软件助力“机械设计基础”课程 信息化教学的研究与实践

王增胜 张勤 靳程业

摘要：本文分析了“機械设计基础”课程的性质、地位、特点及当前教学所存在的问题；同时针对“机械设计基础”课程内容的具体特点，分别举例说明了思维导图、SimMechanics、几何画板、AutoCAD等软件在该课程中的应用，论述了软件在“机械设计基础”课程信息化教学中的重要作用，指出了选用软件时需要注意的问题，对该课程的信息化教学改革具有一定的参考价值。

关键词：思维导图；SimMechanics；几何画板；AutoCAD

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）17-0101-04

“机械设计基础”课程是机械类和近机械类专业的一门专业基础课程，在整个课程体系中，起着承上启下的作用。“机械设计基础”课程主要包括机械原理和机械设计两个部分，其内容以常用机构和通用零件的基础知识和一般设计方法为主。该课程具有以下特点：①内容多而杂，具体表现为概念多、公式多、参数多、图表多，计算过程繁复；②散而乱，具体表现为章节独立，表面上相干性不大；③理论抽象，如机构运动特性的动态性，不易理解；④实践性强，与生产实践联系紧密。该课程因为具有上述特点而给教师的教学与学生的学习带来了一定的困难，教学效果不甚理想。

由于计算机具有快速数据处理和运算能力，其软件被越来越多地应用到教学中辅助教学过程，从而实现了信息化教学，优化了教学手段，改善了教学效果。在“机械设计基础”课程的教学中，笔者针对该课程的特点和教与学的困境，尝试应用几款软件辅助教学，取得了不错的效果。

基于思维导图软件的知识体系构建

“机械设计基础”课程章节相对独立，知识点多，表面上散而乱，学生学完之后无法建立起相互联系的牢固的知识体系，更谈不上灵活应用。教师需要帮助或引导学生梳理学习材料的内容框架，理清知识点之间的逻辑关系。而思维导图是一种辅助思考工具，用于辅助梳理思路。[1]因此，教师在备课时可以直接利用思维导图软件，把讲课内容的框架搭建出来，上课时直接呈现给学生。这个框架就是教学内容的“骨架”和“经络”，而具体的知识点形成“血”和“肉”。进一步，教师可以要求学生利用思维导图软件自行搭建知识框架。下页图1是绪论部分的思维导图：由图1（a）可知，绪论部分主要解决三个问题，即该课程“学什么”“为什么学”和“怎么学”的问题，同时简要给出了答案。图1（b）是绪论部分几个概念之间的相互关系。可见，通过思维导图，可以使思维可视化、形象化，使学习材料的核心内容和逻辑关系跃然纸上，有利于学生抓住学习的重点，提高学习效率。总之，应用思维导图软件，对教师而言，可以辅助备课，整理授课的逻辑思路；对学生而言，不仅有助于建立知识体系，夯实所学知识，而且获得了实用的软件技能和学习方法。

基于软件的机构动态过程展示

1.基于SimMechanics的连杆机构运动学分析

“机械设计基础”课程的特点之一是有很多动态过程，如机构的传动角或压力角的变化，位移、速度、加速度等的变化，运动轨迹等。这些动态过程的理论分析繁复枯燥，不易理解，而用动态过程展示则直观生动，有助于学生对理论的理解。

图2为基于SimMechanics的曲柄摇杆机构仿真，SimMechanics是一个在Matlab/Simulink环境下直接使用的模块集，它提供了各种常见机构的模块。[2]建模时，可以像堆积木一样将机构的模型搭建出来（如图2（a）所示），再通过检测和驱动模块和普通的Simulink模块连接起来，获得整个系统的仿真结果。

建模时无需编程，只需要对各模块经过简单的参数设置即可获得机构的模拟动画（如图2（b）所示）、运动学参数（如图2（c）所示）及轨迹（如图2（d）所示）等。利用SimMechanics建模，简单高效，易于理解，尤其是驱动的设置和传感信号的提取非常方便，可作为动画演示、运动学分析、模拟样机干涉检验等的有利工具。

2.基于几何画板的机构动画演示

几何画板（The Geometer's Sketchpad）是一个通用的数学、物理教学平台软件，代表了当代专业工具平台类教学软件的发展方向。[3]该软件提供了丰富而方便的创造功能，用户只需要熟悉软件的简单使用技巧即可自行设计和编写应用范例，随心所欲地编写出自己需要的教学课件，实现教学思想。

