龍向前　何水龍　鮑家定

【摘要】機床夾具設計是《機械制造裝備設計》課程中重要的實驗內容。針對傳統(tǒng)實驗教學存在的不足，本文提出基于虛擬仿真技術的機床夾具設計實驗教學方案，期望通過引入新技術，豐富夾具設備庫、拓展學生眼界，提升學生學習興趣，增強學生對機床夾具的綜合設計能力，改善教學效果。

【關鍵詞】虛擬技術? 夾具設計? 實驗教學? 改革

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）11-0218-01

1.引言

機床夾具是《機械制造裝備設計》課程中非常重要的內容之一，它是機床上用于裝夾工件（和引導刀具）的一種裝置，是確保機床切削加工順利進行以及質量能夠達到要求標準的一項重要裝備。在目前柔性制造的背景下，機床夾具快速設計和制造是機械制造裝備柔性化的重點內容，讓學生學好并掌握機床夾具的柔性化設計至關重要[1]。因此，《機械制造裝備設計》課程開設了夾具拆裝和組合夾具的設計、組裝與調整的實驗教學課程，促進學生熟練掌握機床夾具設計相關內容。實驗環(huán)節(jié)是學生將理論應用于實踐，同時通過實際操作加深對理論知識的理解和掌握，是一個相互提升的正循環(huán)相互促進過程，實驗教學的效果將直接影響到學生利用基本理論知識解決實際問題的能力培養(yǎng)。

2.傳統(tǒng)實驗教學缺點

機床夾具實驗課程就是調動學生的思考和動手能力，根據(jù)工件工序要求及結構特點，自行設計夾具總裝方案，并進行裝配及調整，以鞏固《機械制造裝備設計》課程中所學到的有關機床夾具的基本理論知識。但大多數(shù)高校的理論課教師和實驗課教師不是同一個人，容易造成理論課教師和實驗課教師缺乏溝通，導致理論與實驗脫節(jié)，理論課不能支撐實驗內容，實驗課不能驗證理論教師講授的理論知識[2]。而且做實驗前，學生很少有機會和時間提前去實驗室熟悉夾具設備，實驗過程大多都是學生被動的按照實驗教師講授的實驗步驟，機械地重復拆裝過程，容易把實驗訓練當成了任務。整個過程學生處于被動狀態(tài)，實驗訓練能力單一，缺乏思考、不理解實驗的意義和目的，導致理論教學和實驗教學不能相互促進，不利于學生創(chuàng)新思維能力和綜合能力的培養(yǎng)。同時，機械方面的實驗課程設備還存在更新?lián)Q代較慢，一些學校甚至還使用著上個世紀七八十年代的夾具設備，與實際生產中的先進設備脫節(jié)，降低了學生的興趣，教學效果不佳。

3.虛擬仿真技術

隨著計算機技術的高速發(fā)展，出現(xiàn)了另一類試驗研究的新技術，即虛擬仿真技術。虛擬仿真技術就是用一個虛擬的系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術，是虛擬現(xiàn)實技術與學科專業(yè)深度融合的產物，將其應用在教學實踐的前景和潛力巨大。教育部辦公廳印發(fā)的《2017年教育信息化工作要點》提出要深化數(shù)字教育資源開發(fā)與應用，開展虛擬仿真實驗共享平臺建設。2018年教育部下發(fā)了開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知，并公布105個首批國家虛擬仿真實驗教學項目[3]。地方各大高校也都跟著時代發(fā)展的步伐，建立了虛擬仿真實驗室。虛擬仿真實驗能為學生提供具有良好沉浸感、獲得感和逼真感的虛擬仿真實驗環(huán)境，激發(fā)學生學習興趣，促進學生多學科、多專業(yè)知識點融會貫通的能力[4]。但是其缺點也很明顯，虛擬仿真實驗室的組建投入大，一個學校的虛擬實驗室數(shù)量有限，不能滿足所有專業(yè)的開班需求。同時，國家也沒有統(tǒng)編的虛擬仿真實驗教程，目前基本以軟件供應商提供的設備手冊作為實驗指導書，操作手冊不能完全滿足實驗教學的需求，學校應根據(jù)不同專業(yè)的特點，編寫貼合教學實踐的虛擬仿真實驗指導書[5]。因此，完全采用全虛擬仿真技術進行夾具設計實驗教學具有一定的局限性。

