基于cdio教育模式的机械原理课程设计教学改革

洛阳理工学院学报（自然科学版）

2019年12月Journal of Luoyang Institute of Science and Technology( Natural Science Edition)

Vol. 29 No. 4

Dec. 2019

基于CDIO教育模式的机械原理课程设计教学改革

王荣先，韩存仓，张春伟，王定保

(洛阳理工学院机械工程学院，河南洛阳471023)

摘要：在机械原理课程设计教学环节中，进行了基于CDI0理念的教学模式改革实践。利用AutoLISP语言开 发了适用于机构设计的教学软件，帮助学生在较短时间完成了机构设计、运动仿真、模型制作及运行等实践任 务。这种教学模式改革提升了学生创新能力，为后续专此课程的学习奠定了良好的基础。

关键词：CDI0;机械原理；课程设计；教学模式 D0I ： 10.3969/j.issn. 1674-5043.2019.04.017中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1674-5043(2019)04-0094-03

CDI0教育模式是由麻省理工学院和瑞典皇家理工学院创立的一种全新的工程教育模式⑴。CDI0代

表Conceive (构思）、Design (设计）、Implement (实施）和Operate (运作）。机械原理是高等院校机械 类专业的主干课程，主要研究常见机构的结构原理和设计方法。学生采用图解法、解析法进行课程设计， 完成机构设计，达到提高设计能力的目的。

近年来，以AutoCAD、SolidWorks、ANSYS等为代表的现代设计、分析软件功能强大，已经成为机械 工程行业中不可或缺的工具。机械原理课程研究对象、教学内容也随之发生了变化[2]，从传统机械转向 现代机械，由静态分析转向动态分析和有限元分析，由物理样机实验转向虚拟仿真实验。课程教学重点 从图解法、局部设计转向解析法、总体方案设计[3_4]。为适应这种变革，将CDI0理念引入教学活动中， 进行以提高学生应用能力为目标的教学改革显得十分必要。

1机械原理课程设计教学模式现状

机械原理课程设计为期1周，通常开设在大二下学期。设计对象为牛头刨床、压床等通用机械，学生 采用图解法或解析法进行机构设计及运动分析。图解法是通过列出矢量方程式，用作图的方法进行设计 求解，直观易懂，但作图过程繁琐、精度不高；解析法是根据设计内容及机构类型建立数学模型，采用 软件对位移方程、速度方程和加速度方程进行求解并绘制运动曲线，求解精度高，但对学生综合能力要 求高。在实践教学环节中，存在下列问题：

(1) (2) (3) 的学习。

针对上述问题，国内外许多高校进行了教学实践探索。刘怀广探索了计算机技术在机械原理课程设 计中的多维度应用[5];曾达幸进行了基于0BE教育理念的机械原理课程设计教学改革[6]。国外工科院校 开设的机械原理课程，注重实际应用。美国麻省理工学院、加拿大多伦多大学的机械工程专业机械原理 教学内容所涉及的基本理论与国内基本相同，但研究对象不再是牛头刨床之类的传统机械，而是机器人、

收稿日期：2019-09-19

作者简介：王荣先（1970-),女，河南洛阳人，硕士，副教授，主要从事机械原理教学方面的研究.基金项目：洛阳理工学院教研项目（18JYYB-18).

课程设计题目陈旧，选题范围窄。设计内容模式化，设计的结果不可避免的出现雷同现象，学 学生在有限的时间内仅从图解法和解析法中选择其一进行实践，没法实现机构设计的整套流程， 学生机械基础知识积累相对不足，缺乏工程实践经验，将三维设计仿真软件或计算机编程技术

生没有独立思考的空间和实践的机会，不利于创新型人才的成长。只能按既定的方案进行设计，严重束缚了学生的创新应用能力。

应用到机械原理课程设计的能力有限。但仅采用图解法进行机构设计，不利于促进学生对现代设计方法

第4期王荣先等：基于CDIO教育模式的机械原理课程设计教学改革

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数控机床等具有现代特征的机械设备。

2教学模式改革

针对工科高等院校注重对学生工程实践能力培养的情况m，本项目基于CDIO理念对教学模式进行了 改革，借助于简单易学的专业课程设计软件和通用机构设计实验装置，使构思-设计-实施-运作能顺畅的 贯穿在学生的课程设计中，实现在短期内将设计成果展现出来、高质量的完成机械原理课程设计的目标。

