摘要：“工程机械设计”课程是机械设计制造及其自动化专业工程机械方向的一门专业核心课，详细阐述了该课程的特点以及实际教学过程中存在的问题，围绕如何调动学生学习兴趣、完善教学手段及实践教学环节等问题的探讨，提出了基于现实环境和虚拟样机技术的动态教学方法，对传统的教学方法进行改革与创新，有利于加深学生对该课程授课内容的理解，提高了学生对三维软件学习的兴趣。教学实践证明，这种方法可以起到营造良好的教学环境、激发学生学习兴趣的作用，切实提高教学质量，从而顺利地实现教学目标。
关键词：工程机械设计；现实环境；虚拟样机技术；动态教学方法
作者简介：郑建校（1975-），男，陕西岐山人，西安建筑科技大学机电工程学院，讲师。（陕西 西安 710055）才委（1975-），女，吉林长春人，吉林大学机械科学与工程学院，讲师。（吉林 长春 130022）
基金项目：本文系西安建筑科技大学教改基金项目（项目编号：JG080223）、西安建筑科技大学工程机械设计教学团队建设项目的研究成果。
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）11-0121-02
“工程机械设计”作为机械设计制造及其自动化专业工程机械方向的专业核心课程，随着人才培养目标的转变和社会对人才的需求不同，该课程更加重视综合能力的培养。但是，该课程理论性和实践性都很强，学习难度较大。经过几代人的努力和多年的学科建设，作为西安建筑科技大学机电工程学院（以下简称“我校”）的重点课程，创建了“工程机械设计”教学团队，并且得到了学校的资助。虽然“工程机械设计”课程在课程体系及教学内容方面进行了一些有益的尝试和改革，取得了一些成绩，但同时也存在一些不足之处：实验条件和实验设备通过近几年的建设有了一定程度的改善，但随着科技的发展，现代工程机械不断进步，需要进一步建设和改善；课程内容应紧随时代发展，应不断充实、不断完善；多种机型的多媒体课件和网络教学资源有待进一步加强。因此，为了便于学生的学习和教师的教学，应对其课程教学和实践内容进行改革和研究，本文提出了基于现实环境和虚拟样机技术相结合的动态教学方法，能够克服基础硬件不足的缺点，不仅是该课程的授课需要，而且也加深了学生对该课程授课内容的理解，具有很大的指导作用。[1-3]
一、“工程机械设计”课程的特点
“工程机械设计”是高等院校工程机械类专业的重要专业技术必修课，是学生必备的专业技术知识。主要学习工程机械设计的基本步骤、方法和原理，以常用工程机械轮式装载机或液压挖掘机为例，介绍工程机械的设计过程，对典型液压系统、故障诊断等进行分析。本课程的教学思想采用循序渐进的方式，由局部到整体，由简单到复杂，逐步掌握零部件设计的关键技术和工程机械设计的总体设计思想。在课程安排上注重与其他课程架构的联系和衔接，涉及到的先修课有“机械设计基础”、“机械原理”、“材料力学”、“理论力学”、“钢结构”、“机械系统动力学”和“液压原理”等多门课程。该课程不仅涉及范围广、教学内容多、课时数相对少，而且不同课程之间相互联系，其理论性和实践性都很强，是一门教师难教、学生难学的课程，具有基本概念与基本原理多、应用性强的特点，需要理论教学和实践教学紧密结合。因而，“工程机械设计”是一门理论与实践应用结合紧密的专业基础课，而且在培养学生的实践能力和综合素质方面占有独特地位。
二、教学过程中存在的问题
“工程机械设计”是一门实践性很强的课程，而且其内容复杂，机械类型多，整机空间结构复杂，课程难懂，从而使学生在学习中产生畏难和厌烦的情绪。通过调查分析，主要原因有三方面。
1.教学方式比较单一
长期以来盛行的“灌输式”、“填鸭式”的教学方法已经不能适应当代学生的学习兴趣，传统教学手段比如板书、模型、教具、挂图、实物必不可少，但是对于各个结构之间关系和整机的运动过程难以形象地动态演示出来，有些学生对设计过程的理解有些困难。例如，轮式装载机的六连杆或八连杆工作装置机构空间运动比较复杂，有些学生不能想象出其空间的运动情况，学生对整个设计过程不能深刻理解，长期以往会出现学不懂、甚至放弃的现象。
随着现代科技的加速发展，不断有新的产品和技术出现，知识量急增，传统的教学方式已经不能适应课程的教学。因而要采用现代教育技术的手段，给教学提供强有力的支持。
2.学校硬件条件较差
由于该课程涉及工作机构空间的运动情况，单靠授课教师语言的描述很难让学生深刻理解机构的运动工况，而且运动工况难以通过画图、挂图等方式表达出来。因此，教学过程中需要一定数量的三维实体教学模型和实验装备，然而学校在这方面的设施却很落后。例如，工作装置部分的液压传动与液压控制技术一直是教学中的重点和难点，因其原理的抽象性和技术的隐蔽性使学生对教学过程中很多概念和图形常感到困惑难解。这给授课教师带来很多不便，也对授课教师提出了更高的要求。
3.实践教学环节薄弱
由于该课程涉及到工程机械在实际工况下的作业，如果能让学生在实验室或者工地亲临感受，将对授课有很大的帮助。然而，在实践教学方面，学院没有具体的措施，这样无法使学生真正理解工程机械内部的工作原理。
根据本课程的特点和学生的需要，提出基于现实环境和虚拟样机技术动态教学方法，将现代科学技术手段应用到课堂上，弥补现有的不足，能够让学生真实地感受到机构运动的空间结构和实际工况，有利于理解设计过程，增强课堂效果，培养学生的创新思维能力。
