机械工程教学中的教育研讨范文

1基于Matlab的工程数学教学技术

工科学生的数学学习目标是学会数学工具并用以解决工程问题，因此学习的重点应该是数学思想和概念、如何建立数学模型并获得正确的结果。采用数学软件辅助教学，将复杂的数学计算交给软件完成，把宝贵的学习时间更多的投入到数学模型的建立上，一方面可以提高学生学习积极性、提高课堂效率，另一方面提高学生应用数学工具分析、解决问题的能力，解决工程问题。常用数学工具软件有Matlab、Mathematica、Mathcad、Maple等，其中又以matlab应用最为普遍。Matlab是matrix和labo-ratory两个词的组合，意为矩阵实验室，是美国MathWorks公司的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的商业数学软件，将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了C、Fortran等传统程序设计语言的非交互式编辑模式。Matlab的数值计算、符号计算、可视化图形显示等功能为工程数学的学习提供了便利工具。

1.1数值计算数值计算与分析在现代工程技术和科学研究中得到越来越广泛的应用，这使得现代科技越来越依赖数学工具的同时，也促进了数值计算与分析技术的发展。Matlab软件的功能很强大，但是最成熟、最强大的还是其数值计算与分析功能。Matlab在数值计算方面主要有矩阵的定义、运算、分解、线性与非线性方程组的数值解、系数矩阵技术、多项式运算、插值与拟合、差分与导数、数值积分、微分方程的数值解、数理统计等，Matlab数值计算的部分功能函数如表2所示。

1.2符号计算在科学研究和工程应用中，除了大量数值计算外，有时需要对符号对象进行运算，得到以符号形式表示的比数值计算更一般的结果。Matlab基于Maple内核，开发了用以进行符号计算的符号运算工具箱（SymbolicMathToolbox），可以完成包括符号函数与符号方程的定义、运算、复合、化简，符号矩阵算，符号微分，符号积分，符号代数方程和符号微分方程求解，符号积分变换和符号特殊函数在内的几乎所有符号运算功能。在Matlab中通常先用sym或syms来构造符号变量和符号表达式，再用工具箱的中函数求解。极限是非常重要的概念，是基本的数学工具，是工程数学教学中的重点，也是工程数学教学中的难点，采用Matlab软件，可以通过limit函数实现函数极限运算。

1.3图形绘制和数据可视化工程数学中常常会遇到各种图形，图形绘制、特别是空间立体图形的绘制，往往繁冗复杂，难以得到理想的图形和效果；工程计算中的大量数据对于普通用户而言，往往是复杂抽象、晦涩难懂的，如果能用图形表示数据，直观地显示数学函数、计算数据和仿真结果，能达到事半功倍的效果。Matlab具有数百个和图形操作方面的命令和函数，不仅可以绘制二维、三维甚至四维图形，还可以对图形的线型、平面、色彩、光线、视角等要素控制，使绘制的图形尽善尽美。基于Matlab等数学工具软件的工程数学教学，具有便于理解抽象概念、理解记忆数学定理、建立空间思维模型、拓宽数学的知识面、节约学习时间等优点，但是过多依赖于软件，又会影响学生抽象能力的提高、影响学生手算能力的训练和提高，同时具有重工具轻理论的倾向。

2基于3D软件的机械专业课程教学技术

3D软件具有三维几何建模、二维工程图等功能，可以将抽象的三维几何模型自动转化为二维工程图形，建模简单、操作方便，因此，基于3D软件进行专业课程教学，不仅可以降低空间抽象想象能力要求、解放学生，而且可以提高效率。

2.1辅助机械制图教学机械制图的核心是要将三维空间在二维图纸上表达，不仅有抽象的空间想象，而且要进行投影计算，机械制图课程历来是机械工程专业学生最头痛的课程之一。机械制图教学中，常规的方法是教师借助于模型及各类挂图以及大师的立体图和三视图进行有效教学，而学生也需通过不断反复的训练，并进行立体图和三视图的不断比较才能达到一定的教学效果，但是效果依然不如意。借助于3D软件，完成机械制图中用到的各类模型的创建，而且，可利用其动态剖视功能，随心所欲的展示结构的内部结构及任意位置的剖面情况，再通过模型生成所需的各类工程视图，清晰、形象而生动的完成知识的教授。Solidworks软件功能强大、操作简单方便、易学易用，是目前市场上所见到的三维CAD解决方案中设计过程比较简便而方便的软件之一，由此得到了广泛的应用。教学过程中，可以利用Solidworks高精度、高质感、形象逼真、色彩丰富的特点，将复杂形体的外形和内腔、相贯线的变化趋势、装配体各零件之间的连接关系、配合关系等充分展示出来，简化教学，而且可以根据教学需要，作适时修改，达到低成本、高质量的教学目的。

