前言：尋找寫作靈感？中文期刊網(wǎng)用心挑選的農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬仿真課程教學(xué)應(yīng)用，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

1在機(jī)械類課程教學(xué)中實(shí)踐的意義

1.1在教學(xué)中應(yīng)用的理論依據(jù)

虛擬仿真技術(shù)可將學(xué)習(xí)對象、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)情境和學(xué)習(xí)工具進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，將一些看得見表面但摸不著實(shí)際的學(xué)習(xí)對象，通過某些技術(shù)和工具，使學(xué)習(xí)者能看得清其實(shí)質(zhì)，還能感覺到其實(shí)際，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)良好的學(xué)習(xí)情境，有效促進(jìn)了學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)學(xué)習(xí)。關(guān)于體驗(yàn)學(xué)習(xí)，美國心理學(xué)家?guī)觳?DavidKolb)用4個元素建立起了4階段理論模型:具體的經(jīng)驗(yàn)、觀察與反思、形成抽象的概念和普遍的原理以及在新情境中檢驗(yàn)概念的意義。對學(xué)習(xí)者而言，其學(xué)習(xí)過程應(yīng)遵循“學(xué)習(xí)圈”(learningcycle)。學(xué)習(xí)的起點(diǎn)或知識的獲取首先是來自人們的經(jīng)驗(yàn)或者感性的認(rèn)知，有了“經(jīng)驗(yàn)”，學(xué)習(xí)者的下一步邏輯過程便是對已獲經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行“觀察”與“反思”(reflection)，把“有限的經(jīng)驗(yàn)”形成抽象的概念和普遍的原理。在教學(xué)過程中，特別是高等教育中的機(jī)械類課程，學(xué)習(xí)者即學(xué)生很難在有限的時間對其學(xué)習(xí)對象如一些機(jī)械裝備進(jìn)行感性認(rèn)識，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用恰恰滿足了學(xué)生在學(xué)習(xí)中感性體驗(yàn)的需求，在情景中體驗(yàn)概念的意義，使得知識外延擴(kuò)大。

1.2在機(jī)械類課程中教學(xué)的效果

機(jī)械基礎(chǔ)類課程通常由《機(jī)械制圖》、《機(jī)械原理》和《數(shù)控機(jī)床》等課程組成。在這些課程的教學(xué)中，既需要演示大量的實(shí)物、機(jī)械運(yùn)動過程、加工、制造、檢驗(yàn)方法和過程等，又需要將工程實(shí)際中提出的理論問題用虛擬仿真手段演示。采用虛擬仿真技術(shù)的CAI課件可以為教學(xué)提供很好的資源。如《機(jī)械制圖》課程中，除了強(qiáng)調(diào)學(xué)生的識圖繪圖能力之外，空間想象與空間思考能力尤為重要。作為教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)，傳統(tǒng)的文字講解與配圖很難讓學(xué)生在腦中具體地構(gòu)造模型，而虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用可以直接將三維立體圖展現(xiàn)在課堂之上，化抽象為具體。學(xué)生可從內(nèi)部、外部以及各角度觀察立體模型，再與平面繪圖相結(jié)合，利于學(xué)生的理解。在《機(jī)械原理》課程中，運(yùn)動機(jī)構(gòu)的認(rèn)知與理解為教學(xué)的核心，如何將教材中靜止的機(jī)構(gòu)配圖的運(yùn)動情景理解為真實(shí)的場景成為學(xué)習(xí)《機(jī)械原理》的關(guān)鍵。如在機(jī)構(gòu)自由度的分析和計(jì)算過程中，復(fù)合鉸鏈很難講解透徹，若用設(shè)計(jì)出復(fù)合鉸鏈實(shí)際的裝配，學(xué)生會一目了然看到在3個桿件的結(jié)合點(diǎn)有2個鉸鏈，而避免因平面圖形看上去只有1個鉸鏈的錯誤感覺。采用虛擬仿真技術(shù)，將機(jī)構(gòu)運(yùn)動做成虛擬動畫，即可達(dá)到更好的教學(xué)效果，還可節(jié)省成本，符合教學(xué)改革發(fā)展的趨勢。在《數(shù)控機(jī)床》課程中，機(jī)床加工過程用純文本加圖片的教學(xué)方式不易被學(xué)生理解，最佳的學(xué)習(xí)方式就是實(shí)際操作，但很多學(xué)校辦學(xué)規(guī)模有限，缺少相應(yīng)的實(shí)習(xí)基地，且實(shí)際操作具有一定風(fēng)險。采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)加工的模擬，既可以避免真實(shí)教學(xué)給人帶來的危險，又可以減少相應(yīng)投資的成本，同時可以系統(tǒng)、完整地為學(xué)生呈現(xiàn)出整個工藝過程，極大地幫助學(xué)生的理解和記憶。

