任云，周仙娥，唐偉峰

（海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東 煙臺264001）

0 引 言

新工科背景下，根據(jù)應(yīng)用型本科高校對應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求，課程教學(xué)應(yīng)更注重課程理論知識與工程實踐的結(jié)合，強調(diào)工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1]。而機械類專業(yè)是一個理論性和實踐性都很強的專業(yè)群，因此課程教學(xué)更應(yīng)該注重知識的應(yīng)用性，加強對學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，才能更好地為機械設(shè)計制造企業(yè)提供優(yōu)秀的機械專業(yè)人才。

機械專業(yè)課程的基本特點是內(nèi)容多、知識抽象、實踐性強，而現(xiàn)代制造企業(yè)人才必備的三維計算機輔助設(shè)計技術(shù)能夠很好地實現(xiàn)抽象機械的三維立體動態(tài)展示。結(jié)合人才培養(yǎng)需求和課程特點，提出在機械專業(yè)課程教學(xué)改革中，融入操作簡便、界面友好、易學(xué)易用的三維參數(shù)化設(shè)計軟件SolidWorks 作為輔助教學(xué)工具，實施教學(xué)，以期取得良好的教學(xué)效果。

結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求和機械專業(yè)特點，在課程教學(xué)改革中，筆者提出了3 個方面的改革舉措：1）注重學(xué)生對理論知識的深入理解和應(yīng)用，引入SolidWorks 軟件作為教學(xué)輔助工具，增強課堂效果，強化知識深化；2）注重鍛煉學(xué)生的工具使用技能，引入SolidWorks 軟件作為學(xué)習(xí)輔助工具，提高學(xué)生利用工具進行設(shè)計實踐應(yīng)用的能力；3）注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新實踐能力，引入SolidWorks 軟件作為綜合應(yīng)用工具，結(jié)合機械創(chuàng)新設(shè)計競賽項目實操實訓(xùn)，提升學(xué)生的機械創(chuàng)新設(shè)計綜合應(yīng)用能力。

1 SolidWorks軟件作為教學(xué)輔助工具，增強課堂效果，強化知識學(xué)習(xí)

在機械原理與機械設(shè)計課程教學(xué)中，結(jié)合不同階段的課程內(nèi)容特點和教學(xué)方法手段，引入SolidWorks 軟件作為輔助教學(xué)工具，進行不同的教學(xué)應(yīng)用，一方面可以實現(xiàn)抽象知識的形象化、生動化，深化學(xué)生對知識的理解，改善教學(xué)效果；另一方面可以引導(dǎo)學(xué)生利用輔助工具，參與理論知識的學(xué)習(xí)，提高知識的應(yīng)用性效果。

1.1 SolidWorks在機械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

在機械原理課程中，主要學(xué)習(xí)常用機構(gòu)的組成、特性和運動學(xué)原理，大多數(shù)學(xué)生缺乏實踐經(jīng)驗，不能很好地理解和掌握機構(gòu)的運動原理，學(xué)習(xí)就變得枯燥乏味，也就難以達到學(xué)習(xí)效果。因此，在課程教學(xué)中，設(shè)計采用基于SolidWorks 軟件的演示性教學(xué)，借助SolidWorks 軟件制作各種機構(gòu)的虛擬模型，并利用運動仿真工具創(chuàng)建相應(yīng)的運動動畫，模擬機構(gòu)的真實運動情況，使教學(xué)過程變得形象化、生動化，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好地幫助學(xué)生有效地理解和學(xué)習(xí)知識，達到更好的教學(xué)效果。

下面以鉸鏈四桿機構(gòu)的類型判別為例，展示一下SolidWorks 軟件在課程教學(xué)中的融合應(yīng)用。圖1（a）所示為一鉸鏈四桿機構(gòu)的機構(gòu)運動簡圖，而鉸鏈四桿機構(gòu)有3 種基本類型：雙曲柄機構(gòu)、曲柄搖桿機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)。在講述鉸鏈四桿機構(gòu)的類型判別方法時，單單運用公式推導(dǎo)和圖片來分析，學(xué)生聽起來枯燥難懂。這時借助SolidWorks 軟件把鉸鏈四桿機構(gòu)對應(yīng)不同桿件為機架的情況畫出三維裝配模型，如圖1（b）～圖1（d），并在運動算例中給主動件設(shè)置旋轉(zhuǎn)馬達，讓鉸鏈四桿機構(gòu)動起來，生成視頻動畫，課堂上借助動畫演示來分析各種機構(gòu)，就更加形象易懂了。通過這樣的教學(xué)方式，學(xué)生能夠更加直觀地學(xué)習(xí)課程的理論知識，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動起其參與學(xué)習(xí)的積極性，課堂教學(xué)效果得到了明顯改善。

