單瑞霞，劉安琴

（煙臺(tái)理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 26005）

在智能制造和工業(yè)4.0大放異彩的今天，制造業(yè)面臨著數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)化、智能化變革，生產(chǎn)工藝趨于完善，機(jī)器功能要求日益復(fù)雜多樣，而生產(chǎn)工藝、機(jī)器功能的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)機(jī)械設(shè)備去實(shí)現(xiàn)，這就需要機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新跟上時(shí)代變革的步伐，也需要應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才來(lái)完成機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新。同時(shí)，機(jī)械專業(yè)要求培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才，要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用專業(yè)工程基礎(chǔ)知識(shí)與專業(yè)核心知識(shí)，針對(duì)機(jī)械領(lǐng)域的工程問(wèn)題設(shè)計(jì)解決方案，滿足數(shù)字化加工和智能制造的基本需求，并能夠在設(shè)計(jì)或開(kāi)發(fā)過(guò)程中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)；同時(shí)要求學(xué)生具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)，有不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展的能力，與社會(huì)、企業(yè)需求人才標(biāo)準(zhǔn)接軌，提高學(xué)生的職業(yè)勝任力。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

從學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)的完成情況看，學(xué)生存在設(shè)計(jì)思路不清晰、無(wú)法完整表達(dá)設(shè)計(jì)意圖、缺少“最優(yōu)”的設(shè)計(jì)意圖等問(wèn)題，雖然掌握了設(shè)計(jì)方法和繪圖技巧，能按照教授的過(guò)程完成課堂上的設(shè)計(jì)案例制作，但一旦離開(kāi)了課堂就缺乏舉一反三的思考能力，面對(duì)自己的設(shè)計(jì)創(chuàng)意往往感到束手無(wú)策，不知如何表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，或者設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不具有工程應(yīng)用價(jià)值，對(duì)學(xué)生后期的專業(yè)課程學(xué)習(xí)和工作造成很大的困難。如圖1（a）為學(xué)生設(shè)計(jì)作品示意圖，其出料托盤雖然能滿足功能要求，但沒(méi)有考慮加工及裝配工藝要求，不具有工程應(yīng)用價(jià)值；圖1（b）出料托盤為生產(chǎn)實(shí)際結(jié)構(gòu)示意圖，采用鈑金結(jié)構(gòu)即可，加工方便。

2 三維CAD與培養(yǎng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力相結(jié)合

機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)一直是機(jī)械專業(yè)教育的難點(diǎn)和重點(diǎn)，也是從中國(guó)制造到中國(guó)創(chuàng)造轉(zhuǎn)變的重要基礎(chǔ)。要想培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，需要提高學(xué)生的設(shè)計(jì)表達(dá)能力，把設(shè)計(jì)意圖想法能正確地表達(dá)出來(lái)；要想培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)表達(dá)能力，需要提高學(xué)生的構(gòu)型能力和設(shè)計(jì)思維，在設(shè)計(jì)、繪圖時(shí)考慮零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能要求、加工工藝等要求；要想培養(yǎng)學(xué)生的構(gòu)型能力和設(shè)計(jì)思維，需要提高學(xué)生的空間想象力和形體表達(dá)能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

三維CAD提供專門工具支持創(chuàng)新設(shè)計(jì)，能快速定義和驗(yàn)證設(shè)計(jì)的形狀、配合和功能，涵蓋設(shè)計(jì)、仿真、可持續(xù)性、技術(shù)交流和數(shù)據(jù)管理等功能。三維CAD能快速將設(shè)計(jì)構(gòu)想轉(zhuǎn)化成3D模型，清晰表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，符合設(shè)計(jì)構(gòu)思的思維規(guī)律；可以通過(guò)虛擬測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)性能，快速協(xié)作和交流構(gòu)思，為設(shè)計(jì)的更新和創(chuàng)新提供了快捷的方式和手段；可以利用現(xiàn)有設(shè)計(jì)工作自動(dòng)執(zhí)行重復(fù)的設(shè)計(jì)任務(wù)，快速創(chuàng)建可用于生產(chǎn)的 2D 工程圖，為設(shè)計(jì)變更提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，符合培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的要求[1-2]。