2棉花制缽機(jī)的仿真動畫制作

教學(xué)過程中向?qū)W生展示農(nóng)業(yè)棉花制缽機(jī)，實(shí)物成本高，體積大，不適合作為課堂教具，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，可以利用Pro?E軟件對棉花制缽機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模，并以其機(jī)構(gòu)部件的實(shí)際連接為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行裝配。在設(shè)置了機(jī)構(gòu)連接方式和運(yùn)動方式的前提下，利用Pro?E的“機(jī)構(gòu)”模塊對制缽機(jī)工作過程進(jìn)行了仿真，進(jìn)而分析了制缽機(jī)構(gòu)工作過程中的運(yùn)動特點(diǎn)，使得學(xué)生更加直觀地了解其工作原理。

2.1制缽機(jī)主要結(jié)構(gòu)的三維建模

制缽機(jī)由傳動機(jī)構(gòu)、填料機(jī)構(gòu)、壓料機(jī)構(gòu)和輸出機(jī)構(gòu)等部分組成。

(1)傳動機(jī)構(gòu):制缽機(jī)傳動機(jī)構(gòu)由單相異步電動機(jī)、離合器、減速器和鏈條等機(jī)構(gòu)組成。實(shí)現(xiàn)了速度的調(diào)速以及運(yùn)動的配合，使壓料機(jī)構(gòu)和送料機(jī)構(gòu)的動作能夠匹配。

(2)填料機(jī)構(gòu):由進(jìn)料斗、間歇齒輪和缽模盤組成。

(3)壓料機(jī)構(gòu):由偏心輪頂壓結(jié)構(gòu)和曲柄滑塊結(jié)構(gòu)組成。偏心輪頂壓結(jié)構(gòu)和曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的兩沖頭做直線往復(fù)運(yùn)動，在模孔中將土壤擠壓成型和沖出缽體。

(4)輸出結(jié)構(gòu):主要由鏈輪組成，將成形的營養(yǎng)缽輸出。

2.2制缽機(jī)裝配模型的建立

裝配時，用應(yīng)用程序的“標(biāo)準(zhǔn)”界面操作。點(diǎn)擊“插入”中“元件”后的“裝配”，選擇保存路徑中元件，根據(jù)實(shí)際情況選擇連接方式。如減速箱內(nèi)軸與減速箱體，齒輪與軸之間連接類型為銷釘連接、制缽機(jī)機(jī)架與填料箱頂桿為剛性連接。制缽機(jī)的動態(tài)虛擬仿真除標(biāo)準(zhǔn)裝配模式外，還需要采用Pro?E“應(yīng)用程序”中的“機(jī)構(gòu)”功能，可選擇齒輪間的連接以及添加伺服電機(jī)。制缽機(jī)裝配過程應(yīng)按如下順序進(jìn)行。

