唐曉蓮

摘 要：文章主要探索先進(jìn)技術(shù)在“機械設(shè)計基礎(chǔ)”教學(xué)實踐中的應(yīng)用目的、內(nèi)容和步驟，以及對這種教學(xué)改革結(jié)果的總結(jié)。通過在教學(xué)中引入機械設(shè)計軟件solidworks和教具學(xué)具fischertechnik，使學(xué)生可以在計算機中進(jìn)行動畫演示工作原理，驗證基本特性，同時利用fischertechnik，動手組裝各種常用機構(gòu)和小型機械，加深了學(xué)生對機械基本理論的理解，提高了學(xué)生應(yīng)用計算機軟件的能力和實際動手能力。

關(guān)鍵詞：solidworks；fischertechnik；機械設(shè)計基礎(chǔ)；教具學(xué)具

“機械設(shè)計基礎(chǔ)”是高職院校機械類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，是為后續(xù)的專業(yè)課程打基礎(chǔ)的。課程的目的是使學(xué)生掌握各種常用機構(gòu)、常用傳動和通用零部件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、使用維護(hù)以及基本的設(shè)計計算方法，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐意識，初步的設(shè)計能力和機械創(chuàng)新能力。

傳統(tǒng)的“機械設(shè)計基礎(chǔ)”的理論教學(xué)主要是教師在課堂上利用模型、課件和黑板講解理論知識，實踐教學(xué)是課程過程中去參觀機構(gòu)、零件的陳列室，進(jìn)行機構(gòu)測繪、拆裝減速器，課程結(jié)束時有一個2周的課程設(shè)計，老師布置設(shè)計題目，學(xué)生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容結(jié)合機械設(shè)計手冊進(jìn)行設(shè)計，結(jié)果以圖紙和說明書呈現(xiàn)。這種教學(xué)組織過程也基本達(dá)到了課程教學(xué)的目的，但也有一些問題：現(xiàn)在的學(xué)生每天接觸計算機和手機等工具，如果教學(xué)方法還停留在模型和板書等傳統(tǒng)方法上，不與現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)結(jié)合起來，就不能適應(yīng)新時代技術(shù)的高速發(fā)展。學(xué)生大部分時間用于接受知識，理解原理，就是課程設(shè)計也主要是花大量時間進(jìn)行理論計算和手工畫圖或用CAD畫平面圖，這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中覺得學(xué)習(xí)內(nèi)容過時，學(xué)習(xí)過程枯燥，感受不到專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的有用性，也感受不到學(xué)習(xí)的樂趣。先進(jìn)的設(shè)計方法應(yīng)用少，應(yīng)用計算機軟件解決實際問題的能力差；學(xué)生的設(shè)計結(jié)果沒有得到驗證和直觀的呈現(xiàn)，設(shè)計完了有些學(xué)生也不知道設(shè)計的是什么東西，有什么作用；設(shè)計成果沒有連續(xù)性，無法得到進(jìn)一步的成果。如何把先進(jìn)的計算機輔助設(shè)計技術(shù)、現(xiàn)代加工技術(shù)和材料科學(xué)應(yīng)用到“機械設(shè)計基礎(chǔ)”的教學(xué)過程中，我們教研室的老師在對以往教學(xué)工作進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)了先進(jìn)的教學(xué)軟件solidworks和先進(jìn)的教具學(xué)具fischertechnik，對“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的教學(xué)與實踐進(jìn)行了改革嘗試，取得了良好的效果。

1 將機械設(shè)計軟件solidworks引入“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的教學(xué)中

solidworks是基于Windows操作系統(tǒng)的機械設(shè)計軟件，先進(jìn)行機械零部件的三維實體設(shè)計，然后進(jìn)行模擬裝配及其三維實體機構(gòu)運動模擬、干涉檢查或進(jìn)行機構(gòu)的運動分析。solidworks的設(shè)計方案有很多，可以隨時發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中的錯誤，及時改進(jìn)以提高產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品設(shè)計的全過程都是可以實時編輯的，零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配過程設(shè)計和生成的工程圖之間是全部相關(guān)聯(lián)的。solidworks可以自動生成工程圖（包括平面圖和立體圖），而且工程圖是前后聯(lián)系的，改動圖紙中的任一參數(shù)，三維模型、各個視圖、裝配體都會聯(lián)動，自動更新。solidworks也提供了技術(shù)先進(jìn)的工具，可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同工作。可以一個團(tuán)隊位于不同的地方，共同設(shè)計一個產(chǎn)品[1]。