笔者就几何画板的应用及开发的文献进行检索发现，几何画板在中学数学、物理的教学中应用甚为广泛，但在高校机械教学和科研中的应用却极为少见。几何画板使用简单，功能强大，并无需编程，且具有在运动和变化中保持所给定的几何关系的特色。因此可较好地适用于机构的动画演示及轨迹生成。[4]图3所示是利用几何画板制作的渐开线形成和凸轮的动画演示。可见，几何画板制作的模型直观简洁，凸显了机构运动的本质原理。

基于应用软件的机构和机械零件设计

1.AutoCAD在机构设计中的应用

机构设计中往往用到图解法，图解法简单直观，但尺规作图耗时费力，而且误差较大。AutoCAD是一款通用的绘图软件，学生在学习“机械设计基础”课程之前已经学过AutoCAD软件，用AutoCAD进行机构设计事半功倍，精确度高，而且可以完成自动测量。图4所示是用AutoCAD完成的一道作业题：已知偏置曲柄滑块机构的曲柄LAB=25mm，连杆LBC=75mm，偏距e=10mm。要求作图求：（1）行程H和极位夹角θ；（2）曲柄为主动件时，机构的最小传动角γmin。[5]解题时，分别以A为圆心，以LBC-LAB=50mm和LBC+LAB=100mm为半径作圆，得到C1和C2两个极限位置，通过标注线性尺寸可直接得到滑块行程H=50.51mm，通过标注角度可直接得到极位夹角θ=6°。当曲柄处于垂直位置时，传动角最小，γmin=62°。

2.其他专用软件在机械设计中的应用

在机械零件设计过程中，有很多繁复枯燥的公式。教师在讲到具体计算过程时往往事倍功半，效果不理想；学生在完成作业时计算量大，费时费力，而且容易出错。由于机械零件的设计流程固定，同时随着现代设计方法的发展，出现了各种专用的机械设计软件。教师在授课时，可以先讲解某具体零件设计的流程和思想，再结合软件和教材中的例子进行说明。图5所示为基于软件的V带传动设计计算（图（a）为开始计算界面），在设计时，只需要按照流程写入或选择相应的参数，便可自动完成普通V带传动的每一步计算，算好后点击“下一步”即可完成整个设计（图（b）为计算结果界面）。该软件中嵌入了设计过程中需要查询的表格，并具有插值算法及打印、保存等功能，使用时十分方便。学生在熟悉了零件的设计流程、计算原理及参数意义之后，使用软件进行辅助设计可以提高效率，增强学习的积极性和成就感。

结论

教育信息化的核心内容是教学信息化。教育信息化要求在教育过程中较全面地运用以计算机、多媒体和网络通信为基础的现代信息技术。在“机械设计基础”课程的教学过程中，针对课程内容的具体特点，均有相应的软件工具可以利用。需要注意的是，在选择软件时，要根据学生的软件基础，选择简单高效、上手快的软件，要以解决问题为目标，不要盲目追求功能强大的大型软件，否则学生学起来费时费力，容易造成挫败感。另外，要有意识地让学生利用软件来解决问题，如可以要求学生利用某款软件完成作业等。总之，合适的软件用于辅助教学可起到事半功倍的作用。软件的使用，既提升了学生的软件技能，又激发了其学习兴趣，改善了教学效果；同时，培养了学生“利用现代设计方法”和“学以致用”的意识，对学生适应信息化社会，具有一定的促进作用。

参考文献：

[1]博贊.思维导图[M].晓榭，译.北京：中信出版社，2009.

[2]王俊峰，田丽萍.Matlab运动仿真在机械原理课程设计中的应用[J].机电产品开发与创新，2009（4）：187-188.

[3]孙壮.浅谈《几何画板》在数学教学和学习中的应用[J].神州，2012（4）：251.

[4]王增胜，孔令云，杨汉嵩，等.几何画板在机械原理动画演示中的应用[J].实验科学与技术，2016（1）：92-94.

[5]鲍莉.机械设计基础[M].郑州：河南科技出版社，2016，6.

作者简介：王增胜（1980—），男，山西介休人，黄河科技学院机械工程学院副教授，工学硕士，主要研究方向为机械系统仿真。

基金项目：本文系2017年河南省高等教育教学改革研究与实践项目“应用型高校机械类专业创新创业教育改革研究与实践”（项目编号：2017SJGLX127）研究成果之一。