圖1 鉸鏈四桿機構(gòu)的類型判別

1.2 SolidWorks在機械設(shè)計課程教學(xué)中的應(yīng)用

在機械設(shè)計課程中，涉及到工程機械中各種常用連接、傳動和軸系零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與力學(xué)分析，與工程實踐聯(lián)系密切，故主要采用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法。結(jié)合工程實例合理設(shè)計項目任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生借助知識學(xué)習(xí)逐層完成結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)，融入SolidWorks 技術(shù)，利用軟件繪制零件的三維立體模型，隨后校驗零件的力學(xué)性能，對結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的修正定稿，最后由三維圖生成二維圖，圖2 所示為某工程用減速器中輸出軸的設(shè)計流程示例。通過這樣的教學(xué)流程，使學(xué)生不僅全面地學(xué)習(xí)了機械零件的完整設(shè)計流程，而且逐步建立起利用三維參數(shù)化設(shè)計工具進行機械設(shè)計的設(shè)計理念，為后續(xù)的課程設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)奠定一定的基礎(chǔ)。

圖2 輸出軸的設(shè)計流程

2 作為學(xué)習(xí)輔助工具，強化實操應(yīng)用，提高運用技能

為適應(yīng)現(xiàn)代機械制造企業(yè)對人才必需技能的要求，鍛煉學(xué)生對計算機輔助設(shè)計工具的應(yīng)用能力，在機械專業(yè)課程實驗和課程設(shè)計中，引入SolidWorks 軟件作為輔助學(xué)習(xí)工具。在實驗學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以利用SolidWorks 軟件進行建模、裝配與運動仿真，幫助其直觀形象地分析機構(gòu)、零部件方案設(shè)計問題，提高實驗學(xué)習(xí)的質(zhì)量；在課程設(shè)計中，學(xué)生首次借助SolidWorks 軟件完成某個簡單機械裝置的設(shè)計過程，較好地鍛煉了其對理論知識和設(shè)計工具的應(yīng)用能力。

2.1 SolidWorks在課程實驗中的應(yīng)用

在機械原理和機械設(shè)計課程部分實驗中，引入SolidWorks 軟件實現(xiàn)對機構(gòu)設(shè)計方案問題、軸系裝置裝配問題等進行三維建模和虛擬仿真，幫助學(xué)生更加直觀形象地查找問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，提升其對機械設(shè)計問題的分析解決能力。例如，在平面機構(gòu)運動分析實驗中，教師借助一些存在方案設(shè)計問題的機構(gòu)設(shè)計實例，引導(dǎo)學(xué)生自主完成機構(gòu)方案問題分析，借助SolidWorks 軟件創(chuàng)建機構(gòu)的三維立體模型，并通過運動仿真模擬其運動情況，查找問題所在，進而提出合理的改進方案，對機構(gòu)模型進行改進設(shè)計。通過這樣的實驗過程，很好地鍛煉了學(xué)生分析解決工程實際問題的能力和對設(shè)計工具的應(yīng)用能力。

2.2 SolidWorks在機械設(shè)計課程設(shè)計中的應(yīng)用

機械設(shè)計課程設(shè)計是機械專業(yè)課程教學(xué)體系中一個重要的實踐環(huán)節(jié)，是對學(xué)生的機械設(shè)計實操技能和創(chuàng)新能力的一次全面訓(xùn)練[2]，對其進行后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計乃至走上工作崗位都有著重要的影響。將SolidWorks 三維參數(shù)化設(shè)計軟件融入本課程的教學(xué)中，結(jié)合SolidWorks 軟件虛擬設(shè)計的優(yōu)勢，開展機械設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)，可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升其設(shè)計實踐能力[3]。

下面以某帶式輸送機傳動裝置的設(shè)計為例，其設(shè)計流程如圖3 所示。在課題進行的前期，利用機械設(shè)計基礎(chǔ)的相關(guān)設(shè)計理論完成傳動裝置的方案確定、傳動參數(shù)計算分配、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后融入SolidWorks 軟件實施零件和裝配體的三維建模、強度校核和工程圖輸出等任務(wù)。