4.實驗改革

鑒于虛擬仿真技術的優(yōu)點和虛擬仿真實驗室的不足，我們擇優(yōu)避缺將部分虛擬仿真技術引入機床夾具實驗的過程中，對機床夾具的實驗教學進行改革。改革后整個夾具設計實驗主要包括虛擬仿真和實際實踐兩個部分。

（1）虛擬仿真部分

利用3D軟件和網(wǎng)絡技術構建機床夾具設備的數(shù)據(jù)庫，補充和完善實驗室中實體機床夾具的不足，彌補傳統(tǒng)實驗設備更新慢的缺陷，實現(xiàn)各類機床夾具的全覆蓋，擴大學生對機床夾具的認知，擴寬學生的視野，跟上柔性制造步伐。有了完善的夾具數(shù)據(jù)庫，理論教師上機床夾具理論知識部分時也可以輕易的將其通過多媒體展示出來，增加學生的認知度，從而打通理論與實驗之間的關系。實驗實踐過程前學生可以在計算機上對本實驗的拆裝對象夾具進行主觀認知和詳細分解，了解各類機床夾具的結構、原理和特點，了解組合夾具的元件種類、結構與功用。通過三維模型熟悉典型夾具結構與分類、組合夾具的特點，加強對六點定位原理的認識，提高分析應用能力。同時也可以按加工要求利用數(shù)據(jù)庫的夾具零部件設計各種夾具總裝方案，完成裝配和調整，培養(yǎng)學生的綜合分析和設計能力。

（2）實驗實踐部分

實驗實踐部分是繼承實驗課程的精髓，它是鍛煉學生實際操作的部分，具有提升學生動手能力、思維邏輯能力、創(chuàng)新能力和其它綜合性管理能力的作用，是其它教學方式不可替代的。因此，學生在前面虛擬仿真認知的基礎上，理清夾具中的基礎件、支承件、定位元件、夾緊元件、對刀元件及導向元件和各元件之間的連接及定位關系?；谔摂M技術構思和設計出整個夾具的總體結構方案，并對機床夾具進行拆裝、試裝、調整、裝配和檢測，達到培養(yǎng)學生實踐能力。

采取“虛”“實”結合的實驗教學策略的教學改革實施后，使學生能夠將理論課堂中學習到的機床夾具專業(yè)知識應用于虛擬實驗中，提供實驗實踐操作前熟悉夾具設備的機會，并通過虛擬分析過程和結果總結出實踐經(jīng)驗，然后再將這些實踐經(jīng)驗應用于實際操作中，從而達到“虛”“實”結合，提高利用知識的實踐能力。

5.結論

將虛擬仿真技術引入到實驗教學中，彌補了傳統(tǒng)機械類實驗教學中設備更新慢、理論和實踐課程脫節(jié)的缺陷。與時俱進，激發(fā)學生學習興趣、調動學生學習的積極性和主動性，提升學生對新事物的認知、增強學生自主探索精神，改善教學效果。

參考文獻：

[1]梅雪峰.機床夾具設計方法探究[J].現(xiàn)代制造技術與裝備， 2019（3）：77-78.

[2]萬林林，伍俏平，鄧朝暉.工程教育專業(yè)認證下機械制造裝備設計課程改革[J].當代教育理論與實踐， 2015（4）： 40-42.

[3]李磊.虛擬仿真實驗教學的必要性、存在問題及其可持續(xù)發(fā)展機制[J].湖北開放職業(yè)學院學報， 2019（7）： 151-153.

[4]王穎淑.基于虛擬實驗的實驗室推動機械專業(yè)教學改革研究[J].通訊世界，2019（3）：302-303.

[5]王慧，白紅英，馬麗.高校虛擬仿真實驗室的建設與改革研究[J].中國管理信息化，2019（7）：216-218.