張毅杰,孔令瓊,施 杰 ,鄒 歡,管毓斌

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學 工程技術學院，云南 昆明 650201；2. 云南農(nóng)業(yè)大學 水利水電與建筑學院，云南 昆明 650201)

機械設計基礎課程體系包含兩個重要的教學環(huán)節(jié)：一是“機械原理”和“機械設計”的理論教學，二是“機械原理”和“機械設計”的課程設計實踐教學。SolidWorks是符合當今主流CAD技術發(fā)展潮流的基于Windows平臺開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，美國機械行業(yè)就業(yè)中明確要求會熟練使用SolidWorks的就高達95%[1]。在國內(nèi)包括清華大學在內(nèi)的眾多知名院校均已將SolidWorks應用于相關課程的教學中。隨著云南農(nóng)業(yè)大學工程技術學院(以下簡稱“學院”)機械類教學改革的不斷深入，2013年起新增設了SolidWorks軟件必修課，在此基礎上圍繞如何以SolidWorks為紐帶，將較為松散、鏈接斷點較多的機械設計基礎課程體系下的理論教學和實踐教學有機地結(jié)合，使學生在持續(xù)提升軟件應用水平的同時，有效貫通機械設計的整個知識構架，以實現(xiàn)現(xiàn)代三維設計為中心的教學模式的轉(zhuǎn)變是目前面臨的重要課題。

一、SolidWorks在機械設計基礎課程體系教學中的作用

(一)機械設計基礎課程體系教學現(xiàn)狀分析

1.理論教學現(xiàn)狀

目前，機械原理教學偏重于分析推證，機械設計教學偏重于強度校核計算，教學手段以多媒體教學CAI為主。這種傳統(tǒng)教學模式停留在強調(diào)基本概念和基本理論科學性的教育理念上，忽略了學生知識面的拓展、工程素質(zhì)和能力的培養(yǎng)。另外，學院屬于農(nóng)科院校中的工科，學生理論基礎較為薄弱，再加上教學學時大幅壓縮，導致學生在面對內(nèi)容繁雜、理論晦澀的教學內(nèi)容時，缺乏學習熱情，教學效果不佳。

2.實踐教學現(xiàn)狀

目前，學院“機械原理課程設計”主要是運用力學知識對機構進行運動和力分析以及對機械系統(tǒng)進行方案設計；“機械設計課程設計”主要是運用AutoCAD軟件進行減速器的二維設計。兩門課程設計安排在兩個學期的期末單獨進行。這種傳統(tǒng)實踐教學模式存在兩個弊端：一是沒能將現(xiàn)代先進的三維設計技術和手段應用到課程設計中，對于沒有實踐經(jīng)驗和力學基礎薄弱的學生來說，極易感覺枯燥乏味，極易導致學生機械的模仿甚至盲目的抄襲；二是兩門課程設計分開進行，間隔時間長，缺乏有機地關聯(lián)，使學生難以構建整體設計理念和設計分析一體化的系統(tǒng)工程意識。

(二)SolidWorks在機械設計基礎課程體系中的作用

1. SolidWorks在理論教學中的作用

傳統(tǒng)的多媒體教學，雖然具有豐富的教學手段，但缺乏引領學生進入實際設計氛圍的關鍵要素，無法實時動態(tài)再現(xiàn)機械設計全過程。而SolidWorks系統(tǒng)所具有的三維建模、運動分析、結(jié)構分析以及多種外掛插件等功能模塊，可以動態(tài)顯示方式使學生完全浸入到“情景—學習”的工程設計狀態(tài)之中，而且SolidWorks的參數(shù)化實體建模可以實時實現(xiàn)設計意圖，使課堂教學變得富于柔性且敏捷高效。將SolidWorks融入傳統(tǒng)多媒體教學中，將極大豐富課堂教學手段，激發(fā)學生學習興趣，提高教學效果。

2. SolidWorks在課程設計中的作用[2]

SolidWorks可以快捷地創(chuàng)建參數(shù)化機構和零件模型，通過SolidWorks Motion和SolidWorks Simulation模塊可對機械設計方案進行動態(tài)仿真分析以及對關鍵零部件進行結(jié)構強度分析，結(jié)果以曲線和動畫方式顯現(xiàn)，使課程設計中遇到的運動學、動力學等復雜問題變得簡單、直觀和精確，極大地彌補了學生力學知識的薄弱和實踐經(jīng)驗的不足，使學生在較短的學時里，能將更多的精力放在各種機械方案的對比分析和參數(shù)優(yōu)化上，以及對整機的結(jié)構設計和裝配設計上。以SolidWorks為課程設計實踐平臺有助于營造獨立創(chuàng)新、自由探索的良好環(huán)境，提高學生設計的主動性。

