工程教育认证与新媒体模式下《理论力学》的教学改革研究

在工程教育认证的基本理念下,以学生为中心、产出为导向、持续改进为机制的教育模式成为了我国高等教育改革的必然趋势。随着网络技术应用的飞速发展,新媒体作为一项技术成为社会变革的重要组成部分,也为教学模式改革提供了新途径。考虑到工程类专业人才的培养要求,本文从《理论力学》课程的教学特点出发,通过与现代科技的有机融合,在MOOCs教学模式的视野下分析了实践结果,提出工程教育认证与新媒体模式结合下的《理论力学》课程教学改革的新思路。

大学工科实验教学考核方法改革与实践

针对大学工科传统实验考核方法对学生实验过程无法全面评价以及评分标准主要依赖于教师的主观认知等缺点,对能源动力类实验课程的考核方法进行了改革。在确立考核目标和原则的基础上,通过例如增大平时实验成绩比例、细化平时成绩考核标准、量化期末实验操作考核评分标准、设置设计性实验加分环节和评分标准等多种手段改进实验考核方法。实践表明,实验考核方法的改革使实验课程的考核真正起到"以考促教,以考促学"的作用,从而提高了实验教学质量。

慕课理念下“互联网+”的工程制图课程教学改革思考

随着时代进步,人们可随时随地获取知识。慕课(MOOC),全新的教育教学方式,可以很好地实现知识实时、多维展示。慕课理念是适应信息时代,契合当代学生思维、性格特征的。结合目前高等教育实际,融入慕课理念,改变传统的大学工程制图课程的教学方式,论述了基于慕课理念的工程制图教学的改革思路。在工程制图课程的教学过程中,充分利用网络优势,将课堂教学与慕课理念下"互联网+"进行有机结合,不断改进教学。实践证明"互联网+"教学模式,有效拓展了教学时空,深受学生欢迎。

基于反馈的工程制图课程教学改革

工程制图课程是许多工科专业的基础课,对于奠定学生的专业基础和培养学生工程素质起着非常重要的作用。以机械类工程教育认证为背景,在学生为中心,成果为导向的教育理念引导下,对基于课程达成度分析、网上反馈及其它反馈的工程制图课程教学改革进行了思考与探索。论述了反馈建立的意义、内涵及有效运用,讨论了工程制图的课程组织、教学方式、现代教学手段、教师能力提升等方面的改革设想与实践。在教学过程中,应树立以学生为本的教学理念,重视反馈,时刻倾听学生的呼声,适时进行教学改革,不断提高教学质量,为培养具有工程能力和工程素养的人才做出贡献。

“工程制图”课程思政教学内容与方法研究

“工程制图”课程是工科专业的一门重要的技术基础课,修读的专业范围广、学生多,开展“工程制图”课程思政教学,能够更为广泛地教育、引导学生认识和理解课程思政的内涵与意义,实现课程思政的教学目标。针对“工程制图”课程内容与课程思政的相关性,寻找合适的切入点,确立“工程制图”课程思政的教学目标、教学内容及实现途径和方法,在课程教学中潜移默化地教育和引导学生,最大限度地发挥“工程制图”课程思政的引导作用。

面向新工科的实践类课程教学改革研究——以“工程训练Ⅱ”课程为例

新工科建设对高校工科类人才培养提出了新要求,文章以面向电工电子技术实习的“工程训练Ⅱ”实训课程为教学改革对象,结合雨课堂、“U+新工科智慧云”等智慧教学平台和CDIO工程教育创新理念,探索了面向新工科创新型人才的实践类课程教学改革方法。从实训项目的选取、实训模式的重构、混合式教学的线上线下结合、课程评价标准的量化等方面进行了比较全面的改革与探索。通过对教学效果和问卷调查的分析,所提出的教学改革方法取得了较好的效果。

基于目标导向的联想教学法在工程制图课程教学中的应用与研究

工程制图课程是工科类的一门重要的专业基础课,部分学生由于空间想象能力稍差,不能够准确想象出形体的空间形状,进而影响投影图形的绘制。基于目标导向的联想教学法是引导学生以形体的真实形状为目标,应用常见的生活工具加上合理的引申联想,帮助其有目的、有导向地想象空间形体形状及其投影,提高学生空间想象能力的一种教学方法。通过利用不同的生活工具模拟不同的基本形体,详细讲解了工程制图课程中的一般及特殊位置点、线、面以及立体的截切、相贯的空间形状及其投影特性,阐述了联想教学法在课堂教学中的应用。