1.1 實施目的

緊扣高職院校培養(yǎng)高級應(yīng)用型人才的培養(yǎng)方案，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實、理解能力強、應(yīng)用新技術(shù)能力強的學(xué)生為目的，將功能強大的solidworks軟件應(yīng)用到“機械設(shè)計基礎(chǔ)”的教學(xué)中，有利于理論教學(xué)與實踐教學(xué)的有機結(jié)合，使學(xué)生易于理解所學(xué)的理論知識，建立工程實際的意識，從而提高學(xué)習(xí)效率，也為有自學(xué)需求的學(xué)生創(chuàng)造良好條件。

1.2 實施內(nèi)容

在“機械設(shè)計基礎(chǔ)”的教學(xué)中引入solidworks，就是應(yīng)用solidworks將傳統(tǒng)的理論教學(xué)和實踐教學(xué)相結(jié)合，在每種機構(gòu)或傳動的理論知識傳授過程中，用solidworks建立各種零件實體，組裝成實際機構(gòu)或傳動模型，進(jìn)行動畫演示工作原理，驗證基本特性，通過修改參數(shù)得到各類演化機構(gòu)。

（1）建立“機械設(shè)計基礎(chǔ)”理實一體化教室，在教室兩邊有計算機，教學(xué)中引入solidworks設(shè)計機械零件、構(gòu)件。先繪制平面草圖，選擇拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、陣列等基本操作建立各種零件的實體模型，然后保存起來；打開solidworks的裝配模塊，將前面完成的零件添加進(jìn)來，通過確定零件間的位置約束關(guān)系，組裝成所需的機構(gòu)，并檢查相對運動的零件間是否有干涉或碰撞，如果出現(xiàn)干涉或碰撞，可以對零件的特征根據(jù)需要進(jìn)行修改，直到滿足機構(gòu)的設(shè)計要求；然后對機構(gòu)的工作過程用solidworks中的cosmosmotion插件進(jìn)行動畫制作，可以真實顯現(xiàn)機構(gòu)的裝配過程及運動狀態(tài)。

（2）在教學(xué)過程中開展形式多樣的實例訓(xùn)練，比如介紹平面連桿機構(gòu)后安排學(xué)生用solidworks進(jìn)行零件建模，裝配各種機構(gòu)，進(jìn)行機構(gòu)運動關(guān)系的動畫演示，從簡單的曲柄搖桿機構(gòu)開始，通過改變桿件的長度或選擇不同構(gòu)件作機架，演化成雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)，由淺入深，建立常用機構(gòu)的各種三維模型，既形象直觀再現(xiàn)了所學(xué)的理論知識，加深了理解，也為以后的畢業(yè)設(shè)計積累素材，為學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)揮創(chuàng)造條件。

（3）開展學(xué)生第二課堂，增加學(xué)生的訓(xùn)練機會，既有利于提高計算機操作能力，又能鞏固“機械設(shè)計基礎(chǔ)”的基本理論。利用solidworks進(jìn)行大量的三維實體零件建模，可以了解各種零件的具體結(jié)構(gòu)、種類和參數(shù)。利用裝配命令調(diào)用各種零件，按照一定的裝配關(guān)系組裝出所需的機構(gòu)，可以理解零件的聯(lián)接方式。機構(gòu)的工作過程可以進(jìn)行模擬演示。通過機構(gòu)的模擬動畫演示，可以清楚看見機構(gòu)的運動過程，使抽象枯燥的機構(gòu)、機器的基本理論和基本設(shè)計方法變得直觀，容易理解。

（4）編寫常用機構(gòu)和傳動的三維建模和動畫設(shè)計的操作指南。學(xué)生在整個建模、裝配和動畫演示的過程中也會有自己的感受和好的操作建議，可以連同操作步驟一起記錄下來整理成操作指南。這個過程可以提高學(xué)生的邏輯思維能力及文字表達(dá)能力，為后面寫出高質(zhì)量的說明書和畢業(yè)論文打下基礎(chǔ)。

