摘 要：为解决带传动实体实验在教学中存在的不足，建设了带传动虚拟仿真实验项目。虚拟仿真实验项目的建设从学生知识、能力、素质培养出发，进行了实验教学内容设计，构建出V带设计单元和虚拟仿真单元两大模块。技术实现依托Web前端技术，使用Three.js框架构建带传动虚拟仿真三维场景。教学实践表明，带传动虚拟仿真实验能够提升学生分析问题、解决问题的能力，有利于提高学生的学习成效。
关键词：带传动；V带设计；虚拟仿真；教学设计
中图分类号：TP39；G434 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）15-0194-05
Design and Teaching Practice of Virtual Simulation Experiment of Belt Drive
under the“Trinity”Talent Training Model
ZHENG Chunhui， GUO Feng， YANG Qingxiang， ZHANG Feng， DING Gang， SUN Houtao， WEI Li
（School of Mechatronics Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）
Abstract： To address the shortcomings of the physical experiment of belt drive in teaching， a virtual simulation experiment project of belt drive has been constructed. The construction of the virtual simulation experiment project starts from the cultivation of student knowledge， abilities， and qualities， designs the experimental teaching content， and constructs two major modules of the V-belt design unit and the virtual simulation unit. The technical implementation relies on the Web front-end technology and it uses the Three.js framework to build a virtual simulation three-dimensional scene of belt drive. Teaching practice has shown that virtual simulation experiments of belt drive can enhance students ability to analyze and solve problems， which is beneficial for improving their learning outcomes.
Keywords： belt drive; V-belt design; virtual simulation; teaching design
0 引 言
上海交通大学在2009年提出了“能力建设+知识探究+人格养成”三位一体的育人理念[1]；清华大学在2013年的第24次教育工作讨论会上确立了以价值塑造、能力培养、知识传授“三位一体”为核心的教育理念[2]。2019年5月，哈尔滨工业大学正式发布了《一流本科教育提升行动计划2025》，通过多维知识探究、综合能力养成、核心价值塑造“三位一体”人才培养模式，将“以学生为中心，学生学习和发展成效驱动”的教育理念落到实处。
秉承知识、能力、素质“三位一体”的人才培养理念[3-5]，哈尔滨工业大学机电工程学院专业实验教学中心以培养“信念执着、品德优良、知识丰富、本领过硬、具有国际视野、引领未来发展的拔尖创新人才”为目标，开展了系列教学改革举措。
1 带传动实验项目基本情况
1.1 带传动实验概况
带传动实验是哈尔滨工业大学机电工程学院专业实验教学中心面向“机械基础实验（机械设计）”“机械设计基础A”两门专业基础课开设的实验项目，授课对象为大学二年级机械类和近机类专业学生，实验学时2学时。
在实验过程中，学生以初拉力为变化参数，调整主动轮转速，通过逐级加载，观察弹性滑动和打滑现象，通过记录转速、带轮转矩，计算滑动系数、传动效率，绘制滑动曲线和效率曲线。
学生通过带传动实验，可以了解带传动实验台的结构和工作原理，认识带传动的弹性滑动现象和打滑现象，了解影响带传动的传动能力的因素，掌握带传动中带轮转速、转矩的测试方法，并能够绘制出带传动滑动曲线和效率曲线。带传动实验能够培养学生进行实验研究的初步能力，包括设计实验、分析与解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论。