机械零件切削成形的几何学理论和方法体系研究

随着社会经济的快速发展,表面采用复杂曲面的机械零件越来越多。传统的基于发生线概念的机械零件切削成形理论和方法体系已经不能满足机床运动分析、运动控制以及加工质量控制等的需要,有必要结合几何学方法建立新的机械零件切削成形理论和方法体系。首先,分析了传统的基于发生线概念的机械零件切削成形理论和方法体系,列举了传统理论和方法体系的不足,论述了传统方法体系不能全面、严谨和精确的阐释机械零件切削成形的本质。然后,提出了一种基于几何学和刀具分类的机械零件切削成形理论和方法体系,包括:(1)使用非旋转刀具,由切削刃曲线的运动扫描形成工件表面;(2)使用旋转刀具,工件表面为刀具曲面运动所形成曲面族的包络。新理论和方法体系能全面、严谨和精确地解释机械零件切削成形的几何学本质,满足应用越来越广泛的数控加工复杂曲面时刀具轨迹控制及工件表面求解的需要。最后,针对球头刀数控铣削曲面,应用共轭曲面原理给出了刀具轨迹和工件曲面的求解方法。

以达成度结果建立生产实习课程教学体系评价机制

结合机械工程专业认证,将毕业要求达成度评价方法引入现有的教学评价体系中。以工科本科生为对象,在其现有知识结构的基础上,采用生产实习方式构建实践教学框架,结合评价教学效果的达成度定量计算,找出教学中存在的问题,根据评价结果逆向评估教学体系及其质量,进而形成一种直观、科学合理的评估机制。

基于工程教育认证和CDIO理念的工程制图课程改革

随着时代的进步,如何结合工程教育认证,融入CDIO教育理念,提高工程制图课程教学质量,是一个值得不断深入思考的问题。基于CDIO教育理念的工程制图课程改革,有利于提高工程教育质量,奠定学生的工程制图基础,培养学生的空间思维能力,使学生对产品的形成过程有较全面的了解,增强对产品的宏观掌控意识。本文结合工程教育认证,融合CDIO理念,从培养具有现代化意识和创新素质的工程师出发,论述了工程制图课程教学大纲、课程结构、教学方式和实验等方面的改革思考与探索。

工程化软骨几何形状对缺损修复区力学行为的影响

背景:关节软骨损伤修复结果的不确定性与修复区的力学行为有关,缺损修复的形状、层深及载荷特性均不同程度地改变修复区的力学环境。目的:通过有限元仿真分析在生理载荷作用下关节软骨缺损修复区的力学行为。方法:应用有限元软件ABAQUS建立基于横观各向同性的关节软骨损伤与修复的轴对称模型。分析在压缩载荷作用下,软骨不同修复形状(圆柱、圆台、正棱柱、椭圆柱形)和深度对缺损软骨修复区力学行为的影响。结果与结论:(1)模拟结果表明,不同形状、层深的工程化软骨对软骨修复区力学行为影响规律不同;(2)中间层缺损修复时应力集中现象最显著,深(全)层缺损修复时应力分布较合理;(3)圆柱形工程化软骨修复时的应力场及液相流场分布规律与无损软骨最为接近;临床上,可以选用圆柱形或圆台形工程化软骨进行修复,且尽量避免中间层修复。

胶原在不同理化微环境下的动态自组装的生物力学研究

目的在生物体内胶纤维以不同的趋向特点自组装形成成了各组织特有的结构。研究牛Ⅰ型胶原蛋白在不同基底上的组装,以及不同浓度胶原在基地上的动态生长过程,并在此过程中加入透明质酸借此研究透明质酸对于胶原生长的影响。方法采用牛Ⅰ型胶原蛋白为研究对象,将不同浓度的胶原蛋白(3、10、31μg/mL)放入不同的理化和生化微环境下(基底材质或透明质酸)经在37°恒温箱中培养一定时间(2、4、8、36 h),然后利用原子力显微镜实时扫描胶原自组装的动态过程。