（5）建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，老師和學(xué)生可以把設(shè)計好的機構(gòu)模型和動畫演示上傳到平臺上，配上適當(dāng)?shù)奈淖终f明，大家可以進(jìn)行交流和共享，繼續(xù)探索機械知識的奧秘，提高大家學(xué)習(xí)軟件建模的積極性。

1.3 實施方案

將機械設(shè)計軟件solidworks引入“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程教學(xué)的實施方案如圖1所示。

2 以慧魚創(chuàng)意組合模型（fischertechnik）的教具學(xué)具為操作平臺，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、理論聯(lián)系實際能力和創(chuàng)造性思維

慧魚創(chuàng)意組合模型（fischertechnik）來源于德國，是德國發(fā)明家Arthur Fischer博士在其專利“六面拼接體”的基礎(chǔ)上發(fā)明的。一般的高等院校都會用它來建立機械創(chuàng)新實驗室，展示機械的運動原理和運動的可能性，訓(xùn)練學(xué)生的動手能力，作為機械創(chuàng)新教育的一個平臺。

慧魚創(chuàng)意組合模型的主要零部件的材料是高質(zhì)量的尼龍塑膠，成型精度高，耐磨，學(xué)生可以進(jìn)行多次組合拆裝，不影響聯(lián)接的可靠性和穩(wěn)定性；零件的聯(lián)接方式主要采用燕尾槽，使零件的每一個平面都可拼接，真正實現(xiàn)了隨心所欲的組合。它由各種型號和規(guī)格的零件組成，類似于積木；零件的種類很多，幾乎包括了機械課程和日常生活中的所有零件。通過對各類模型的認(rèn)識和組裝，從而可以熟悉并掌握各類設(shè)備和自動化裝置的常用結(jié)構(gòu)和工作原理[2]。

2.1 實施目的

無論是課堂上老師PPT演示機構(gòu)運動的Flash動畫，還是學(xué)生自己應(yīng)用三維軟件繪制的三維實體以及機構(gòu)運動原理的動態(tài)動畫演示，這些都只是有助于學(xué)生理解和驗證所學(xué)的機械原理，都只停留在思維想象的空間，學(xué)生并沒有直接接觸到零件和機構(gòu)，并不理解工程實際的情況。在教學(xué)中引入可以動手的教具和學(xué)具，就把學(xué)生的理論知識具體化，動手做出來，真正做到理論與實踐相結(jié)合。

2.2 實施內(nèi)容

（1）建立慧魚創(chuàng)新實驗室，就是利用慧魚模型組合包系列建立工程技術(shù)實驗室，它也是創(chuàng)新教育的一個全新平臺。把fischertechnik的各種組合包和資料放置在“機械設(shè)計基礎(chǔ)”的教室四周，把每期學(xué)生的經(jīng)典作品也放置在四周，若教室空間有限，也可以把慧魚創(chuàng)新實驗室建立在教室附近，這樣學(xué)生課堂上和課后都可以進(jìn)行動手拆裝，也可以按圖搭建各種培訓(xùn)模型和工業(yè)模型，了解零件的組合方式。

（2）隨著理論教學(xué)的進(jìn)行，依次把fischertechnik的各種機械構(gòu)件的名稱、結(jié)構(gòu)、參數(shù)介紹給學(xué)生，如齒輪、連桿、鏈條、履帶、齒輪軸、齒條、蝸輪、蝸桿、曲軸、萬向節(jié)、減速器、輪齒箱等，當(dāng)學(xué)生用solidworks進(jìn)行零件建模，機構(gòu)裝配，機構(gòu)運動關(guān)系的動畫演示以后，讓學(xué)生用fischertechnik組建各種常用機構(gòu)和常用傳動，再次用實物來驗證運動原理和機構(gòu)運動特性。

（3）在熟悉各種機構(gòu)、傳動和通用零件的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以選擇不同的方案進(jìn)行設(shè)計、搭建各種簡單機械，比較不同方案的結(jié)構(gòu)特點和運動特性，從而選擇最優(yōu)方案，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。

