基于Solidworks的機(jī)械CAD教學(xué)探討

摘要 本文介紹了以Solidworks為工具進(jìn)行CAD技術(shù)教學(xué)的實(shí)踐，著重介紹了學(xué)生興趣的培養(yǎng)、上機(jī)活動的安排、考核形式等內(nèi)容，以起到拋磚引玉的作用。

關(guān)鍵詞 Solidworks的機(jī)械CAD 教學(xué)研究

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Exploration on Mechanical CAD Teaching Based on Solidworks

WANG Fang

(Electromechanical Engineering Deparment of Huaxia College，

Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430223)

AbstractThis paper introduces the Solidworks CAD technology as a tool for teaching practice， focuses on students' interest in training， activities for the machine， assessment forms， etc.， to play a role in casting a brick to attract jade.

Key wordsmechanical CAD teaching based on Solidworks; teaching research

0 引言

機(jī)械CAD技術(shù)作為三本院校機(jī)自專業(yè)一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課，涉及到了工程制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多方面知識。該課程主要培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力以及繪制和閱讀機(jī)械工程資料等能力。和其他理論基礎(chǔ)課相比，其教學(xué)實(shí)踐有其獨(dú)到之處：學(xué)生需要進(jìn)行大量的讀圖和繪圖演練，才能牢固掌握技能。課題教學(xué)如何利用這一特點(diǎn)，使學(xué)生能積極主動地參與到教學(xué)互動的環(huán)節(jié)中，筆者在這方面進(jìn)行了一些探究。

1 教學(xué)軟件選取

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)的軟件技術(shù)和電子顯示屏相關(guān)的硬件技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用逐漸滲透到了機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域。以AutoCAD為代表的二維CAD軟件逐漸改變了傳統(tǒng)的以繪圖板、丁字尺、圖紙、橡皮、鉛筆和直尺等為工具的繪圖方式，極大地方便了工程師表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思路，使得工程師能把更多的精力投入到設(shè)計(jì)創(chuàng)新的環(huán)節(jié)中。隨后，三維CAD技術(shù)日趨成熟并逐漸占據(jù)了CAD技術(shù)的主流地位，使CAD的應(yīng)用超越了“甩圖板”階段，使得工程師能完全地表達(dá)自己的設(shè)計(jì)方案、理念。另外三維CAD模型也為后續(xù)的CAE/CAM/PDM/ERP提供了原始數(shù)據(jù)，是企業(yè)中實(shí)現(xiàn)人員、工具、方法和資源真正集成的基礎(chǔ)。

根據(jù)本校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)，為培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)適應(yīng)設(shè)計(jì)趨勢發(fā)展的合格工程師，在機(jī)自專業(yè)課程中引入三維CAD教學(xué)環(huán)節(jié)很有必要。當(dāng)前三維CAD軟件種類繁多，如CATIA、NX/UG、Solidworks等，筆者在長期的CAD教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)以Solidworks作為教學(xué)軟件能收到較好的教學(xué)效果，主要有以下原因：（1）Solidworks價格低廉，在中小型企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，學(xué)生如果學(xué)會Solidworks對將來就業(yè)有很大幫助。（2）和CATIA、NX/UG等高端CAD軟件相比，Solidworks更加簡便易學(xué)，這樣教學(xué)時就可以把更多精力放在CAD基本原理和操作上，而不是繁瑣的操作技巧和選項(xiàng)說明上面。（3）Solidworks功能全面，包含了主流三維CAD軟件的大部分模塊，如實(shí)體建模、曲面造型、裝配、工程圖生成、鈑金設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)等模塊，熟練掌握這些模塊為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)高端CAD軟件奠定了基礎(chǔ)。

2 教學(xué)內(nèi)容安排

本專業(yè)課程教學(xué)體系改革及實(shí)踐，對主要的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課應(yīng)適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；對各實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)提出具體的應(yīng)知、應(yīng)會要求和實(shí)施意見。針對機(jī)械CAD技術(shù)這門課程，總共安排32學(xué)時，包含16個學(xué)時上機(jī)練習(xí)。即教師每授課一次，上機(jī)練習(xí)一次，使學(xué)生能將課堂上所學(xué)到的知識點(diǎn)及時加以應(yīng)用。而Solidworks軟件包含的功能非常地豐富，在有限的學(xué)時內(nèi)要把所有的功能全部講授是不可能的，因此，筆者挑選了一些最基本，最常用，最有代表性的內(nèi)容講授。