原子力显微镜用于探究人眼近视与角膜基质生物力学属性的相关性

目的角膜基质是由多层纤维平行排列构成的胶原纤维板层结构所组成。近视是视力障碍产生的主要原因。但近视病理发展与角膜基质中胶原纤维微观结构和角膜基质的生物力学属性之间的复杂层次关系尚未阐明。方法本研究使用透射电子显微镜和原子力显微镜对不同近视程度的角膜基质进行形貌表征和力学属性测量,观察角膜基质内部胶原纤维的微观结构,对实验所得力学属性数据进行分析总结。同时,采用传统工具Corvis ST在体评估角膜基质的变形响应和宏观尺度下的角膜基质生物力学属性。结果根据透射电子显微镜与原子力显微镜实验所得图像,对胶原纤维直径和纤维间距进行定量分析,结果表明随着近视程度的加深,胶原纤维密度减小,直径明显增加,纤维高度增加,纤维间距明显扩大;根据原子力显微镜纳米压痕实验测量得出角膜基质弹性数据,用Hertz模型进行拟合,结果表明角膜基质的弹性模量随近视程度的加深而减小,角膜基质的可变形性增加。结论随着近视程度的加深,角膜基质弹性模量降低,变形能力增加,角膜基质变得更加柔软,胶原纤维间隙变宽直径变大,角膜内部结构发生改变。角膜基质的内部结构和生物力学特性与近视具有极强的相关性。

弹性蛋白对胶原蛋白生物力学属性的影响

目的胶原蛋白是许多动物体内维持组织形态、力学性能、伤口愈合的重要基础,功能的多样性主要得益于它可以与不同的细胞外基质进行交联。弹性蛋白为人体的各种组织和器官提供抵抗力和弹性。通过体外模拟细胞外基质的理化微环境,调节溶液中两种蛋白的比重从而得出弹性蛋白对胶原纤维自组装的生物力学影响机制。方法本实验以原子力显微镜作为研究工具,以一定浓度的无端牛皮Ⅰ型胶原蛋白为研究对象,在白云母上动态表征纤维形貌,对生长过程中不同时期胶原纤维的宽度、高度、总面积占比等数据进行分析总结,同时通过全原子分子动力学实验模拟进行力学分析。结果随着弹性蛋白比重的增加,成核阶段的胶原纤维数量随之增加;纤维趋向性随比重的增加发生变化,在高比重情况下甚至会使胶原纤维表现出弹性蛋白的形貌特征;胶原纤维的平均宽度也会增加,但是过高浓度的弹性蛋白效果有所减弱;胶原纤维的平均高度受弹性蛋白影响较小。结论弹性蛋白使胶原纤维的趋向性发生变化;胶原纤维平均宽度、高度结果表明两者间相互交联从而使胶原纤维面积占比增加;全原子分子动力学实验模拟结果表明弹性蛋白对胶原纤维的力学属性有促进作用。

转子偏心效应下大范围转动弹性梁外激励非线性动力学行为与振动机制

为实现大范围转动弹性梁类柔性机械的高速、安全、平稳运行,综合应用Galerkin模态截断法和Hamilton原理建立弹性梁刚-柔耦合动力学模型,并建立转子偏心运动微分方程;基于行波叠加原理,应用高阶Runge-Kutta法完成非线性动力学解耦;应用时、频域分析法解析转子偏心效应下弹性梁的振动机制以及外激励下的频谱响应特性。研究结果表明:外激励响应在转子偏心效应下会衍生新的低频谐波分量,转速和激励幅值的增加会导致频域内多个低频谐波分量高于主振,易引发不同程度的间歇性振动;外激励频率提高会引起频域谱峰后移,数值仿真5~35 Hz频段的外激励,当频率为25 Hz时其低频谐波分量是主振幅值的2倍,高达0.181 mm,进而呈现明显的外激励突发性激振。因此,借助时、频域分析可有效解析具有随机性的间歇性或突发性振动产生机制,可为大型旋转柔性机械的动力学优化设计提供重要的理论基础和数据支持。