（4）學(xué)習(xí)編程軟件，通過編程把機械零件、電氣元件、氣動零件、傳感器、可編程控制器、電腦等整合成創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)。布置課程設(shè)計題目，通過動手組裝模型、連線、編程、調(diào)試、運行程序、控制模型動作等各段學(xué)習(xí)后，掌握fischertechnik的設(shè)計與控制。

（5）老師和學(xué)生可以把搭建好的常用機構(gòu)和小型機械拍成圖片和視頻上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上，配上適當(dāng)?shù)奈淖终f明，進(jìn)一步完善網(wǎng)上教學(xué)資源，與大家交流和共享，引領(lǐng)大家對機械知識的探討，激發(fā)大家對機械創(chuàng)新的興趣，鼓勵學(xué)生把有關(guān)機械方面的想法變成現(xiàn)實。

2.3 實施方案

慧魚創(chuàng)意組合模型（fischertechnik）的教學(xué)實施方案。

3 應(yīng)用情況及實施效果

通過把機械設(shè)計軟件solidworks引入“機械設(shè)計基礎(chǔ)”的教學(xué)環(huán)節(jié)，使理論與實踐教學(xué)緊密聯(lián)系，不再區(qū)分，教學(xué)內(nèi)容變得生動形象，可操作性強。通過軟件再現(xiàn)“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程里的零件結(jié)構(gòu)、機構(gòu)組裝和機械原理，使學(xué)生的基礎(chǔ)知識和基本理論掌握得扎實，學(xué)習(xí)的興趣變得濃厚，應(yīng)用計算機軟件的能力明顯提高，自信心明顯增強，不少學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動探究性學(xué)習(xí)，他們在課程學(xué)習(xí)小結(jié)中寫道：“‘機械設(shè)計基礎(chǔ)課程讓我有機會體驗計算機設(shè)計的魅力，使我對設(shè)計產(chǎn)生了興趣，激發(fā)了我的學(xué)習(xí)熱情?！?/p>

老師和學(xué)生在應(yīng)用fischertechnik的教具和學(xué)具過程中，通過簡單模型、復(fù)雜模型、自主創(chuàng)新模型的搭建與拆解，增強了實際動手能力，知道機器的組裝方式和拆裝步驟，不再害怕拆裝實際機器，敢于對機器進(jìn)行拆裝、分析組成和故障診斷與維護(hù)，在此基礎(chǔ)上鼓勵學(xué)生拆解手機、計算機和自行車，真正做到學(xué)為我用[3]。

通過4年的教學(xué)實踐，我們發(fā)現(xiàn)在教學(xué)中應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)能提高學(xué)生學(xué)習(xí)“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的興趣，對提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力也有很好效果。從連續(xù)4屆機械專業(yè)的學(xué)生反饋情況來看，這些學(xué)生的“機械設(shè)計基礎(chǔ)”的基礎(chǔ)知識扎實，計算機操作能力明顯高于未引入先進(jìn)技術(shù)對教學(xué)進(jìn)行改革的學(xué)生，由于擁有可操作性的載體，學(xué)生第二課堂和機械創(chuàng)新興趣小組開展得風(fēng)生水起，卓有成效，在學(xué)校的各項比賽中都名列前茅。更為可喜的是班級里一部分同學(xué)形成了濃厚的學(xué)術(shù)討論氛圍，愿意結(jié)合所學(xué)的知識，積極探索，查找資料，認(rèn)真鉆研，進(jìn)行一些小發(fā)明創(chuàng)造，有6名學(xué)生還因此獲得了實用新型專利。結(jié)合每兩年一次的全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽，很多學(xué)生積極參與，先班級選拔，后學(xué)校內(nèi)部競爭，每次都有學(xué)生闖入全國大賽，為學(xué)院爭光。

[參考文獻(xiàn)]

[1]胡仁喜，劉昌麗.solidworks2013機械設(shè)計從入門到精通[M].北京：北京機械工業(yè)出版社，2013.

[2]鄧昭銘，張瑩.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].2版.北京：北京高等教育出版社，2000.

[3]毛茂林，王培俊，羅大兵.慧魚創(chuàng)意模型實驗教程[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.