三、基于现实环境和虚拟样机技术的动态教学法
针对“工程机械设计”课程本身的特点以及教学过程中存在的问题，结合笔者多年来在具体教学实践中的经验及做法，提出了以解决实际问题为目的、调整教学方法为主要手段的课程教学创新模式；采用现代化教学手段，从工程实际应用角度改进理论教学；采用仿真教学、理论与实践有机结合的教学方法。从而有利于提高学生的理解、接受能力，提高课堂教学质量，同时在培养学生的创新思维方面有了进一步的启发。[4-6]
1.基于现实环境的教学方法
“工程机械设计”课程具有很强的理论联系实际和工程应用的特点，课堂上干巴巴的讲述，学生并不能完全理解工程机械实际工况的运动和工作。而到实际的建设工地，制作工程机械操作、运动和作业的实际环境录像，将工程机械生产、装配和实际施工的现实环境录像搬到课堂上，可以产生良好的效果。首先，可以使学生直观地了解复杂的工程机械施工工程，理解各个机构的三维空间运动，能够激发学生的兴趣和增强理解授课内容的程度，这些实际环境在课堂教学中的展示，显著地增强了教学效果，激发了学生的兴趣。因而在教学过程中，配置这样实际环境工程机械制造、安装和施工等现场的录像播放，使学生有更为逼真的感受。其次，在整个教学环节中，学生能够真实地看到工程机械施工现场的恶劣环境和驾驶员的辛苦，因而培养学生要有设计出完美优秀产品的兴趣和思维，培养了学生的基本技能、专业能力和创新能力，全面提高学生的综合素质，培养思想过硬、基础扎实、适应性强的实践能力，培养以“能吃苦、下得去、留得住、干得好、成长快”为特色的高素质工程型人才。再次，增大了课堂的信息量，开阔了学生的视野，帮助学生掌握课程的重点、难点及具体的结构内容，提高了教学效率和教学质量，达到了一定的教学目的。最后，可以节省学生的参观时间和参观联系费用等，弥补学院现有的不足。
2.基于虚拟样机技术的教学方法[7]
虚拟样机技术是随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替原来的实物样机，也就是在三维设计环境中可以进行产品的模拟装配以获得机器或部件的三维实体，在一个可视化的环境中，实现工程机械机构运动仿真、产品有限元分析、计算机辅助制造与动画生成。
虚拟样机技术融合了许多相关技术，它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络并行处理，利用计算机生成的三维空间形象实现目标合成技术，通过视、听、触觉，以图表及动画方式呈现。因而虚拟样机技术具有立体、直观的优点，从视觉、听觉和行为感觉上都会产生身临其境的状态，这对于“工程机械设计”课程的课堂教学非常有帮助。
虚拟样机技术在实际工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商业化软件实现的。目前市场上一批成熟的CAD、CAE商业软件，在产品结构三维CAD设计方面有PRO/ENGINEER、UG、SOLID WORKS、CATIA等。结构、流体等有限元分析软件有ANSYS、NASTRAN、MARC、FLUENT等。运动学和动力学仿真软件可采用ADAMS软件。结构分析常采用ANSYS软件，因而在工程机械设计中，常采用Pro/ENGINEER、ADAMS和ANSYS等软件进行动力学仿真和有限元分析。[8]
应用ADAMS软件建立的轮式装载机和液压挖掘机整机三维模型如图1、图2所示。
应用ANSYS软件对液压挖掘机整机有限元分析如图3、图4所示。
这些软件可以建立不同工况下的模型分析，得到动力学仿真和有限元分析结果，还可以保存成动画格式，上课的时候可以展示给学生。能够让学生真切地看到工程机械的工作运动过程，采用动画、图像、文字、声音于一体的教学方式，帮助学生学习和掌握课程内容。通过动画、视频等计算机多媒体技术形象地展示工程机械（例如轮式装载机和液压挖掘机等）工作原理与实际工作过程，还可动态显示各部件之间的联系和运动关系，既生动又形象。学生可直观地、立体地和动态地学习所学知识，学习现代工程机械，在充分运用实际环境、仿真模拟、情境教学等多种教学形式中，形成一种动态的教学方法，可取得传统教学方法无法比拟的效果。同时让学生掌握CAD/CAM/CAE等技术，提高课堂教学效果，达到教学目标。
四、结论
通过一系列的教学改革，虚拟样机技术也存在一定的弊端。也就是说，一切都是虚拟的，无法触摸，难以让学生与现实环境相结合，建立对事物的感性认识。为此，针对这门课程的实际性和工程应用特点，将工程实际环境通过录像转入课堂，使学生能够产生“真情实感”；采用虚拟样机技术建立三维动态仿真模型，将教材的静态文字与图形变革为实体产品的动态演示（拆装、运动、受力分析等），加大课堂信息量，二者相互补充，形成一种动态教学方法，通过比较，使学生正确理解，弄清概念，加深记忆。随着当前科技发展的新动态和新技术的更新，改变相应的教学内容，以拓宽学生的知识面，提高学生的就业率。针对“工程机械设计”这一重要的学科方向专业课，结合我校机械设计制造及其自动化专业的实际情况，提出基于现实环境和虚拟样机技术的动态教学方法，提高该课程的教学水平与教学效果，培养学生运用所学知识解决实际问题的能力。
参考文献：
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（责任编辑：李海静）