將三維CAD和培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力結(jié)合起來(lái)，探索基于三維CAD培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的方法，通過(guò)三維CAD和其他專業(yè)課程、實(shí)踐課程的融合，并對(duì)三維CAD課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等進(jìn)行改革，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

3 三維CAD與培養(yǎng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力相結(jié)合的培養(yǎng)模式

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新的要求，結(jié)合三維CAD特點(diǎn)，通過(guò)“讀－畫－設(shè)－創(chuàng)”的培養(yǎng)模式來(lái)提升學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新水平，如圖2所示，即“讀”三維模型，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力和形體表達(dá)能力；“畫”機(jī)械零部件圖，使學(xué)生的設(shè)計(jì)理論與軟件操作有機(jī)融合起來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生的構(gòu)型能力和設(shè)計(jì)思維；通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)掌握設(shè)計(jì)流程，使用三維CAD軟件把“設(shè)”計(jì)意圖表達(dá)出來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)表達(dá)能力；學(xué)生在平時(shí)注意積累，多讀多畫多思多練，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)的過(guò)程中，根據(jù)要求完成“創(chuàng)”新設(shè)計(jì)。

3.1 三維CAD應(yīng)用于《機(jī)械制圖》教學(xué)

機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新的基本要求就是具有空間構(gòu)型能力和形體表達(dá)能力，具有較好的繪圖、讀圖能力，而《機(jī)械制圖》主要目的是培養(yǎng)和學(xué)生的空間想象力和形體表達(dá)能力以及學(xué)生繪圖和讀圖的基本能力。張淑艷等展開(kāi)了用三維CAD輔助工程制圖投影理論教學(xué)的探索與實(shí)踐[3]，劉向麗對(duì)SolidWorks 軟件在《機(jī)械制圖》教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行研究[4]，把三維CAD應(yīng)用于《機(jī)械制圖》教學(xué)可以提高學(xué)生的空間想象力與構(gòu)型能力，并能培養(yǎng)圖學(xué)意識(shí)。

在《機(jī)械制圖》教學(xué)過(guò)程中，創(chuàng)建教學(xué)案例的3D模型，上傳至EverCraft在線3D協(xié)作平臺(tái)，不需要教師或?qū)W生用指定軟件打開(kāi)，可以隨時(shí)隨地通過(guò)分享的鏈接二維碼使用手機(jī)看圖，如圖3所示，在查看零件時(shí)可對(duì)其進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)、剖切和測(cè)量等，在查看裝配體時(shí)還可以爆炸視圖和隱藏零件，也可查看形體的基本視圖和軸測(cè)圖，可實(shí)現(xiàn)二維平面圖形和三維空間形體快速切換，有利于對(duì)空間形體的形象思維能力和初步的創(chuàng)造性構(gòu)形設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，更符合設(shè)計(jì)學(xué)的要求。

