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摘要：指出目前机械原理教学存在的问题，通过探讨问题的形成原因，摸索出利用3D设计软件SolidWorks中的motion插件提升机械原理教学效果的办法。在实际教学中，有机结合理论讲解和motion仿真，能促进课程展开，甚至对学生的机械系统整体设计能力都大有裨益。
关键词： 机械原理;motion插件;虚拟样机
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2020）-13-397
1 《机械原理》教学存在的问题
机械原理是大机械类专业的一门专业基础课、核心课，其理论建立在先修课程《理论力学》的知识基础之上[1]。通过近几年的课堂教学情况来看，本课程的教学存在以下几个问题：
（1）部分学生的理论力学基础不扎实，对于惯性力、速度瞬心、惯性矩等力学基本概念理解不到位，导致机械原理课程展开受到影响。在对机构进行运动学、动力学分析时，有些学生难以通过图解法建立平衡方程，遑论通过解析法。
（2）有关连杆、齿轮系等机构的教学章节数学推导本身较为复杂，加之课件若为静态图片，无法动态表达出机构运转的画面，则学生很难从感性层面理解机构的运动情况，进而难以对机构进行动力学分析。
（3）课程主题由于描述的是各种机构，学生感觉机构案例缺乏“血肉”，很难将机构与其结构联系起来，虽然机构的结构设计更多将在《机械设计》课程中展开，但这导致学生难以将学习内容在已修的《机械制图》、设计软件中实现知识变现。
通过指导机械原理课程设计，还发现学生存在機构运动简图建立困难，难以对机构进行受力分析，甚至无法提出机械系统运动方案等问题。
2 动力学仿真软件与《机械原理》
目前，世界上有很多机械动力学仿真的软件，如Adams、SIMPACK、RecurDyn等[2]。这些软件可以进行简单的3维建模，通过定义模型中的运动副、接触以及构建物理场，对机构施加驱动，软件可以计算机构的众多运动学和动力学参数，这与《机械原理》的教学目的不谋而合。但这些专用的仿真软件学习难度较大，操作复杂，后处理效果相对“学术化”，将其贸然渗透进机械原理的教学会占据不少理论教学时间。SolidWorks作为学生在机械原理课程前先修的一款3D设计软件，其中正好有一个动力学仿真插件motion，其界面友好，操作简单，学生很容易将课程中学到的各种传动机构在Solidworks中建模并装配，然后就可以在motion插件中进行运动学或动力学仿真[3]。
3 教学与考核形式的改革
根据上文提出的《机械原理》课程教学存在的问题，并结合solidworks motion插件在机械原理教学中优势，提出几点改革方案：
（1）优化课堂教学授课内容
利用motion插件的动画生成功能，将课程讲授的机构，例如连杆机构，在课前进行3D建模，使案例从抽象的2D机构简图转化成“有血有肉”的3D结构。然后将机构装配体进行运动仿真，仿真动画保存为AVI格式嵌入到课件中进行播放，有效改善学生对运动机构的感性认识效果。在讲解机构有关运动学、动力学分析内容时，先使用motion 对3D模型仿真，待分析的参数如机构位移、速度、角速度、力、力矩等可以在motion 的后处理界面以横坐标为时间、纵坐标为待分析参数直观显示出来。然后再对教材上的图解法、解析法进行讲解。由于学生已经观看AVI动画直观了解了机构的运动全过程，并且通过motion插件仿真预先获得了待分析参数随时间变化的趋势，这样学生就减轻了思想包袱，学习起理论方法来就没有那么畏难、吃力。这个过程中学生还可以对仿真求解与理论分析求解进行反复对比，让学生实实在在体会到理论求解的严密优雅性和计算机辅助分析的简便优越性。
（2）课后作业的改革