二、基于SolidWorks的模塊化案例法教學模式的應用研究

案例教學法是一種情景式教學方法[3]，通過工程案例模擬工程問題情境，幫助學生像企業(yè)工程師那樣思考和解決問題。然而，用案例代替整個知識體系的理論學習顯然是不科學的，必須探索如何將案例教學與其他理論教授方法密切結(jié)合，才能獲得良好的教學效果。本文探討了一種基于SolidWorks的模塊化案例教學方法，以期為提高教學質(zhì)量提供一種新思路。

(一)機械原理課程教學新模式

1.機械原理模塊化案例教學模式

將“機械原理”教學內(nèi)容進行模塊化，所有模塊構筑了本課程的知識基礎平臺，在此平臺上通過SolidWorks將各階段性目標貫穿起來，模塊化案例教學模式框架如圖1所示。

2.機械原理模塊化案例教學模式的實施

(1)教學內(nèi)容安排

將目前40個學時的理論教學壓縮至30個學時，余下的10個學時進行SolidWorks的模塊化案例教學，二者交替進行，理論教學重點在于基本概念和方法的學習，案例教學重點在于使學生獲得解決工程問題的思維方法和能力。具體安排如表1所示。

(2)案例教學的實施舉例

現(xiàn)以發(fā)動機活塞—曲軸機構運動分析案例來說明案例教學的實施過程。實施過程分為3個關鍵環(huán)節(jié)：一是提出問題和課前準備。教師首先提出本案例機構的工作原理、機構組成及機構各構件運動方式等問題，學生提前帶著問題通過認知實驗和查閱資料來對內(nèi)燃機構造有一個較全面地認識。二是課堂案例討論與分析，在學生前期準備的基礎上，以學生為中心，充分發(fā)言、提問，然后教師歸納總結(jié)并運用SolidWorks構建發(fā)動機活塞—曲軸機構三維模型，對機構進行運動分析，通過仿真結(jié)果回答學生之前討論中的問題。三是課后實踐與總結(jié)，學生要親自實踐本案例從零件建模、裝配設計至運動分析全過程，并就SolidWorks的運動分析結(jié)果與運用教材上圖解法的分析結(jié)果進行對比并寫出總結(jié)報告。

表1 主要教學學時安排和案例選擇

(二)機械設計課程教學新模式

1.機械設計模塊化案例教學模式

現(xiàn)將“機械設計”知識體系模塊化，將所涉及的知識點融入到基于SolidWorks的減速器設計案例中，其教學模式框架如圖2所示。通過以減速器為主線的三維設計案例的教學使學生擺脫傳統(tǒng)二維設計思想束縛，培養(yǎng)現(xiàn)代工程設計理念。

2.機械設計模塊化案例教學模式的實施

(1)教學內(nèi)容安排

學院機械設計理論教學為40學時，現(xiàn)穿插安排其中的8個學時進行基于SolidWorks的減速器案例教學，案例教學重點在于利用SolidWorks參數(shù)化建模功能和豐富的標準件庫使學生快速掌握常用零部件的結(jié)構特點，以及引導學生運用SolidWorks Simulation對零部件進行強度分析。具體安排如表2所示。

表2 主要教學學時安排和案例選擇

(2)案例教學的實施舉例

下面以減速器裝配設計為例說明案例教學的實施方法。案例教學開始之前，首先通過減速器拆裝實驗環(huán)節(jié)使學生對減速器結(jié)構有一個感性認識，并布置運用AutoCAD繪制減速器裝配圖的課前任務。然后，在案例教學課堂上，學生先就自己所完成的二維裝配方案進行討論，教師在學生討論結(jié)束后，選取其中具有代表性的設計方案，運用SolidWorks參數(shù)化驅(qū)動功能快速建立其三維裝配體模型，通過干涉檢查找出裝配體設計中的問題，通過裝配體物理模擬觀察各零部件之間的運動效果。最后，教師針對正確裝配方案再運用SolidWorks的爆炸圖功能，虛擬演示減速器的拆裝過程，強化學生對減速器結(jié)構特點的掌握。經(jīng)過這一案例展示，學生頭腦中基于AutoCAD的二維傳統(tǒng)設計理念會受到巨大沖擊，會對運用現(xiàn)代三維設計手段的工程設計產(chǎn)生強烈的興趣，從而激發(fā)學生課后主動學習機械設計知識的熱情。