2.1搭建机构设计实验平台以引导课程设计

根据机械原理课程设计要求，利用AutoLISP语言开发了一种基于AutoCAD的机构设计软件。该机构 设计软件综合了图解法的简单、直观和解析法的准确、详细等优点，只需在AutoCAD绘图环境下用规定 的符合绘制出机构平面的运动简图，便可快速进行机构运动仿真，并完成运动曲线的绘制。经分析优化 后，将相关参数生成加工代码输出，实现与激光切割机床数据传输，加工后安装到模块化的实验台上。

该软件将图解法和解析法统一于机构设计中，把抽象的理论计算变成直观的二维图形和动画，不需 要使用难度较大的三维设计及分析软件，使运动特性曲线能快速、准确的呈现出来。

2.2以学生为主体来加强师生互动

选题范围扩大后，设计方式由过去的5人一组的集体设计改变为每人一题的独立设计，有助于提高学 生的独立设计能力。学生在设计平台上根据提示进人相应模块，短时间内完成构思、设计、实现和运作 的过程。指导老师根据生成的运动曲线及时发现学生设计中存在的问题，灵活调整设计方案。这种实践 教学模式以学生为主体，激发了学生的创新造积极性。教师对学生的指导工作变得容易、直观，增强了 师生互动，极大地改善了教学效果。

2.3教学案例

以曲柄摇杆机构设计为例，介绍机械原理课程设计实践过程。(1) 构思与设计

打开设计软件，根据课程设计题目要求选择机构类型，用4根不同长度的直线表示曲柄摇杆机构。软 件对图形中的点、线要素进行分析，自动判断设计的机构是否符合杆长条件。若不符合设计准则，在命 令区给出错误信息，重新进行设计；若符合设计准则，系统自动记录各个瞬间机构上设定点的位移情况， 实现机构的动态仿真演示，结合机构中主动件的转动约束条件，得到该点的角位移曲线、角速度曲线和 角加速度曲线。如果更改不同杆长关系，则对应有不同运动规律，设计者从中选择一个较佳的设计方案。

(2) 实施

将设计的4个杆长参数，生成4杆件加工代码并输人到激光切割机上，进行切削加工。(3) 运作

将加工的杆件搭建在模块化的机构运动分析实验台上。工作时，由电机通过带传动、齿轮传动、联 轴器驱动曲柄摇杆机构运动。

3结语

基于CDIO理念的机械原理课程设计教学模式改革，提供了一种新型的实践教学模式，取得了良好的

教学效果。开发的教学软件简单方便，适用于各种层次的学生。课程设计选题范围广泛，学生不仅限于 进行机构的结构设计，还可对机构的运动特性进行研究，有助于学生高质量完成课程设计任务，有效地 提高了学生的工程实践能力。

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Teaching Model Reform and Practice on Course Exercise of Mechanical Principle Based on CDIO Concept

WANG Rongxian, HAN Cuncang, ZHANG Chunwei, WANG Dingbao (Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

Abstract ： Based on CDIO concept, the teaching mode reform is carried out in the teaching process of Mechanical Principle course de­sign. Using AutoLISP language, the teaching software for mechanism design is developed, which helps students to complete the practi­cal tasks of mechanism design, motion simulation, model making and operation in a short time. The reform of teaching mode improves studentsx innovation ability and lays a good foundation for the follow-up study of professional courses.Key words： CDIO； mechanical principle； course design； teaching model

(上接第63页）

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Research on Dynamic Natural Characteristic of High Speed Traction Elevator WANG Qinsheng1, CHEN Weiwei2, SHEN Hongwei2, KONG Fanyu2, YAN Tianhong2

(l.Wuxi Branch of Jiangsu Institute of Safety Supervision and Inspection of Special Equipment, Wuxi 214174, China；

2. China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Abstract ： In the paper an actual high-speed traction elevator system is taken as the research object, and model of elevator system with seven degree of freedom dynamic are established. Lagrange theory is used to establish multi degree of freedom dynamic differential e- quation of elevator system. The high natural frequencies of the elevator are obtained and compared with the rotational frequency of the elevator tractor. In order to solve the problem of resonance caused by the elevator system, perspective of the parameters of the elevator system is used. The conclusion is that changing the stiffness of the elevator rope spring can better avoid the elevator resonance. This pa­per has certain reference value in improving the safety and comfort of high-speed traction elevator.Key words： elevator； dynamics； natural frequency； resonance