圖3 形體鏈接及形體查看界面

3.2 三維CAD課程教學(xué)改革

機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新的過(guò)程不是一個(gè)人就可以完成的，而是一個(gè)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的過(guò)程，這就要求設(shè)計(jì)者把產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表達(dá)出來(lái)，通過(guò)三維CAD軟件畫圖更能直觀地體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。但對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，缺少正確的三維CAD軟件使用規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為了建模而建模，沒(méi)有考慮后續(xù)模型修改及重復(fù)利用需求，這就導(dǎo)致機(jī)械設(shè)計(jì)效率低，畫出的結(jié)構(gòu)不具有應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)總結(jié)長(zhǎng)期從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維CAD教學(xué)工作的經(jīng)驗(yàn)，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法[5]，在保證學(xué)生軟件功能學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，更注重設(shè)計(jì)思路的練習(xí)，拋掉設(shè)計(jì)就是建模的思想，鍛煉學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)意圖的正確規(guī)劃，這樣才能為機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新打好扎實(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)采用項(xiàng)目教學(xué)法，以實(shí)際生產(chǎn)中的常用設(shè)備為參考，如圖4所示，把學(xué)生大賽作品的某機(jī)構(gòu)作為設(shè)計(jì)項(xiàng)目，教師提供一些參考資料，學(xué)生也可以自己查找資料文獻(xiàn)，最終分組完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)；完成后學(xué)生分別展示自己的作品，并相互交流點(diǎn)評(píng)。對(duì)于缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，可以從模仿已有設(shè)計(jì)或簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)開(kāi)始，學(xué)習(xí)自頂向下和自底向上的設(shè)計(jì)方法，鍛煉學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的正確規(guī)劃，能將自己的設(shè)計(jì)意圖通過(guò)三維CAD體現(xiàn)，保證設(shè)計(jì)的零部件能正確地使用；同時(shí)通過(guò)分組協(xié)作培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和溝通交流能力，使學(xué)生具備良好的工程素養(yǎng)。

圖4 項(xiàng)目教學(xué)內(nèi)容

3.3 基于三維CAD進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐

項(xiàng)目實(shí)踐是培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力必不可少的環(huán)節(jié)。實(shí)踐課程、機(jī)械類大賽是進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐的有效途徑，分析機(jī)械專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐課程和主要參加的先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽、三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、大學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，均需要學(xué)生具有一定的繪圖能力和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，為此采用“賽教融合”教學(xué)方法，如圖5所示，以三維CAD為基點(diǎn)、以專業(yè)課程為主線、以實(shí)踐課程和大賽為平臺(tái)，提升學(xué)生的專業(yè)技能和設(shè)計(jì)創(chuàng)新水平。

圖5 課程與大賽關(guān)系框架

在進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐時(shí)，與實(shí)踐課程相結(jié)合，采用層次遞進(jìn)培養(yǎng)模式，如圖6所示，機(jī)械制圖測(cè)繪主要培養(yǎng)學(xué)生繪圖讀圖的基本能力、空間構(gòu)型能力，同時(shí)初步培養(yǎng)三維CAD建模思路；機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、機(jī)械制造工藝課程設(shè)計(jì)主要培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)三維CAD構(gòu)型能力和表達(dá)設(shè)計(jì)意圖的能力，熟悉項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)流程并具有一定的創(chuàng)新意識(shí)；通過(guò)先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽培養(yǎng)學(xué)生繪圖讀圖的基本能力、三維CAD構(gòu)型能力，熟悉產(chǎn)品設(shè)計(jì)表達(dá)方法；通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)、三維數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、大學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽使學(xué)生把理論知識(shí)與工程實(shí)際相聯(lián)系，能夠提高學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、計(jì)算能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

圖6 項(xiàng)目實(shí)踐培養(yǎng)模式

4 教學(xué)改革實(shí)施效果

近年來(lái)，我校依托三維CAD對(duì)機(jī)械制圖的教學(xué)模式進(jìn)行了教學(xué)改革，同時(shí)對(duì)三維CAD課程也進(jìn)行教學(xué)改革，對(duì)于課設(shè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐課程鼓勵(lì)學(xué)生優(yōu)先使用三維CAD進(jìn)行設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽。圖7為學(xué)生近三年參加“山東省大學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽”獲獎(jiǎng)作品數(shù)量，從圖可以看出，獲獎(jiǎng)作品逐年增加，學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力有了提高。

圖7 “大學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽”獲獎(jiǎng)情況

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)三維CAD的特點(diǎn)，把培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力和結(jié)合三維CAD起來(lái)，通過(guò)三維CAD和《機(jī)械制圖》課程的融合、對(duì)三維CAD課程的教學(xué)改革以及項(xiàng)目實(shí)踐以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的目標(biāo)。培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的措施很多，這是需要不斷探索和研究的問(wèn)題。