以往机械原理课程的课后作业一般是教材上的练习题。题目形式一般是给出机构尺寸与原动机，要求学生分析运动参数，或者给出运动参数，要求学生进行机构综合与原动机选型。学生普遍感觉作业形式偏向“解题”，并未体现机械原理作为设计类课程的本质属性。由于在课程中大量演示了motion插件的操作，且操作简单易于模仿，数次课后学生就能依葫芦画瓢，掌握motion的常用操作。这样，课后作业可改为让学生以小组为单位，将待分析的机构先在solidworks中进行建模装配，然后运用motion进行仿真，后处理结果以及动画需在第二节课课上进行演示，另外一个小组通过图解法、解析法求解，课堂上两个小组进行“结果PK”，看谁的结果更正确，这样可以既能锻炼学生3D软件的操作能力，又能让学生在没有学习《机械设计》课程的前提下初步体验结构设计的感觉，还能激发学生对机械原理理论知识的学习热情，可谓一举三得。
（3）课程设计的改革
课程设计亦可模仿课后作业的改革方案。学生除了完成课程设计该有的机构分析与综合，还可以将分析、综合结果在solidworks motioin的后处理界面中表达出来。由于学生出具了所综合机构的3D模型，在motion插件中，学生还可以任意修改电机、摩擦、阻尼等等条件参数，反复对比，加深对所设计的机构的理解[4]。
除了以上改革方案，motion在机械原理教学中还能加深学生对原动机的理解。Motion可以计算机构中原动机的输出力矩，这样让学生提前对后续的《机电传动控制》有所了解。另外，课程开展的后期可以将motion插件的功能上升到虚拟样机的层面，向学生传播有关机械CAE的相关知识，引导学生关注Adams、SIMPACK、RecurDyn等专业大型仿真软件，考取有关分析仿真工程师方面的证书，提高学生就业能力。
4.总结
通过分析机械原理课程教学和课程设计的实际开展情况，总结存在的问题，提出引入motion插件至机械原理的教学全流程，有效降低了学生在理论学习上的难度，激发了学生的学习热情，让学生乐于3D建模，乐于仿真分析。这不仅有利于机械原理的教学，在后续课程以及学科竞赛中，学生也将深受其益。
参考文献
[1]丁羽，马雪亭.基于SolidWorks虚拟样机技术在机械原理教学方面的应用[J].教育现代化，2019，6（97）：160-161.
[2]顾艳红，钮艳，孙塬，蔡晓君.基于SolidWorks对机械原理课程教学的改革与创新[J].中国现代教育装备，2017（03）：17-19.
[3]陈赛克.SolidWorks软件在机械原理教学中的应用[J].机械研究与应用，2013，26（06）：146-147+150.
[4]常兴，刘国锋.SolidWorks软件在机械原理教学中的应用[J].焦作大学学报，2005（03）：80-81.
关键词： 机械原理;motion插件;虚拟样机
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2020）-13-397
1 《机械原理》教学存在的问题
机械原理是大机械类专业的一门专业基础课、核心课，其理论建立在先修课程《理论力学》的知识基础之上[1]。通过近几年的课堂教学情况来看，本课程的教学存在以下几个问题：
（1）部分学生的理论力学基础不扎实，对于惯性力、速度瞬心、惯性矩等力学基本概念理解不到位，导致机械原理课程展开受到影响。在对机构进行运动学、动力学分析时，有些学生难以通过图解法建立平衡方程，遑论通过解析法。
（2）有关连杆、齿轮系等机构的教学章节数学推导本身较为复杂，加之课件若为静态图片，无法动态表达出机构运转的画面，则学生很难从感性层面理解机构的运动情况，进而难以对机构进行动力学分析。
（3）课程主题由于描述的是各种机构，学生感觉机构案例缺乏“血肉”，很难将机构与其结构联系起来，虽然机构的结构设计更多将在《机械设计》课程中展开，但这导致学生难以将学习内容在已修的《机械制图》、设计软件中实现知识变现。
通过指导机械原理课程设计，还发现学生存在機构运动简图建立困难，难以对机构进行受力分析，甚至无法提出机械系统运动方案等问题。
2 动力学仿真软件与《机械原理》
目前，世界上有很多机械动力学仿真的软件，如Adams、SIMPACK、RecurDyn等[2]。这些软件可以进行简单的3维建模，通过定义模型中的运动副、接触以及构建物理场，对机构施加驱动，软件可以计算机构的众多运动学和动力学参数，这与《机械原理》的教学目的不谋而合。但这些专用的仿真软件学习难度较大，操作复杂，后处理效果相对“学术化”，将其贸然渗透进机械原理的教学会占据不少理论教学时间。SolidWorks作为学生在机械原理课程前先修的一款3D设计软件，其中正好有一个动力学仿真插件motion，其界面友好，操作简单，学生很容易将课程中学到的各种传动机构在Solidworks中建模并装配，然后就可以在motion插件中进行运动学或动力学仿真[3]。