(1)插入機(jī)架，連接方式設(shè)置為缺省，即為完全約束。

(2)電機(jī)支架、輪胎桿，以及各個頂桿與機(jī)架間連接方式為剛性連接。

(3)輪胎與輪胎桿之間連接方式為銷釘連接，需設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸與連接平面。

(4)制動桿與電機(jī)軸間為圓柱連接。

(5)減速箱內(nèi)軸與減速箱殼體為剛性連接，軸上齒輪與軸為銷釘連接，而相互嚙合的齒輪間為“機(jī)構(gòu)”功能中的“齒輪連接”。

(6)料斗與機(jī)架之間采用平面連接，制缽機(jī)構(gòu)通過連桿的滑動桿連接與機(jī)架相連。

2.3制缽機(jī)虛擬仿真運(yùn)動模型的建立

制缽機(jī)的工作原理:電動機(jī)為動力輸出源，通過膠帶與減速箱相連。減速箱中裝有錐齒輪，動力分水平與豎直兩方向輸出。水平方向通過鏈輪與沖壓裝置相連，構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，豎直方向通過不完全齒輪機(jī)構(gòu)帶動料斗間歇運(yùn)動。同時通過另一鏈輪與滾輪相連，帶動輸出膠帶的傳動。料斗中的營養(yǎng)土在刮板帶動下進(jìn)入缽體，壓料機(jī)構(gòu)桿向下運(yùn)動壓實(shí)缽體中的營養(yǎng)土，再轉(zhuǎn)一個角度，缽體下方設(shè)有托盤，接著另一個壓料機(jī)構(gòu)桿輕壓落入膠帶后被膠帶傳輸至儲存處。根據(jù)機(jī)構(gòu)裝配所建的仿真裝配文件，選擇“應(yīng)用程序”中的“機(jī)構(gòu)”進(jìn)入Pro?E的機(jī)構(gòu)模塊，仿真設(shè)置過程如下。

(1)檢測裝配模型，進(jìn)入系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)境，然后點(diǎn)擊“拖動模型”工具，并拖動各運(yùn)動機(jī)構(gòu)看是否按預(yù)期的運(yùn)動方式運(yùn)動。

(2)添加伺服電動機(jī)，在工具欄中選擇“定義伺服電機(jī)”，根據(jù)需要在電動機(jī)類型中選擇“運(yùn)動軸”或者“幾何”，再選擇“輪廓”中的參數(shù)，通過位置、速度和加速度3個參數(shù)與時間的函數(shù)關(guān)系來定義電機(jī)。同時可根據(jù)設(shè)定“模”來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電機(jī)控制。“圖形”功能可以直觀地顯示電動機(jī)的運(yùn)動模型。

(3)電機(jī)運(yùn)行，使用工具欄中的“機(jī)構(gòu)分析”功能，在分析定義中的“電動機(jī)”中設(shè)置各電機(jī)的起始與終止時間，仿真過程中電機(jī)數(shù)量較多，需根據(jù)需要一一設(shè)定。

(4)創(chuàng)建動畫。簡單動畫制作可使用機(jī)構(gòu)樹中的“回放”功能，可選擇“捕獲”按鈕將動畫輸出。或根據(jù)“應(yīng)用程序”中的“動畫”模塊進(jìn)行更為生動的運(yùn)動動畫。通過“定時視圖”與“定時透明”功能實(shí)現(xiàn)多角度、全方位的觀察視角的變化，從而更具體細(xì)致地觀察制缽機(jī)的工作過程。

3結(jié)束語

從機(jī)械類課程虛擬仿真教學(xué)的實(shí)際出發(fā)，分析了虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的意義和效果，結(jié)合課件制作及課程教學(xué)實(shí)踐，以農(nóng)業(yè)機(jī)械類課程中的棉花制缽機(jī)的運(yùn)動仿真動畫制作為案例，闡述了虛擬仿真技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械類教學(xué)中的應(yīng)用。

作者：李潤聲 林衛(wèi)國 王樹才 單位：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院