三、基于SolidWorks的機械設計基礎課程設計的整合教學改革探討

(一)課程設計整合的優(yōu)勢和可行性

長期以來學院所有機械和近機械類專業(yè)的機械設計基礎課程設計都分為“機械原理”和“機械設計”課程設計兩個部分進行，教學模式以理論計算和經(jīng)驗型二維設計為中心。知識要更新，設計手段要先進，傳統(tǒng)的教學模式已不適應科學技術發(fā)展需要，機械設計基礎課程設計的改革勢在必行[4]。將兩門課程設計進行整合，使學生能獲得整機設計理念和系統(tǒng)訓練，并以SolidWorks 為設計平臺，憑借其參數(shù)化、智能化和強互動性等優(yōu)勢，使學生在計算機虛擬工程設計情境中，構建系統(tǒng)知識框架、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和得到工程實踐鍛煉。目前，云南農(nóng)業(yè)大學設置的第三學期為課程設計的整合提供了條件，第三學期為3周，正好可以將原來割裂開的1周機械原理課程設計和2周機械設計課程設計進行整合。另外，學院最新的教學計劃中，SolidWorks軟件課程學習安排在機械設計基礎課程體系教學之前，再加上前述案例教學模式的強化作用，均為課程設計的整合奠定了基礎。

(二)課程設計整合的實施過程和方法

1. 課程設計整合后的設計過程

將“機械原理”和“機械設計”課程設計有機融合為“機械基礎綜合課程設計”，其主要任務為基于SolidWorks系統(tǒng)進行機械系統(tǒng)運動方案和傳動零部件工作能力的設計。其設計的一般過程如圖3所示。

2. 課程設計整合后的實施舉例

由于將原來分開的兩門課程設計整合為一，因此，設計題目的選擇至關重要，應盡可能選擇來源于工程實際、知識綜合性較強、有一定的創(chuàng)新空間以及較易通過SolidWorks軟件表達設計意圖的課題。下面以蜂窩煤成形機為例說明綜合課程設計的實施方法。

首先，教師布置題目、給出設計數(shù)據(jù)并進行功能分析。然后，進行合理的分組和分工，要求學生團隊合作，大量查閱資料，最終提出至少兩種以上的傳動系統(tǒng)總體設計方案，并通過SolidWorks Motion進行運動方案的驗證；進行各級減速傳動的設計計算，并運用SolidWorks Simulation對主要零部件包括齒輪、軸和皮帶等的工作能力進行分析。最后，給出最佳運動設計方案，并運用SolidWorks工程圖模塊轉(zhuǎn)換出減速傳動系統(tǒng)二維裝配圖和齒輪、軸的零件圖并編寫設計說明書。

四、基于SolidWorks的機械設計基礎課程體系教學的改革建議

為了更切實有效地提高SolidWorks在機械設計基礎課程體系教學中的應用效果，筆者提出深入改革的幾點建議。

(一)SolidWorks 3D數(shù)字化教學模型庫的創(chuàng)建

利用SolidWorks附屬的Toolbox插件包以及其他3D共享數(shù)字化模型庫資源，創(chuàng)建機械設計基礎課程體系教學模型庫，形成以SolidWorks 3D數(shù)字化模型與實物模型優(yōu)勢互補的課堂與實踐教學素材庫，可更好地激發(fā)學生學習興趣和拓展知識面，提高教學效率和質(zhì)量。

(二)增設SolidWorks 開放實驗課程并組織編寫具有農(nóng)科院校特色的綜合課程設計指導書

設置“典型機構運動仿真”和“減速器裝配設計與結(jié)構分析”開放實驗。實驗內(nèi)容為運用SolidWorks系統(tǒng)對典型機構進行建模與運動仿真，對減速器進行裝配設計及主要零部件的結(jié)構分析。開放實驗為選修實驗，學生可利用業(yè)余時間在學院機房自主完成。組織相關專業(yè)教師編寫具有農(nóng)科院校特色的綜合課程設計指導書，并且設計題目突出專業(yè)特色，以適應不同專業(yè)開展課程設計教學的需要。

(三)基于SolidWorks系統(tǒng)的案例教學與科研成果相結(jié)合

科研促進教學內(nèi)容的創(chuàng)新，科研成果是最鮮活的教學案例，如能將學院不斷涌現(xiàn)的科研成果通過SolidWorks系統(tǒng)提煉轉(zhuǎn)化為適合學生接受的教學案例庫，將是教學與科研相互促進的切實體現(xiàn)。

(四)以SolidWorks系統(tǒng)為平臺將CAD/CAE/CAM技術全面融入整個機械類課程體系教學中

以SolidWorks系統(tǒng)為平臺，將現(xiàn)代三維設計、分析和制造理念全面融入機械制圖、工程力學、互換性與技術測量、工程材料、機械制造基礎機械類系列課程教學過程中。構建全新的基于三維技術的機械類系列課程教學體系是學院今后教學改革的重要課題。

現(xiàn)代意義上的機械設計已經(jīng)根本離不開計算機了[5]，更離不開凝煉現(xiàn)代設計理念的三維設計軟件系統(tǒng)，因此，以諸如SolidWorks這類三維設計軟件為平臺的機械設計基礎課程體系的教學改革勢在必行。本文提出了新的教學模式和方法將在今后的教學實踐中不斷地改進和優(yōu)化。

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