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1在機械類課程教學中實踐的意義
1.1在教學中應用的理論依據
虛擬仿真技術可將學習對象、學習資源、學習情境和學習工具進行有機結合，將一些看得見表面但摸不著實際的學習對象，通過某些技術和工具，使學習者能看得清其實質，還能感覺到其實際，為學習者創設良好的學習情境，有效促進了學習者的體驗學習。關于體驗學習，美國心理學家庫伯(DavidKolb)用4個元素建立起了4階段理論模型:具體的經驗、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概念的意義。對學習者而言，其學習過程應遵循“學習圈”(learningcycle)。學習的起點或知識的獲取首先是來自人們的經驗或者感性的認知，有了“經驗”，學習者的下一步邏輯過程便是對已獲經驗進行“觀察”與“反思”(reflection)，把“有限的經驗”形成抽象的概念和普遍的原理。在教學過程中，特別是高等教育中的機械類課程，學習者即學生很難在有限的時間對其學習對象如一些機械裝備進行感性認識，虛擬仿真技術在教學中的應用恰恰滿足了學生在學習中感性體驗的需求，在情景中體驗概念的意義，使得知識外延擴大。
1.2在機械類課程中教學的效果
機械基礎類課程通常由《機械制圖》、《機械原理》和《數控機床》等課程組成。在這些課程的教學中，既需要演示大量的實物、機械運動過程、加工、制造、檢驗方法和過程等，又需要將工程實際中提出的理論問題用虛擬仿真手段演示。采用虛擬仿真技術的CAI課件可以為教學提供很好的資源。如《機械制圖》課程中，除了強調學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。作為教學重點與難點，傳統的文字講解與配圖很難讓學生在腦中具體地構造模型，而虛擬仿真技術的應用可以直接將三維立體圖展現在課堂之上，化抽象為具體。學生可從內部、外部以及各角度觀察立體模型，再與平面繪圖相結合，利于學生的理解。在《機械原理》課程中，運動機構的認知與理解為教學的核心，如何將教材中靜止的機構配圖的運動情景理解為真實的場景成為學習《機械原理》的關鍵。如在機構自由度的分析和計算過程中，復合鉸鏈很難講解透徹，若用設計出復合鉸鏈實際的裝配，學生會一目了然看到在3個桿件的結合點有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，將機構運動做成虛擬動畫，即可達到更好的教學效果，還可節省成本，符合教學改革發展的趨勢。在《數控機床》課程中，機床加工過程用純文本加圖片的教學方式不易被學生理解，最佳的學習方式就是實際操作，但很多學校辦學規模有限，缺少相應的實習基地，且實際操作具有一定風險。采用虛擬仿真技術進行設計加工的模擬，既可以避免真實教學給人帶來的危險，又可以減少相應投資的成本，同時可以系統、完整地為學生呈現出整個工藝過程，極大地幫助學生的理解和記憶。
2棉花制缽機的仿真動畫制作
教學過程中向學生展示農業棉花制缽機，實物成本高，體積大，不適合作為課堂教具，虛擬仿真技術在教學中的應用，可以利用Pro?E軟件對棉花制缽機進行實體建模，并以其機構部件的實際連接為基礎，對其進行裝配。在設置了機構連接方式和運動方式的前提下，利用Pro?E的“機構”模塊對制缽機工作過程進行了仿真，進而分析了制缽機構工作過程中的運動特點，使得學生更加直觀地了解其工作原理。
2.1制缽機主要結構的三維建模
制缽機由傳動機構、填料機構、壓料機構和輸出機構等部分組成。
(1)傳動機構:制缽機傳動機構由單相異步電動機、離合器、減速器和鏈條等機構組成。實現了速度的調速以及運動的配合，使壓料機構和送料機構的動作能夠匹配。
(2)填料機構:由進料斗、間歇齒輪和缽模盤組成。
(3)壓料機構:由偏心輪頂壓結構和曲柄滑塊結構組成。偏心輪頂壓結構和曲柄滑塊結構的兩沖頭做直線往復運動，在?？字袑⑼寥罃D壓成型和沖出缽體。
(4)輸出結構:主要由鏈輪組成，將成形的營養缽輸出。
2.2制缽機裝配模型的建立
裝配時，用應用程序的“標準”界面操作。點擊“插入”中“元件”后的“裝配”，選擇保存路徑中元件，根據實際情況選擇連接方式。如減速箱內軸與減速箱體，齒輪與軸之間連接類型為銷釘連接、制缽機機架與填料箱頂桿為剛性連接。制缽機的動態虛擬仿真除標準裝配模式外，還需要采用Pro?E“應用程序”中的“機構”功能，可選擇齒輪間的連接以及添加伺服電機。制缽機裝配過程應按如下順序進行。
(1)插入機架，連接方式設置為缺省，即為完全約束。
(2)電機支架、輪胎桿，以及各個頂桿與機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，需設置旋轉軸與連接平面。
(4)制動桿與電機軸間為圓柱連接。
(5)減速箱內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“機構”功能中的“齒輪連接”。
(6)料斗與機架之間采用平面連接，制缽機構通過連桿的滑動桿連接與機架相連。
2.3制缽機虛擬仿真運動模型的建立
制缽機的工作原理:電動機為動力輸出源，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，構成曲柄滑塊機構，豎直方向通過不完全齒輪機構帶動料斗間歇運動。同時通過另一鏈輪與滾輪相連，帶動輸出膠帶的傳動。料斗中的營養土在刮板帶動下進入缽體，壓料機構桿向下運動壓實缽體中的營養土，再轉一個角度，缽體下方設有托盤，接著另一個壓料機構桿輕壓落入膠帶后被膠帶傳輸至儲存處。根據機構裝配所建的仿真裝配文件，選擇“應用程序”中的“機構”進入Pro?E的機構模塊，仿真設置過程如下。
(1)檢測裝配模型，進入系統機構設計環境，然后點擊“拖動模型”工具，并拖動各運動機構看是否按預期的運動方式運動。
(2)添加伺服電動機，在工具欄中選擇“定義伺服電機”，根據需要在電動機類型中選擇“運動軸”或者“幾何”，再選擇“輪廓”中的參數，通過位置、速度和加速度3個參數與時間的函數關系來定義電機。同時可根據設定“模”來實現精準的電機控制。“圖形”功能可以直觀地顯示電動機的運動模型。
(3)電機運行，使用工具欄中的“機構分析”功能，在分析定義中的“電動機”中設置各電機的起始與終止時間，仿真過程中電機數量較多，需根據需要一一設定。
(4)創建動畫。簡單動畫制作可使用機構樹中的“回放”功能，可選擇“捕獲”按鈕將動畫輸出?；蚋鶕?ldquo;應用程序”中的“動畫”模塊進行更為生動的運動動畫。通過“定時視圖”與“定時透明”功能實現多角度、全方位的觀察視角的變化，從而更具體細致地觀察制缽機的工作過程。
3結束語
從機械類課程虛擬仿真教學的實際出發，分析了虛擬仿真技術在教學中的意義和效果，結合課件制作及課程教學實踐，以農業機械類課程中的棉花制缽機的運動仿真動畫制作為案例，闡述了虛擬仿真技術在農業機械類教學中的應用。
作者：李潤聲 林衛國 王樹才 單位：華中農業大學工學院
