面向工程能力培养的起重运输机械实验教学设计与开发

焦渊

摘  要 在剖析原有起重运输机械实验教学方式不足的基础上，结合工程教育认证人才培养体系的建设思路，以学生工程实践能力和创新精神培养为目标，设计新的起重运输机械课程实验。将起重运输机械的原理实验与相关的应力应变测试实验内容有机整合，同时开发虚拟仿真实验教学系统，使得新的实验内容促进学生知识应用的工程能力培养，提升实验教学水平。

关键词 工程能力;起重运输机械;虚拟仿真;实验教学

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）20-0124-02

Design and Development of Hoisting and Conveying Machinery Experiment Teaching Oriented to Engineering Ability Training//JIAO Yuan

Abstract Based on the analysis of the shortcomings of the original experimental teaching mode of lifting and transporting machinery， a new experiment of lifting and transporting machinery， combined with the construction idea of engineering education certification per-sonnel training system ， is designed. It is aimed at the cultivation of students engineering practice ability and innovation spirit. The prin-ciple experiment of hoisting and conveying machinery is organically integrated with related stress-strain test. At the same time， the virtual simulation experiment teaching system is developed， which makes the new experiment contents promote the cultivation of students engineering ability of knowledge application and improve the level of experimental teaching.

Key words engineering capability; hoisting and conveying machi-nery; virtual simulation; experiment teaching

1 引言

起重运输机械课程是西安建筑科技大学机械工程专业的一门专业方向必修课程，着重讲解起重运输机械的设计理论和设计方法，以及典型起重运输机械——塔式起重机的总体设计的基本理论、金属结构设计的要点等，理论性及应非常强。

在工程认证过程中，实验教学是认证专家考查学生是否达到毕业要求的重要环节之一。因此，把握好工程认证标准，落实指标体系的新要求，将有利于进一步完善课程实验教学，提升实验教学质量并为毕业要求提供支撑[1-2]。

本文在分析原有起重運输机械实验教学方式不足之处的基础上，结合西安建筑科技大学人才培养实际情况，调整原有的实验教学大纲，改进实验教学内容，使培养的学生能够满足工程认证标准的毕业要求和培养目标。

2 起重运输机械实验教学现状分析

课程是在学习了结构力学与钢结构基础上开设的一门课，通过本课程实验教学体系的训练，使学生具有对机械产品进行实验研究的动手操作能力、方案设计能力、数据分析处理能力。从知识体系的完整性、学生接受能力等各方面综合考虑，原有的实验教学方式存在的问题主要表现在以下几个方面。

1）实验教学内容相对局限  起重运输机械实验教学非独立设课，四个学时，依附于起重运输机械课程的理论教学。由于起重运输机械包含的知识面极广，要在如此短的学时内让学生掌握各种典型起重运输机械的用途、工作原理、组成和使用方法是无法做到的。因此，起重运输机械实验教学仅仅定位于设备的结构原理，内容宽泛且单调。

多是验证性实验，学生缺乏主动性  在实验教学中经常发现学生不知道要做哪些实验，如何做实验，只是一味地听教师的讲解与安排，缺乏学习的主动性和积极性。由于实验设置多是验证性实验，导致学生在实验过程中过于依赖教师，很难达到培养动手能力和自主应用能力的目的。就是学校日常教学更关注理论知识的教授，忽略了实践是理论知识向能力转化的重要的载体作用，最终造成教与用的脱节[3]。

实验内容缺乏与工程实际相结合  起重运输机械的结构、工作原理实验设置只能增强学生对理论知识的直观理解，缺乏创新性，没有拓展学生的设计思维，对于运用知识解决工程能力的问题作用不大。

3 面向工程能力培养的实验教学内容设计与开发

根据工程认证对课程目标的要求，在原有的基础验证性实验的基础上，增加具有工程应用的综合性、设计性实验。通过新的实验教学内容，使学生能基于工作原理并采用科学方法对机械系统、部件、机构设计可行的实验方案;能根据实验方案构建实验系统并进行实验;能正确采集和整理实验数据，对实验结果进行分析和解释，并通过信息综合得到合理有效的结论。