2.2辅助机械原理课程教学机械原理中的各种机构，不管是采用图解法还是解析法求解都是静态的，如果采用SolidworksMotion将物理模型与工程条件关联，利用其提供的多种代表真实运行条件的运动副和作用力选项，如铰链、螺钉、万向节等复合运动副、阶梯函数和谐波函数等输入函数；线性和非线性弹簧、力、力矩和3D接触等，捕获或定义零件间的相互作用，使用功能强大且直观的可视化工具来表示任意点的位移、速度、加速度、运动副位置上的力向量等在整个模拟期间的轨迹，同时检查装配体移动时碰撞的零件等，使参与产品开发过程的所有人都能够轻松、高效地协作并共享分析结果。

2.3辅助机械设计课程教学可以利用Solidworks软件的装配功能及动画模拟功能进行充分的展示，达到形象、生动的教学效果，利于学生掌握相关的知识点，利于验证各种设计的合理性。另外，利用Solid-works快捷的多配置功能及系列化零件的功能，可迅速地完成系列化零件的创建工作。Solidworks的插件Animator可用于制作产品的演示，交流设计思想，同时能有效促进多方设计人员的协同工作。使用Animator能将Solidworks的三维模型实现动态的可视化，并且及时录制产品设计的模拟装配过程、模拟拆卸过程和产品的模拟运行过程，将设计者的意图更好地传递给各户。

2.4辅助工程力学教学Solidworks软件提供了强大的有限元分析功能，可在Solidworks环境下迅速、准确的完成构件的应力、应变、受力分析，进行强度分析、优化设计等工作，在工程力学教学过程中，利于学生掌握各相关的知识点，并学会利用现代化工具优化设计的方法及理念。

3基于VR技术的设计与体验

VR，全称为VirtualReality，虚拟现实技术，由拉尼尔（JaronLanier）在80年代初提出的，也称灵境技术或人工环境，是一种基于计算机的高技术模拟系统，集成了计算机图形技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术，其特点在于计算机产生一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人为虚拟环境，从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉。虚拟现实系统组成包括硬件和软件，其系统模型如图4所示，系统硬件主要是输入工具和演示设备，如头盔式显示器、跟踪器、传感手套、屏幕式、房式立体显示系统、三维立体声装置；软件包括VRP、Quest3D、Patchwork3D、EONReality等。在工业设计中，利用VR技术和科学计算可视化技术，根据产品的计算机辅助设计(CAD)模型和数据以及计算机辅助工程(CAE)仿真和分析的结果，所生成的一种具有沉浸感和真实感，并可进行直观交互的产品虚拟样机。VR在机械工业中的应用主要有工业园模拟、机床模拟操作、设备管理、虚拟装配和工控仿真。由于VR技术本身特性的原因，所以从事以上相关工作的模拟就变得十分方便、快捷，并能做到真实和准确。

4结语

终身学习背景下为提高信息获取与传播效率、效果的计算机及其外设技术本质上是广义教育技术。文章提出基于广义教育技术建立机械工程专业教学系统，包括基于Matlab软件的辅助高等数学、线性代数、概率论与数理统计等数值计算、符号计算、图形绘制和数据可视化教学技术，基于Solid-works软件的辅助机械制图、工程力学、机械原理、机械设计等机械专业课程教学技术，基于虚拟现实技术的数字化设计与制造、装配仿真、流程仿真、工厂仿真等专业前沿教学技术。基于广义教育技术的机械工程专业教学系统，有助于提高教学效率、提高学习效果，可以帮助机械专业毕业生更快完成从学生到技术工作人员的角色转换。

作者：李冬英李梦奇王斌庾辉黄卫平单位：邵阳学院政法系邵阳学院机械与能源工程系