（1）Solidworks介紹和界面熟悉。這一部分教學(xué)內(nèi)容主要是讓學(xué)生對Solidworks的界面和強(qiáng)大功能有一個感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。所教授的內(nèi)容包括文件的新建、打開、保持和關(guān)閉，如何進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作。這一部分安排1個學(xué)時。

（2）草圖。草圖是進(jìn)行三維建模的必備技能，也是Solidworks實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。這一部分教學(xué)內(nèi)容主要是讓學(xué)生掌握草圖的繪制，添加約束，和修改。這一部分安排3個學(xué)時。

（3）實(shí)體建模。在這一部分，主要介紹實(shí)體零件的設(shè)計(jì)思路。首先介紹如何建立基于草圖的特征，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描，放樣等。然后介紹如何建立修飾特征，如倒圓角、倒角、拔模等。最后介紹特征轉(zhuǎn)換，如平移、鏡像、對稱等，以及陣列操作。這一部分教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)是給學(xué)生樹立參數(shù)化建模的思想。此外，由于相同的幾何體可以通過不同的特征來實(shí)現(xiàn)，因此通過這一部分的學(xué)習(xí)，能夠訓(xùn)練學(xué)生的發(fā)散性思維，以及讓學(xué)生理解特征的內(nèi)涵。這一部分安排6個學(xué)時。

（4）綜合實(shí)例講解。在這一部分，教師將引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行零件的實(shí)際建模。零件外形不一定要很復(fù)雜，但要包含盡可能多的幾何特征。學(xué)生在教師的帶領(lǐng)下，將溫習(xí)以前學(xué)過的草圖，實(shí)體建模等知識。這一部分安排2個學(xué)時。

（5）零件裝配。裝配設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的一個重要環(huán)節(jié)。零件設(shè)計(jì)完成后，可以通過Solidworks提供的裝配模塊在零件與零件、零件與組件之間進(jìn)行裝配，從而組成裝配體。這一部分主要教學(xué)內(nèi)容有裝配零部件的管理，裝配約束的創(chuàng)建，以及裝配中干涉和零件自由度的分析。教師將引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行多個零件的實(shí)際裝配。這一部分安排2個學(xué)時。

（6）工程圖。工程圖是Solidworks軟件的重要組成模塊。雖然無紙?jiān)O(shè)計(jì)是當(dāng)今機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，但在短期內(nèi)是無法普及這種設(shè)計(jì)方式，所以工程圖仍是工程師和生產(chǎn)部門交流的工具。生產(chǎn)部門也可以從工程圖中了解工程師對零件的所有要求。因此，掌握工程圖設(shè)計(jì)是一名工程師的必備技能，也是學(xué)生必須學(xué)習(xí)掌握的重點(diǎn)內(nèi)容之一。工程圖的教學(xué)主要包括以下內(nèi)容：投影視圖、截面視圖、局部放大視圖、以及斷開視圖的生成方法，尺寸與公差標(biāo)注的方法。這一部分安排2個學(xué)時。

雖然Solidworks還有很多功能，例如曲面設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)，動畫制作等，但由于學(xué)時所限，只能講授這些功能，剩下的功能學(xué)生日后有需要可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

3 教學(xué)形式安排

3.1 作品觀摩

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在課程的開始階段，筆者都會給學(xué)生演示往屆學(xué)生的優(yōu)秀作品，例如復(fù)雜閥體、流線型汽車車身曲面、直升機(jī)裝配件等。通過展示這些作品，學(xué)生對Solidworks強(qiáng)大功能有一個直觀的認(rèn)識。然后再鼓勵學(xué)生：“只要認(rèn)真學(xué)習(xí)，不出數(shù)月，你們也能做出更多更好的作品”，從而增加學(xué)生掌握Solidworks的信心。

3.2 平時上機(jī)

傳統(tǒng)的教學(xué)過分重理論，輕實(shí)踐，沒有足夠的工程實(shí)踐機(jī)會，這種工程教育的“學(xué)術(shù)化”傾向使得培養(yǎng)出來的學(xué)生面對工程實(shí)際問題力不從心。CAD軟件作為當(dāng)代工程師必備的工具，其教學(xué)過程必須克服傳統(tǒng)工程教育的弊端，遵循以學(xué)生為主體，教師為引導(dǎo)的思路，充分調(diào)動學(xué)生的主動性，讓學(xué)生在實(shí)戰(zhàn)中領(lǐng)會CAD基本原理和Solidworks基本操作。