3 教学与考核形式的改革
根据上文提出的《机械原理》课程教学存在的问题，并结合solidworks motion插件在机械原理教学中优势，提出几点改革方案：
（1）优化课堂教学授课内容
利用motion插件的动画生成功能，将课程讲授的机构，例如连杆机构，在课前进行3D建模，使案例从抽象的2D机构简图转化成“有血有肉”的3D结构。然后将机构装配体进行运动仿真，仿真动画保存为AVI格式嵌入到课件中进行播放，有效改善学生对运动机构的感性认识效果。在讲解机构有关运动学、动力学分析内容时，先使用motion 对3D模型仿真，待分析的参数如机构位移、速度、角速度、力、力矩等可以在motion 的后处理界面以横坐标为时间、纵坐标为待分析参数直观显示出来。然后再对教材上的图解法、解析法进行讲解。由于学生已经观看AVI动画直观了解了机构的运动全过程，并且通过motion插件仿真预先获得了待分析参数随时间变化的趋势，这样学生就减轻了思想包袱，学习起理论方法来就没有那么畏难、吃力。这个过程中学生还可以对仿真求解与理论分析求解进行反复对比，让学生实实在在体会到理论求解的严密优雅性和计算机辅助分析的简便优越性。
（2）课后作业的改革
以往机械原理课程的课后作业一般是教材上的练习题。题目形式一般是给出机构尺寸与原动机，要求学生分析运动参数，或者给出运动参数，要求学生进行机构综合与原动机选型。学生普遍感觉作业形式偏向“解题”，并未体现机械原理作为设计类课程的本质属性。由于在课程中大量演示了motion插件的操作，且操作简单易于模仿，数次课后学生就能依葫芦画瓢，掌握motion的常用操作。这样，课后作业可改为让学生以小组为单位，将待分析的机构先在solidworks中进行建模装配，然后运用motion进行仿真，后处理结果以及动画需在第二节课课上进行演示，另外一个小组通过图解法、解析法求解，课堂上两个小组进行“结果PK”，看谁的结果更正确，这样可以既能锻炼学生3D软件的操作能力，又能让学生在没有学习《机械设计》课程的前提下初步体验结构设计的感觉，还能激发学生对机械原理理论知识的学习热情，可谓一举三得。
（3）课程设计的改革
课程设计亦可模仿课后作业的改革方案。学生除了完成课程设计该有的机构分析与综合，还可以将分析、综合结果在solidworks motioin的后处理界面中表达出来。由于学生出具了所综合机构的3D模型，在motion插件中，学生还可以任意修改电机、摩擦、阻尼等等条件参数，反复对比，加深对所设计的机构的理解[4]。
除了以上改革方案，motion在机械原理教学中还能加深学生对原动机的理解。Motion可以计算机构中原动机的输出力矩，这样让学生提前对后续的《机电传动控制》有所了解。另外，课程开展的后期可以将motion插件的功能上升到虚拟样机的层面，向学生传播有关机械CAE的相关知识，引导学生关注Adams、SIMPACK、RecurDyn等专业大型仿真软件，考取有关分析仿真工程师方面的证书，提高学生就业能力。
4.总结
通过分析机械原理课程教学和课程设计的实际开展情况，总结存在的问题，提出引入motion插件至机械原理的教学全流程，有效降低了学生在理论学习上的难度，激发了学生的学习热情，让学生乐于3D建模，乐于仿真分析。这不仅有利于机械原理的教学，在后续课程以及学科竞赛中，学生也将深受其益。
参考文献
[1]丁羽，马雪亭.基于SolidWorks虚拟样机技术在机械原理教学方面的应用[J].教育现代化，2019，6（97）：160-161.
[2]顾艳红，钮艳，孙塬，蔡晓君.基于SolidWorks对机械原理课程教学的改革与创新[J].中国现代教育装备，2017（03）：17-19.
[3]陈赛克.SolidWorks软件在机械原理教学中的应用[J].机械研究与应用，2013，26（06）：146-147+150.
[4]常兴，刘国锋.SolidWorks软件在机械原理教学中的应用[J].焦作大学学报，2005（03）：80-81.