1在机械类课程教学中实践的意义
1.1在教学中应用的理论依据
虚拟仿真技术可将学习对象、学习资源、学习情境和学习工具进行有机结合，将一些看得见表面但摸不着实际的学习对象，通过某些技术和工具，使学习者能看得清其实质，还能感觉到其实际，为学习者创设良好的学习情境，有效促进了学习者的体验学习。关于体验学习，美国心理学家库伯(DavidKolb)用4个元素建立起了4阶段理论模型:具体的经验、观察与反思、形成抽象的概念和普遍的原理以及在新情境中检验概念的意义。对学习者而言，其学习过程应遵循“学习圈”(learningcycle)。学习的起点或知识的获取首先是来自人们的经验或者感性的认知，有了“经验”，学习者的下一步逻辑过程便是对已获经验进行“观察”与“反思”(reflection)，把“有限的经验”形成抽象的概念和普遍的原理。在教学过程中，特别是高等教育中的机械类课程，学习者即学生很难在有限的时间对其学习对象如一些机械装备进行感性认识，虚拟仿真技术在教学中的应用恰恰满足了学生在学习中感性体验的需求，在情景中体验概念的意义，使得知识外延扩大。
1.2在机械类课程中教学的效果
机械基础类课程通常由《机械制图》、《机械原理》和《数控机床》等课程组成。在这些课程的教学中，既需要演示大量的实物、机械运动过程、加工、制造、检验方法和过程等，又需要将工程实际中提出的理论问题用虚拟仿真手段演示。采用虚拟仿真技术的CAI课件可以为教学提供很好的资源。如《机械制图》课程中，除了强调学生的识图绘图能力之外，空间想象与空间思考能力尤为重要。作为教学重点与难点，传统的文字讲解与配图很难让学生在脑中具体地构造模型，而虚拟仿真技术的应用可以直接将三维立体图展现在课堂之上，化抽象为具体。学生可从内部、外部以及各角度观察立体模型，再与平面绘图相结合，利于学生的理解。在《机械原理》课程中，运动机构的认知与理解为教学的核心，如何将教材中静止的机构配图的运动情景理解为真实的场景成为学习《机械原理》的关键。如在机构自由度的分析和计算过程中，复合铰链很难讲解透彻，若用设计出复合铰链实际的装配，学生会一目了然看到在3个杆件的结合点有2个铰链，而避免因平面图形看上去只有1个铰链的错误感觉。采用虚拟仿真技术，将机构运动做成虚拟动画，即可达到更好的教学效果，还可节省成本，符合教学改革发展的趋势。在《数控机床》课程中，机床加工过程用纯文本加图片的教学方式不易被学生理解，最佳的学习方式就是实际操作，但很多学校办学规模有限，缺少相应的实习基地，且实际操作具有一定风险。采用虚拟仿真技术进行设计加工的模拟，既可以避免真实教学给人带来的危险，又可以减少相应投资的成本，同时可以系统、完整地为学生呈现出整个工艺过程，极大地帮助学生的理解和记忆。
2棉花制钵机的仿真动画制作
教学过程中向学生展示农业棉花制钵机，实物成本高，体积大，不适合作为课堂教具，虚拟仿真技术在教学中的应用，可以利用Pro?E软件对棉花制钵机进行实体建模，并以其机构部件的实际连接为基础，对其进行装配。在设置了机构连接方式和运动方式的前提下，利用Pro?E的“机构”模块对制钵机工作过程进行了仿真，进而分析了制钵机构工作过程中的运动特点，使得学生更加直观地了解其工作原理。
2.1制钵机主要结构的三维建模
制钵机由传动机构、填料机构、压料机构和输出机构等部分组成。
(1)传动机构:制钵机传动机构由单相异步电动机、离合器、减速器和链条等机构组成。实现了速度的调速以及运动的配合，使压料机构和送料机构的动作能够匹配。
(2)填料机构:由进料斗、间歇齿轮和钵模盘组成。
(3)压料机构:由偏心轮顶压结构和曲柄滑块结构组成。偏心轮顶压结构和曲柄滑块结构的两冲头做直线往复运动，在模孔中将土壤挤压成型和冲出钵体。
(4)输出结构:主要由链轮组成，将成形的营养钵输出。
2.2制钵机装配模型的建立
装配时，用应用程序的“标准”界面操作。点击“插入”中“元件”后的“装配”，选择保存路径中元件，根据实际情况选择连接方式。如减速箱内轴与减速箱体，齿轮与轴之间连接类型为销钉连接、制钵机机架与填料箱顶杆为刚性连接。制钵机的动态虚拟仿真除标准装配模式外，还需要采用Pro?E“应用程序”中的“机构”功能，可选择齿轮间的连接以及添加伺服电机。制钵机装配过程应按如下顺序进行。
(1)插入机架，连接方式设置为缺省，即为完全约束。
(2)电机支架、轮胎杆，以及各个顶杆与机架间连接方式为刚性连接。
(3)轮胎与轮胎杆之间连接方式为销钉连接，需设置旋转轴与连接平面。
(4)制动杆与电机轴间为圆柱连接。
(5)减速箱内轴与减速箱壳体为刚性连接，轴上齿轮与轴为销钉连接，而相互啮合的齿轮间为“机构”功能中的“齿轮连接”。
(6)料斗与机架之间采用平面连接，制钵机构通过连杆的滑动杆连接与机架相连。
2.3制钵机虚拟仿真运动模型的建立
制钵机的工作原理:电动机为动力输出源，通过胶带与减速箱相连。减速箱中装有锥齿轮，动力分水平与竖直两方向输出。水平方向通过链轮与冲压装置相连，构成曲柄滑块机构，竖直方向通过不完全齿轮机构带动料斗间歇运动。同时通过另一链轮与滚轮相连，带动输出胶带的传动。料斗中的营养土在刮板带动下进入钵体，压料机构杆向下运动压实钵体中的营养土，再转一个角度，钵体下方设有托盘，接着另一个压料机构杆轻压落入胶带后被胶带传输至储存处。根据机构装配所建的仿真装配文件，选择“应用程序”中的“机构”进入Pro?E的机构模块，仿真设置过程如下。
(1)检测装配模型，进入系统机构设计环境，然后点击“拖动模型”工具，并拖动各运动机构看是否按预期的运动方式运动。
(2)添加伺服电动机，在工具栏中选择“定义伺服电机”，根据需要在电动机类型中选择“运动轴”或者“几何”，再选择“轮廓”中的参数，通过位置、速度和加速度3个参数与时间的函数关系来定义电机。同时可根据设定“模”来实现精准的电机控制。“图形”功能可以直观地显示电动机的运动模型。
(3)电机运行，使用工具栏中的“机构分析”功能，在分析定义中的“电动机”中设置各电机的起始与终止时间，仿真过程中电机数量较多，需根据需要一一设定。
(4)创建动画。简单动画制作可使用机构树中的“回放”功能，可选择“捕获”按钮将动画输出。或根据“应用程序”中的“动画”模块进行更为生动的运动动画。通过“定时视图”与“定时透明”功能实现多角度、全方位的观察视角的变化，从而更具体细致地观察制钵机的工作过程。
3结束语
从机械类课程虚拟仿真教学的实际出发，分析了虚拟仿真技术在教学中的意义和效果，结合课件制作及课程教学实践，以农业机械类课程中的棉花制钵机的运动仿真动画制作为案例，阐述了虚拟仿真技术在农业机械类教学中的应用。
作者：李润声 林卫国 王树才 单位：华中农业大学工学院
