踐教學(xué)新教學(xué)手段的教學(xué)改革勢在必行，作為目前流行的集成化系統(tǒng)軟件UG，憑借其卓越的設(shè)計分析應(yīng)用功能，可為課程設(shè)計教學(xué)提供十分強大的支持。針對我院車輛工程專業(yè)機械原理課程設(shè)計存在的瓶頸，基于專業(yè)特點，提出了基于UG平臺的課程設(shè)計新模式，并通過實例分析探討了具體實施方法，為機械原理課程設(shè)計的教學(xué)改革提供了新思路。

1 當(dāng)前課程設(shè)計在教學(xué)中面臨的瓶頸

1.1 設(shè)計思路單一，技術(shù)手段滯后

設(shè)計思路以參照機械原理課程教學(xué)中機械系統(tǒng)方案設(shè)計的知識體系進行，每名學(xué)生針對所選機械系統(tǒng)提出設(shè)計方案，通過對比方案選出最優(yōu)設(shè)計，最終通過二維設(shè)計軟件AutoCAD將設(shè)計構(gòu)思表達出來。顯然，這種基于傳統(tǒng)圖解法的二維設(shè)計已無法有效激發(fā)學(xué)生的設(shè)計熱情，使本應(yīng)生動的實踐過程變得枯燥。

1.2 專業(yè)特色不突出，難以調(diào)動學(xué)生積極性

課程設(shè)計選題仍以通用機械為主，且學(xué)院各專業(yè)選題內(nèi)容沒有區(qū)別，車輛工程專業(yè)學(xué)生在設(shè)計中很難將本課程與車輛工程聯(lián)系起來，這種有效關(guān)聯(lián)學(xué)生難以構(gòu)建，因而難以有效調(diào)動學(xué)生的積極性。

1.3 缺乏現(xiàn)代工程軟件應(yīng)用能力

我院隸屬于農(nóng)科院校，先進設(shè)計手段在教學(xué)中的應(yīng)用還較為滯后，尤其是在現(xiàn)代工程軟件的應(yīng)用方面，至今學(xué)生還未系統(tǒng)地學(xué)習(xí)一款三維設(shè)計軟件。先進的設(shè)計工具凝聚著先進的設(shè)計思想，如何借助現(xiàn)代工程軟件平臺，最大化地將現(xiàn)代設(shè)計思想灌輸給學(xué)生，是我院亟待解決的問題。

1.4 缺乏設(shè)計分析一體化的整體思維能力

由于缺乏現(xiàn)代工程軟件的應(yīng)用支撐，學(xué)生在課程設(shè)計中往往只是一些機構(gòu)的簡易拼湊，對方案的可行性、合理性、工作是否會相互干涉等問題無法進行深入思考與切實驗證，從而無法有效獲得機械系統(tǒng)整體思維能力。

2 課程設(shè)計新模式

為了改變目前我院車輛工程專業(yè)機械原理課程設(shè)計的現(xiàn)狀，提出了基于UG平臺的課程設(shè)計實施新模式，通過將現(xiàn)代工程軟件融入課程設(shè)計中，提高學(xué)生的設(shè)計能力。

2.1 工程設(shè)計軟件平臺的選擇

針對機械原理課程設(shè)計特點，選擇的軟件平臺應(yīng)具有三維建模、機構(gòu)仿真、運動及動力學(xué)分析功能，另外，考慮到本科階段學(xué)生能力和精力有限的特點，不宜涉及多款專業(yè)軟件，盡量以學(xué)習(xí)一款能解決設(shè)計中諸多問題的集成化軟件為佳， UG正是集CAD/CAE/CAM一體化的大型系統(tǒng)軟件，而且實用性好，越來越受到中國高校及企業(yè)用戶的青睞，而且UG每個版本的更新都能同步反映當(dāng)代最新的設(shè)計方法和理念，為學(xué)生今后的知識更新與擴容奠定基礎(chǔ)。