1.2 带传动实验台
如图1所示，带传动实验台可用于测定平带、V带传动效率及滑动系数（滑动率），可观察带传动弹性滑动现象及打滑现象。带传动实验台工作原理如图2所示。实验台上电动机安装在滑动机座上，通过调节螺旋装置来调整电动机位置，从而改变传动带上的初拉力。实验台电动机和发电机均有一对滚动轴承支座悬架，使其机壳可绕各自转轴中心转动。利用测力杠杆和测力传感器，通过悬架起来的电动机可计算主动轮转矩，通过悬架起来的发电机可求得从动轮转矩。实验台上传动带初拉力、带轮转速和转矩均由传感器测量，数字仪表显示，从而提高了实验数据测试精度。实验台上安装两个频闪灯，利用频闪灯可直接观察到带传动中弹性滑动现象及打滑现象。
带传动实验台是哈尔滨工业大学自制实验设备，与同类实验台相比，具有测量精度高、实验数据准确、可连续加载，弹性滑动和打滑的观察效果明显等特点，入选了第三届高校自制实验设备优秀作品展，目前实验台已更新到第三代。浙江大学、哈尔滨工业大学深圳校区、东北农业大学、哈尔滨商业大学等高校先后采用本实验台开展教学活动。
1.3 带传动虚拟仿真实验建设的必要性
目前，通过带传动实验台实体设备，“机械基础实景教学（机械原理）”和“机械基础实景教学（机械设计）”两门国家级精品MOOC课程开展线下实验和线上实验。与虚拟仿真实验相比，传统实体实验普遍存在高成本、高消耗的问题，设备易陈旧老化，设备改造和迭代速度易落后于教学改革的步伐，带传动虚拟仿真实验项目的建设旨在解决上述问题，在原有实验内容基础上引入多传动参数测量和设计实验，弥补线下实体实验的内容，同时提供仿真数据补偿线上实验数据不足的问题，交互环境及辅助评价平台实现反馈闭环，提高虚拟仿真实验教学效果。
2 带传动虚拟仿真实验的教学设计
基于知识、能力、素质“三位一体”的人才培养理念，带传动虚拟仿真实验项目要求学生能够达到的知识、能力水平如下：
1）掌握设计或选用带传动零部件的基本理论、基本知识和基本技能，具有设计带传动装置的能力。
2）具有计算能力、绘图能力、运用计算机进行辅助设计的能力和运用标准、规范及查阅技术资料的能力，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。
3）掌握带传动实验原理和方法，具有进行实验研究的初步能力，能够基于科学原理并采用科学方法对带传动问题进行研究，分析与解释数据，并通过信息综合得到合理有效的结论。
带传动虚拟仿真实验教学项目以此教学目标为出发点，进行了虚拟仿真实验教学内容的设计，并开展了项目实施和教学实践。
2.1 带传动虚拟仿真实验内容设计
带传动虚拟仿真实验的内容设计充分考虑“能实不虚”“以虚补实”“虚实结合”的虚拟仿真实验项目的建设原则，实验内容设计包括V带设计单元和虚拟仿真单元两大板块，突出综合性、设计性实验的特色。以学生为中心，针对学生带传动知识点掌握的痛点、难点问题进行设计，体现虚拟仿真实验项目的“两性一度”标准[6-8]。
2.1.1 V带设计单元
V带设计单元培养学生通过使用虚拟仿真辅助软件进行带传动选型及相关参数设计的能力。如图3所示，在V带设计单元，学生可以根据功率设计要求、传动比、转速等实际工况输入相关参数，进行V带选型。系统会根据实际的带轮直径情况，给出带速和传动比的误差范围，辅助学生判断带轮基准直径设计的合理性。确定带轮基准直径后，学生可在推荐的中心距范围内灵活初选中心距，系统将推荐正确的标准带长和实际中心距、包角等几何尺寸，并给出压轴力和V带根数。设计完成后，学生能够等比例看到带传动的三维模型。通过V带设计单元，学生可以更好地理解带传动迭代设计思想，直观地观察到设计结果。
2.1.2 虚拟仿真单元
虚拟仿真单元由实验台3D仿真、传动装置的运动学仿真和动力学仿真三部分组成，具体内容如下：
1）实验台3D仿真。对控制台、直线轴承导轨、初拉力调整螺杆、移动机座、力矩传感器、测力杠杆、轴承座、直流电动机、直流发电机和实验环境进行三维建模，并对主要功能零件进行交互性设计，学生通过鼠标可查看相应的功能和原理介绍。
2）传动装置的运动学仿真。对主动轮、从动轮和带的主要几何参数（带轮基准直径dd1和dd2、中心距a、包角α、带的基准长度Ld等）进行运动学仿真，进而反映真实的带轮转速、带的线速度。
3）传动装置的动力学仿真。依照摩擦型带传动所能传递的最大有效圆周力的欧拉公式：
其中Fmax为最大有效圆周力，F0为初拉力，α1为小带轮包角，f为摩擦因数。确定影响带传动的传动能力的三因素即初拉力F0、当量摩擦系数f、主动轮包角α1与Fmax的关系，使学生可以直观感受改变三因素的值对带传动的传动能力的影响。
虚拟仿真单元如图4所示，引导学生依据实验步骤，完成不同工况下带传动的传动效率和滑动系数的测量，并绘制出滑动系数和传动效率的曲线。实验流程包括带初拉力的加载、主动轮转速调节、负载的逐级加载等内容，通过二维界面和三维场景的交互，使学生非常便捷地完成不同工况下的参数设置与数据测量。
