基于CAD技術的《機械設計基礎》課程教學改革探索與實踐

孫克銳，葉炬鋒

（浙江同濟科技職業學院 機械與電氣工程系，浙江 杭州 311231）

0 前言

CAX泛指一切以計算機為輔助工具的各種應用系統，包括 CAD、CAM、CAE、CAPP、CAS、CAT、CAI、CIMS等各項技術統稱。CAX技術是數字化設計制造技術的基礎和核心，CAX技術的應用可大幅提高制造業技術水平和效率[1-2]。《機械設計基礎》課程是高職機械類專業重要的專業基礎課，內容包括理論力學、材料力學、機械原理和機械設計等，該課程具有理論性、實踐性和知識綜合性特點，主要考察學生機械設計基本理論和實踐應用能力。傳統的教學偏重按知識理論體系即一個個分散的知識點教學，項目化不突出，達不到訓練學生綜合應用能力的目標。教學手段以多媒體、動畫仿真、教具為主，學生被動的接收知識。

1 《機械設計基礎》課程教學改革的必要性

在數字化、信息化和智能化技術與機械技術結合日益緊密的今天，機械工程人員工程應用能力、創新能力主要通過CAX技術實現。傳統的教學方法和教學內容已經不適應現代設計技術以及社會發展的需要，此外，由于高職學生理論基礎普遍較弱，更傾向動手，再加上課時和硬件條件的限制如教具的數量、制造的成本高和周期長等，該課程只有在傳統教學基礎上融合CAX技術主要是CAD技術，采用項目化教學，才能提高教學質量和效率，培養學生的綜合工程能力、創新能力和工匠精神，有利于學生畢業后更快地適應設計等相關崗位工作[3]。

2 基于CAD技術開展課程項目化改造的思路

通過實地調研企業機械設計崗位能力需求，發現作為設計人員既要有扎實的理論基礎又要具備工程綜合應用能力、創新能力及熟練利用CAD、CAE技術輔助設計能力。另外，好的設計離不開設計人員追求完美、勇于創新并對自己的作品充滿敬畏之心的工匠精神。因此，《機械設計基礎》這門課程的教學既要培養學生機械設計系統知識又要培養學生利用CAD技術進行機械創新設計的實踐能力[4]。為實現上述目標，將課程內容重新梳理，構建單項訓練和綜合訓練交替結合的一個個項目，見表1.項目來源有企業實際項目、大學生科技競賽和根據教學需求設計的針對性課題等。

表1 《機械設計基礎》課程結構項目化分解

3 CAD技術的項目化教學實施案例

以CAD設計仿真自行車停車庫的教學為案例，課題來自第十五屆浙江省大學生機械設計競賽，主要解決小區或公共區域停車難問題。該任務要求學生利用CAD技術設計自行車停車庫機械裝置并進行運動學和動力學仿真。目標是訓練學生利用CAD軟件進行機械裝置綜合設計能力、創新能力。項目實用性強、難度適中、學生興趣濃厚。考慮到同學初次接觸機械系統設計和設計工作量較大，采用4~5人一組，選出項目負責人，團隊合作完成項目。

3.1 問題導入

通過多媒體展示道路上停放的擁擠不堪的自行車圖片，引發學生對停車難問題的關注。

3.2 布置任務

基于三維設計軟件如PROE等設計自行車停車庫機械裝置。要求：停車裝置以機械設計為主，空間利用率高、安全、便捷、易于維護。

3.3 任務分解

子任務1：市場調研。小組成員搜集資料、查閱文獻或實地走訪，分析已有停車庫設計形式及特點。

子任務2：概念設計。小組成員根據市場需求，擬定設計任務書包括停車數量、占地面積、實現的功能、技術參數等，構思停車庫整體結構。

子任務3：方案設計。根據設計要求，擬定不同的設計方案，包括驅動模塊如電機驅動、液壓驅動等，傳動方案如鏈傳動、齒輪傳動、蝸輪蝸桿等，末端執行形式如圓柱形、六邊形等，本體支撐結構等。通過CAD軟件對各方案進行初步系統設計。小組成員從可行性、安全性、可靠性、經濟性、便捷性、可維護性等多角度評估各方案優劣，選擇最優方案。

子任務4：詳細設計。基于三維設計軟件采用自頂向下的設計模式，先搭建整體框架，再分解設計任務包括動力部分、傳動部分、執行部分、支撐部分等，最后繪制總裝圖、零件圖。小組成員分工協作完成。

子任務5：運動學與動力學仿真。利用CAD軟件裝配分析功能和運動學模塊，對停車庫裝置進行裝配干涉分析、人機工程分析、運動學分析。利用CAD軟件動力學仿真模塊或專業的CAE軟件，對機器展開動力學分析，優化設計。

子任務6：編制設計說明書。小組成員分工完成各模塊設計說明書，最后匯總為完整說明書。

3.4 設計點評

采用階段性點評和終結性點評相結合的形式。在概念設計、方案設計和最終完成設計三個階段分別設置全班點評環節。各小組以PPT形式結合3D軟件動態仿真功能匯報階段性成果。各小組根據評價標準進行互評、教師評價，最后綜合評定成績。因受教學時數和硬件條件限制，不制作樣機。

4 課程教學考核模式

課程采用教、學、做一體化和項目化教學，考核方式分為理論、實操和過程性考核。理論考核學生機械設計基本理論掌握情況，以考試為主。過程性考核包括學習態度、項目考核，考核學生機械設計理論應用于工程實踐能力、創新能力。過程性考核有利于及時掌握學生學習情況，改進教學。考核標準為項目完成質量、團隊合作精神、工匠精神。各種考核占比分別為：學習態度30%、項目40%、考試30%.每個項目獨立考核，最后根據難易程度、工作量加權計入項目總成績。采用多元評價形式包括學生自評、互評、教師評價和企業專家評價，評價更全面、客觀。

5 結語

CAX技術應用是制造業向信息化、智能化轉型升級的基礎，是機械工程人員必備的技能。從工程實踐應用角度，重新構建《機械設計基礎》課程結構并設計關聯項目。基于CAX技術特別是CAD技術，依托項目組織教學，創新了《機械設計基礎》課程教學模式，提高了同學們工程實踐能力、創新能力，加深對機械工程技術人員角色認識，學生工匠精神得到進一步培養。