实验课程目标是掌握典型起重运输机械的用途、型号、技术性能及参数和选择使用方法，能识别起重运输机械系统的关键部件及参数，使学生对起重机械产生感性认识;掌握起重机械的组成结构特点以及各工作机构的工作原

理;了解金属结构应力应变的测量系统的组成和测量方法;了解起重臂的运动参数测量方法及其运动分析和控制系统的组成。通过实验教学，培养学生的创新意识和科研精神，掌握本课程实验相关的基本技能和实践动手能力。

通过实验设置，将起重运输机械的结构原理与应力应变测试的实验内容有效地衔接起来，知识结构更加完整、统一，提高学生的逻辑思维能力和理解能力，巩固知识点，锻炼学生的工程应用能力。根据课程需要，实验教学可以开设下面一些内容。

1）起重臂应力应变测试实验。起重臂应力应变测试实验主要使学生掌握起重运输机械测试系统的设计和分析方法，根据工程的实际要求布置应变片，并能够对测试系统的性能进行分析，对测量数据进行处理。

将工程测量问题转化为数学问题，让学生通过分析计算此数学模型确定三种工况下，即最大幅度起吊额定起重量工况、跨中起吊额定起重量工况、在最小幅度处起吊额定起重量工况，起重臂最大应力发生的位置。在此基础上根据分析结果布置应变片，选择测点、布片、组桥。按图1所示连接组成测量系统，分别施加三种典型工况下的吊重载荷，设置通道频率以及量程，采集应变信号;对采集的数据进行处理，得到各测点的应力值。

2）开发塔式起重机虚拟仿真实验系统。开发虚拟仿真实验系统，将理论教学中的难点内容和演示性实验项目虚拟和仿真化，强化学生对专业理论教学内容的理解和掌握。实现教学资源的低消耗、实验过程的零污染，丰富实验教学的内容，消除实验的危险性，增加学生动手操作的机会[4]。如图2、图3所示，在虚拟仿真系统中对塔机的结构进行认知和拆分;通过在虚拟系统中进行虚拟模块化，实现塔机起升机构、回转机构、变幅机构、顶升机构的虚拟控制;给定起升、变幅、回转速度，通过仿真绘制吊重的运动轨迹曲线。

通过3D模型仿真，使学生对起重机原理、结构、工作的全过程有更为清楚的认识，深入掌握塔式起重机金属结构塔身、塔帽、起重臂、平衡臂、底座的结构形式及其功能;掌握塔式起重机工作机构运行方式，实现起升机构、回转机构、变幅机构和安全回路的程序设计;掌握塔式起重机各工作机构控制方式和工作原理及其安全监控原理。通过仿真实验与实际操作实验的相互补充、优化配置，提升学生在实验教学环节对知识的转化与拓展，从而达到工程认证人才培养的目标。

4 结语

通过新的实验教学体系整合设计，从整体知识构成出发，注重知识的全面性和系统性，使学生形成一个系统的、完整的知识框架，有利于培养学生的实践能力和创新思维能力，解决原有实验教学中存在的实验教学方法、手段单一，沒有充分重视学生的知识综合应用能力培养的问题，从而为培养高素质的工程应用型人才打下良好的基础。

参考文献

[1]罗正祥.工程教育专业认证及其对高校实践教学的影响[J].实验室研究与探索，2008，27（6）：1-3.

[2]李志义.适应认证要求 推进工程教育教学改革[J].中国大学教学，2014（6）：9-16.

[3]包海涛，王殿龙，崔岩，等.工程实际为主线问题驱式机械实验教学研究[J].实验室科学，2017（2）：89-91.

[4]柳浩，万新，朱光俊，等.虚拟仿真实验教学探索与实践[J].中国冶金教育，2016（6）：88-91，97.