2.2 具有專業(yè)特色的課題選擇

在課程設(shè)計題目的選擇上，緊緊圍繞車輛機械這條主線，針對車輛工程領(lǐng)域常見的機械結(jié)構(gòu)進行傳動方案設(shè)計、運動仿真以及動力分析。選題基本方針是將各種車輛機械中相應(yīng)的常見機構(gòu)作為優(yōu)選課題，并且為避免課題單一，必須在題目設(shè)計上實現(xiàn)多樣化、個性化。例如同一機構(gòu)類型在不同車輛類別、不同型號車輛、不同設(shè)計參數(shù)下進行設(shè)計，這樣既能保證學(xué)生設(shè)計不重題，又能有效促進學(xué)生之間的討論與交流。以專業(yè)特點為導(dǎo)向的課題選擇，不僅實現(xiàn)了課程學(xué)習(xí)與專業(yè)學(xué)習(xí)的融合，達到了學(xué)以致用的效果，而且也很好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。

2.3 分層次的設(shè)計與指導(dǎo)

分層設(shè)計與指導(dǎo)從兩個層面展開，其一，擴大選題范圍并增加選題層次；其二，基于因材施教的原則，將3～6人作為一個小組，新模式下的分層設(shè)計是將一個大課題細化為若干層次的小課題，組員根據(jù)自身能力和興趣選擇一個，小課題難度分層次且關(guān)聯(lián)遞進，整個大課題只有在每個小課題都完成的情況下才能完成。這種模式不僅便于指導(dǎo)教師的分類指導(dǎo)，也有利于學(xué)生獨立思考與團隊合作。

2.4 新模式的實施框架與目標(biāo)

新模式的構(gòu)建思想是在三維設(shè)計軟件UG平臺上，訓(xùn)練學(xué)生對機械原理基礎(chǔ)知識的應(yīng)用，同時鍛煉學(xué)生運用現(xiàn)代軟件工具解決問題，通過可視化的虛擬模型實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計分析一體化，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維能力?；诖怂枷氲男履Ｊ綄嵤┛蚣苋鐖D1所示。

圖1 新模式實施框架

通過框架圖可以看出，新模式的技術(shù)載體是UG軟件，UG軟件工具運用的熟練程度直接決定了整個課程設(shè)計的進展情況。因此，新模式的前期準(zhǔn)備階段至關(guān)重要，為了在課程設(shè)計正式開始之前使學(xué)生對軟件有一定的了解，需要教師將工程軟件有效引入整個機械原理課程教學(xué)中，這方面已有許多教學(xué)工作者將之引入機械原理課程教學(xué)中，并在提高教學(xué)效果的同時就如何提高學(xué)生軟件運用能力方面作了有益的研究和實踐[2,3]，值得借鑒。教師指導(dǎo)重點是把握課題的分層次布置、設(shè)計方法的引導(dǎo)以及軟件使用技巧的點撥。在整個設(shè)計過程中，小組成員共同討論方案的擬訂，然后根據(jù)能力層次分工完成機構(gòu)建模、運動分析、動力分析、設(shè)計優(yōu)化等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)在獨立設(shè)計的基礎(chǔ)上又離不開團隊合作，在設(shè)計完成后以期每名學(xué)生既能對所選課題建立起系統(tǒng)的認識，又能熟練掌握相應(yīng)設(shè)計環(huán)節(jié)的軟件運用。

通過這種新模式的實施，所要達到的實踐教學(xué)目標(biāo)如圖2所示。借助UG平臺進行的課程設(shè)計，基本目標(biāo)是使學(xué)生同時獲取綜合運用基礎(chǔ)知識和軟件應(yīng)用能力，理想目標(biāo)是學(xué)生完成課程設(shè)計后能形成系統(tǒng)的設(shè)計思維，創(chuàng)新能力有所提高。

圖2 新模式實施目標(biāo)