2.2 带传动虚拟仿真实验开发框架
带传动虚拟仿真实验项目的系统架构采用层次结构，一共分为6层，如图5所示。从带传动装置的几何参数和传动能力的参数出发，构建带仿真模型，通过可视化渲染与交互层，支持任务层的各个实验步骤的完成。评价层从学生操作反馈与电子实验报告的记录中给出客观评价。
带传动虚拟仿真实验项目采用了哈尔滨工业大学机电工程学院高端装备虚拟仿真实验教学平台网站的通用框架。如图6所示，课程管理系统为平台的子系统，通过平台分配的课程码进行管理。课程可以通过教师后台创建，学生在平台注册账号即可访问，平台会记录学生的基础访问数据包括登录、浏览和学生在个人中心登记的学号、姓名等基础信息。
带传动虚拟仿真实验项目采用Web前端技术，由html+css+js构成基础技术路线。课程三维场景采用Three.js框架实现[9-10]，V带设计的参数和观察实验的实验台均为1：1比例建模，根据机械设计手册关于普通V带传动的相关公式和表格进行数学建模，编程实现参数化模型进行仿真。V带设计单元的带轮和带均根据设计参数实时三维建模，以求达到最佳仿真效果。
人机交互设计基于jQuery实现Web页面查询，虚拟仿真单元的实验台操作界面由html+css技术以真实实验台的界面进行设计，交互功能按钮通过jQuery关联控件实现，力求操作过程与真实实验过程保持一致。实验数据通过基础动画技术与模型相关联，通过EChart实现图表，完成数据描点绘图。
2.3 教学内容设计特色
2.3.1 增强实体实验教学内容
实体带传动实验平台由于材料及结构限制，存在磨损快、实验结果波动较大的情况，影响实验数据准确性，得出的实验结果可能会产生较大误差，并存在实验结果不直观等缺陷。带传动虚拟仿真实验可以有效地克服此种局限，提供稳定性强、安全性高和使用经济性良好的实验结果。
2.3.2 促进全面掌握带传动的设计参数
实体的带传动线下实验台采用固定包角α、固定当量摩擦系数，通过改变传动带初拉力（预紧力）的方式影响带传动的传动能力。在传动带的类型选择上，仅选用了普通平带和V带，其他类型的带没有涉及。
带传动虚拟仿真实验让学生全面掌握带传动的设计参数，综合分析初拉力F0、包角α、当量摩擦系数f对滑动系数ε、传动效率η的影响，进而使学生较全面地深入掌握影响带传动能力的因素。
2.3.3 快速仿真复现促进带传动设计迭代
针对实际的设计需求问题，带传动虚拟仿真实验教学项目V带设计单元提供快速的智能化理论计算辅助功能，学生在计算得出带传动设计参数后，可快速在系统中呈现所设计的带传动装置的实际几何信息，进而促进带传动的设计迭代。
2.3.4 任务导向式教学促进学习成效提升
在教学方法上，以任务为导向，通过虚拟仿真实验教学项目界面内的引导设计，以探索式和启发式教学手段为主，激发学生自主学习的热情。实验任务设计和操作步骤注重引导学生进入“心流”状态和提升“沉浸性”的感官体验，进而提升学生的学习成效。
3 带传动虚拟仿真实验教学实践
带传动虚拟仿真实验教学项目建设于2022年3月启动。通过与一线教师教学需求对接，并深入到学生中了解线下带传动实验的教学效果反馈及改进意见，进一步明确了带传动虚拟仿真实验的建设内容。2023年秋季学期，带传动虚拟仿真实验项目正式面向机电工程学院机械类大二学生开展实验教学活动。实验教学设计采用混合式教学手段。将带传动虚拟仿真实验项目作为一项重要的前置线上资源，要求学生在预约实体实验之前完成带传动虚拟仿真实验。
虚拟仿真实验项目的引入使教学效果有了较显著的提升。首先，学生能够更好地掌握线下实验过程中的重点难点，如在实验过程中遇到问题，学生有更大的可能性自主解决，进而提升了学生分析问题、解决问题的能力；其次，在实验报告成绩提升方面，与往年学生相比，2023年秋季学期选课学生该项目的实验成绩平均分提高3分，主要体现在学生对实验数据曲线绘制的准确性方面，学生对带传动滑动系数曲线的变化趋势理解更加清晰；再次，V带设计单元有助于提高学生学习机械设计理论课程过程中对带传动章节的学习成效，V带设计单元的“电算”功能对学生完成带传动设计的大作业有较大帮助。
4 结 论
本文阐述了传统带传动实体实验教学的基本情况、存在的问题以及虚拟仿真实验教学项目建设的必要性。以知识、能力、素质“三位一体”的人才培养理念为教学设计根本出发点，以“两性一度”的金课标准建设完成了带传动虚拟仿真实验教学项目。V带设计单元和虚拟仿真设计单元在带传动混合式教学中体现出较好的教学效果，对学生学习成效的提升起到了促进作用。
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作者简介：郑春辉（1982—），男，汉族，辽宁阜新人，高级工程师，硕士，研究方向：机械设计；通讯作者：郭丰（1983—），男，汉族，黑龙江牡丹江人，高级工程师，博士，研究方向：机械设计、智能设计。