大空间运动3-RRRU并联机器人运动学标定与误差分析

并联机器人具有高速、高刚度和大负载等明显优势,被广泛应用到农业和工业领域,但多关节导致该类机器人控制精度不高。针对大空间运动3-RRRU并联机器人的运动学建模和误差标定方法展开了系统、深入研究。综合应用DH法和空间矢量法建立了机器人的运动学模型,在此基础上,借助偏微分理论推导并建立机器人的误差模型;应用激光跟踪仪进行不同轨迹下机器人的空间位置数据采集,对一般遗传算法进行改进,以等步距搜索策略实现主要遗传算子的优化,并通过全局数值寻优获取机器人的误差补偿数据,完成标定和补偿工作。实验表明:基于直线标定方式,补偿后直线轨迹跟踪误差控制在0.14~1.34 mm,但不适用于曲线轨迹补偿,其实测补偿后的最大误差高达5.08 mm。曲线轨迹标定精度高于直线轨迹标定,补偿后将直线和曲线两种路径下的最大误差分别降低至1.18 mm和1.56 mm。该标定方法自动化程度高,适用于含有大量关节并联机器人的误差标定工作。

3-RRRU并联机器人运动学建模与误差分析

针对3-RRRU并联机器人控制精度问题,基于空间矢量法建立运动学正解模型以及误差模型,详细分析了机器人各结构误差源对控制精度的影响。仿真结果表明:驱动角度误差分布在0.001°~0.01°时,第一支链的驱动角误差对被控终端的精度影响最大为84.2um;连杆加工误差在0.01mm^0.1mm变化时,靠近动平台的被动杆为0.1mm时对被控终端精度影响最大,其最大误差值为137.2um;静、动平台的外接圆半径加工误差为0.1mm时,机器人终端最大误差为568.4um。因此,对于线性连杆加工误差和角度误差源,连杆加工误差对多支链、多连杆机器人精度的影响高于角度误差,且静、动平台的加工误差对机器人的终端控制精度影响最大,为后续机器人结构的最优化设计提供了理论依据。

大范围转动弹性梁柔性动力学建模与摄动解耦

为实现大空间转动弹性梁的高速、高精度平稳控制,首先需解决弹性梁的非线性动力学建模问题,并完成动力学解耦。假设柔性连杆为欧拉-伯努利梁,应用假设模态法进行坐标离散,采用Galerkin法和Hamilton最小变微分原理建立弹性梁柔性动力学模型;基于摄动理论构建正则摄动式,应用多尺度法对摄动式进行改进,对比分析了常规正则摄动法、改进后摄动法的解耦精度,应用四阶Runge-Kutta法验证了所提出方法的有效性与可行性。数值仿真结果表明,改进后的摄动法解耦精度高,解耦误差比常规正则摄动误差降低一个数量级,解决了低阶正则摄动法解耦精度低的问题,避免了采用高阶摄动来提高解耦精度而产生庞大计算量的弊端。

捡拾机器人机械手运动学分析与仿真

为解决训练场高尔夫球、网球、乒乓球等小球类物体捡拾问题,设计一种五自由度捡拾机器人机械手结构。采用D-H法建立机械手坐标系和参数表,推导出末端坐标系位姿模型,并求解出运动学逆解。运用正运动学分析求解机械手工作空间,证实其空间满足小球类物体目标工作区域。在ADAMS环境中完成虚拟样机的建立,选定目标捡拾点和放置点,根据逆运动学求解结果,对各关节设置相应驱动函数,进行实例仿真验证。结果表明:机械手活动范围在工作空间内,运动规律合理,逆运动学求解正确,能够完成小球类物体捡拾任务。

基于对偶四元数的机械臂运动学建模及分析

为了简化机械臂运动学表达形式,提高机械臂运动响应速度,提出了一种基于对偶四元数的正逆运动学建模方法。首先,利用对偶四元数建立机器臂正运动学的普适性方程,大大减少了正运动学的计算时间。其次,针对机械臂关节变量求解组合的问题,对现有的子问题进行描述并分成单轴和双轴两类子问题,该分类方法囊括了现有子问题分类,有利于关节变量分组求解。最后,以一个6R串联机械臂为例,进行了基于对偶四元数的正逆运动学建模及仿真分析。结果表明该方法有效,相比旋量法,其正运动学计算时间减少了约30%,其逆运动学求解几何意义更加明确。该方法可应用到其他子问题求解的机械臂构型。