3 新模式實施案例

以具有車輛工程專業(yè)特點的典型汽車發(fā)動機機械系統(tǒng)為例說明，新模式的實施。三維虛擬設(shè)計模型框圖如圖3所示。

圖3 新模式實施案例

3.1 針對專業(yè)特點挖掘設(shè)計課題

挖掘具有專業(yè)特點的設(shè)計題目，發(fā)動機是車輛的心臟，透徹了解它的結(jié)構(gòu)是車輛工程專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)的一個重點。如圖3所示，將發(fā)動機整個機械系統(tǒng)作為一個大課題，以發(fā)動機活塞運動仿真與分析a、發(fā)動機氣門運動仿真與分析b、發(fā)動機氣閥聯(lián)動運動仿真與分析c為子課題，其中a對應(yīng)于曲柄滑塊機構(gòu)，b對應(yīng)于凸輪機構(gòu)，c對應(yīng)于齒輪機構(gòu)，這些常用機構(gòu)建模、裝配及仿真，教師在前期準(zhǔn)備環(huán)節(jié)中，都應(yīng)通過UG軟件平臺將其融入機械原理課程教學(xué)中。類似的課題還可以從車輛傳動機械系統(tǒng)轉(zhuǎn)向機械系統(tǒng)、制動機械系統(tǒng)等中挖掘，車輛類別可從普通汽車擴展到農(nóng)用車輛、鐵路車輛等。

3.2 分層次地設(shè)計指導(dǎo)

本課題可根據(jù)學(xué)生能力和成績，按分層教學(xué)思想和模式分配給3～6名學(xué)生共同完成。其中對于成績差的學(xué)生，指導(dǎo)重心應(yīng)放在運用基礎(chǔ)知識創(chuàng)建典型機構(gòu)的運動方案上，如活塞運動、氣門運動、氣閥聯(lián)動的工作原理擬定及運動尺寸的確定，并學(xué)會運用UG創(chuàng)建單個零件的三維模型；對于成績較好的學(xué)生，指導(dǎo)重心應(yīng)是學(xué)會運用UG進行單一機構(gòu)的裝配設(shè)計和干涉檢查；對于成績好、能力強的學(xué)生，指導(dǎo)側(cè)重點放在整機的運動仿真及方案優(yōu)化上。在整個設(shè)計過程中，每個層次的指導(dǎo)又不是割裂的，每個子課題相互關(guān)聯(lián)遞進，強調(diào)每名學(xué)生在有所側(cè)重的基礎(chǔ)上共同參與，實現(xiàn)系統(tǒng)思維的構(gòu)建、綜合能力的培養(yǎng)。

3.3 基于UG的設(shè)計過程

在機械原理課程設(shè)計中，UG軟件平臺主要借助建模、裝配和運動仿真三大模塊功能。首先，學(xué)生要對UG建模模塊中的常見操作命令熟練掌握，領(lǐng)會三維建模思想，這是每一名學(xué)生在課程設(shè)計開始之前必須達到的要求；其次，學(xué)生進入UG裝配模塊進行機構(gòu)的裝配設(shè)計并進行干涉檢查，這一環(huán)節(jié)需要教師進行示范演示并穿插上機強化；最后，在機構(gòu)裝配完成后進入UG運動仿真模塊，學(xué)生通過仿真結(jié)果，給出方案評價或方案優(yōu)化。

4 結(jié)束語

UG軟件平臺背后的CAD/CAE技術(shù)已逐步成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計的主流技術(shù)，我們必須樹立新的教育質(zhì)量觀念，調(diào)整和改進機械原理課程設(shè)計的內(nèi)容和手段，提高課程設(shè)計的技術(shù)含量和設(shè)計質(zhì)量。如何更有效地發(fā)揮諸如UG這一類現(xiàn)代工程軟件在工科教學(xué)中的作用，是我們教學(xué)工作者面臨的一個重要課題。

[1]王濤,張艷華.機械原理課程設(shè)計新模式的探索與實踐[J].中國電力教育,2010(1):155-156.

[2]陳奇,朱家誠,公彥軍.將計算機軟件引入機械原理教學(xué)的探索與研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版,2011(1):145-148.

[3]華劍,晏亮.工程軟件在機械原理教學(xué)中的應(yīng)用 [J].長江大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008(3):363-365.

[4]張策.機械原理與機械設(shè)計[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,2011.

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