教師如何在課題上引發(fā)學(xué)生積極主動地投身到Solidworks實(shí)際操作中？筆者的經(jīng)驗(yàn)是推廣問題式教學(xué)，讓學(xué)生帶著解決問題的目的來參與教學(xué)互動。筆者通常會把工程中經(jīng)常用到的CAD使用方法抽象成問題，讓學(xué)生在解決這個問題的過程中不知不覺地掌握這個方法。例如在講授參數(shù)化設(shè)計(jì)這一知識點(diǎn)時，刻意安排讓學(xué)生繪制傳動軸和其配合的鍵，并要求學(xué)生將二者裝配在一起。然后，再應(yīng)用Solidworks力學(xué)仿真，經(jīng)過校核，發(fā)現(xiàn)傳動軸強(qiáng)度不夠，需要加粗。這時提出問題，應(yīng)該怎么辦？有的同學(xué)可能會打算另起爐灶，按照之前的流程重新畫一根更粗的傳動軸并裝配。這時，再提出參數(shù)化設(shè)計(jì)概念，引導(dǎo)學(xué)生，直接在草圖上修改尺寸約束就可以了，其余的改動，例如鍵槽大小，鍵的大小，CAD軟件會自動完成。通過這種問題驅(qū)動的教學(xué)模式，學(xué)生能夠更好地體會到參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，并在將來的工作中應(yīng)用這一思想。

每次上機(jī)的內(nèi)容分為兩部分：基本上機(jī)和自由發(fā)揮?；旧蠙C(jī)是指完成教師安排的隨堂作業(yè)，目的是鞏固剛學(xué)到的知識。自由發(fā)揮是指學(xué)生運(yùn)用剛學(xué)到的知識繪制規(guī)定范圍以外的物體，可以是典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)，也可以使學(xué)生想象中的事物，目的是為了讓學(xué)生觸類旁通。

通過Solidworks的上機(jī)，到課程結(jié)束的時候很多學(xué)生都能非常自如地運(yùn)用Solidworks解決三維設(shè)計(jì)方面的問題。

3.3 最終考核

本課程主要目的是培養(yǎng)學(xué)生熟練運(yùn)用CAD軟件的能力和素質(zhì)，而并不是學(xué)習(xí)相關(guān)的機(jī)械或計(jì)算機(jī)理論，因此，如果采用傳統(tǒng)考試的形式來評分不能真正衡量出學(xué)生的掌握情況。本課程的最終給分是通過結(jié)合學(xué)生平時課堂表現(xiàn)和最后的大作業(yè)來看的，前者占總分的30%，后者占總分的70%。學(xué)生平時課堂表現(xiàn)主要是根據(jù)學(xué)生出勤率、上課回答問題情況、平時上機(jī)作業(yè)完成情況等綜合給出的，具體每項(xiàng)如何給分各個教師可以在自己的教學(xué)實(shí)踐中斟酌。最后的大作業(yè)是在規(guī)定的時間內(nèi)，學(xué)生根據(jù)教師所提供的二維圖紙獨(dú)立完成一個三維裝配模型，通過多媒體教學(xué)系統(tǒng)在時間結(jié)束時提交作業(yè)。為了防止學(xué)生相互抄襲，每個學(xué)生獲取二維圖紙均不相同。

大作業(yè)的評分標(biāo)準(zhǔn)主要考慮以下幾個方面：（1）作業(yè)的完成程度。（2）模型的復(fù)雜程度。（3）模型的精煉程度。一個特征可能有好幾種建立方式，學(xué)生是否使用最簡潔、最符合工程需求的建立方式。

4 結(jié)束語

Solidworks是一款功能強(qiáng)大，簡便易學(xué)的三維CAD軟件，非常適合應(yīng)用型本科教學(xué)。本文主要介紹了筆者在利用Solidworks軟件進(jìn)行CAD教學(xué)方面的一些探索。當(dāng)前CAD軟件仍處于快速發(fā)展階段，各種新概念和方法層出不窮，筆者希望通過不斷探索和學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供最新的技術(shù)和方法。

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