通過SolidWorks 軟件與機械設(shè)計課程設(shè)計相融合的教學(xué)實施，不僅使學(xué)生對機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的知識進行了實踐應(yīng)用，而且使學(xué)生較為全面地學(xué)習(xí)了SolidWorks軟件的零部件建模、虛擬裝拆、工程圖輸出等各種功能，為后續(xù)的創(chuàng)新設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。

3 作為實踐應(yīng)用工具，輔助解決問題，提升學(xué)員綜合能力

“新工科”人才培養(yǎng)的第一要求就是要具有創(chuàng)新意識[4]。為培養(yǎng)機械專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新實踐精神和現(xiàn)代化設(shè)計理念，結(jié)合機械創(chuàng)新設(shè)計技能大賽設(shè)計機械創(chuàng)新設(shè)計項目，將三維參數(shù)化設(shè)計軟件SolidWorks 融入項目中，開展機械創(chuàng)新設(shè)計活動，實現(xiàn)以賽促學(xué)的現(xiàn)代化設(shè)計實踐訓(xùn)練和以賽促創(chuàng)的創(chuàng)新思維訓(xùn)練，提升學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計綜合應(yīng)用能力，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計和崗位任職奠定良好的能力基礎(chǔ)。

圖4 勢能驅(qū)動車設(shè)計流程簡圖

下面將結(jié)合我校學(xué)生參加的全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽之子項目勢能驅(qū)動車賽項來展開分析SolidWorks 軟件在機械創(chuàng)新設(shè)計中的融合應(yīng)用，其設(shè)計流程如圖4 所示。首先綜合運用機械設(shè)計相關(guān)理論知識進行項目方案分析和設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后借助SolidWorks軟件實現(xiàn)零部件的三維建模、機器的虛擬裝配（如圖5）、機器的運動仿真、零部件的3D 打?。ㄈ鐖D6）、二維工程圖的輸出，最后完成勢能小車的組裝調(diào)試。

圖5 勢能驅(qū)動車的虛擬裝配建模

圖6 部分3D 打印零部件

通過機械創(chuàng)新設(shè)計經(jīng)歷，一方面能夠幫助學(xué)生全面學(xué)習(xí)和了解機械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計過程，拓寬知識面，提升其分析和解決工程問題的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新探索精神；另一方面能夠強化學(xué)生對計算機輔助設(shè)計理念的理解，鍛煉其對計算機輔助設(shè)計工具的運用能力，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計和工作實踐打下堅實的基礎(chǔ)。

4 教學(xué)實踐效果分析

經(jīng)過教學(xué)實踐，利用SolidWorks 軟件輔助機械專業(yè)課程教學(xué)，實現(xiàn)融合式教學(xué)模式，既提升了學(xué)生對機械課程學(xué)習(xí)的效果，又鍛煉了學(xué)生工具使用能力，取得了良好的教學(xué)效果。主要體現(xiàn)在以下3 個方面。

1）學(xué)生對理論知識的深入理解和應(yīng)用能力大大提高。在機械專業(yè)課程的課堂教學(xué)中融入SolidWorks 軟件，使原來枯燥的理論學(xué)習(xí)變得形象生動，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，課堂效果大大改觀，知識的學(xué)習(xí)和應(yīng)用更加有效。課程考核中，應(yīng)用分析類題型的得分明顯提高，說明學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力大大提高了。

2）學(xué)生對計算機輔助設(shè)計工具的應(yīng)用能力明顯提升。在機械課程實驗實操、課程設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計中引入SolidWorks 軟件作為輔助學(xué)習(xí)工具，使學(xué)生不僅全面掌握了三維建模、虛擬裝拆、動畫仿真、工程圖輸出等各種軟件功能，而且深入學(xué)習(xí)了設(shè)計軟件與3D 打印機、數(shù)控加工機床等加工設(shè)備的對接轉(zhuǎn)化應(yīng)用，很好地鍛煉了學(xué)生對計算機輔助設(shè)計軟件的應(yīng)用能力。其效果體現(xiàn)在近幾年畢業(yè)設(shè)計繪圖質(zhì)量的大幅提高。

3）學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新實踐能力得到了較好的提升。SolidWorks 軟件的融入，幫助學(xué)生全面完成了從“方案設(shè)計→結(jié)構(gòu)設(shè)計→三維建模與裝配→運動仿真→3D 打印加工→作品成型”的機械設(shè)計全過程，既展示了學(xué)生對所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力，也鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，近幾年的競賽成績有了明顯提高。