基于數字化設計的機械設計課程教學改革

左斌

摘要：針對現有機械設計課程中出現的學生主動性不強，設計內容如出一轍，手工繪圖實用性不強，設計過程繁雜等問題，提出了以企業應用為主的教學改革。文章從教學方法、設計手段、教學效率等方面進行了改革探討。經過六個班級的教學實踐，學生的主動性得到了更好的發揮，數字化設計水平得到了提高，達到了教學改革目的。

關鍵詞：機械設計；數字化設計；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）43-0137-03

機械設計課程是機電工程學院一門綜合性比較強的專業技術課程，它是培養學生分析問題，解決問題的設計能力，學會運用所學的機械制圖，工程力學，測量與公差等課程的專業知識來進行解決問題。設計的內容主要包括：機構方案的擬定，傳動零件的參數選擇，大小齒輪和大小軸的計算設計，繪制一根軸和一個齒輪的零件圖和裝配圖，最后完成設計說明書的編寫。通過這一課程的實施，使學生學會了解，掌握機械設計的基本步驟和設計思路，為后續專業課程的學習以及將來的工作奠定了理論基礎。

一、機械設計課程設計現狀及存在的問題

一直以來，本校機械設計課程設計還是傳統的沿用集中講解模式。教師結合書本上內容，對學生進行零部件運動學和動力學的講解，幫助學生解決設計計算過程中遇到的公式問題，同時還輔導學生如何查詢表格，以及對表格的換算問題。根據計算結果驗證零部件可靠性并完成二維零件的手工繪圖，最后將所進行的所有內容寫入說明書。這一教學過程存在的問題主要表現在以下幾個方面。

（一）學生學習的主動性不強，設計內容如出一轍

學生在設計時缺乏實踐背景，對減速器機構的結構、制造、工藝、裝配以及應用缺乏認識，只能按照教材案例按部就班的進行公式選取，從手冊中選取關鍵參數值，然后進行計算和繪圖，很難將設計過程與實際應用聯系起來。設計的公差和加工精度完全按照書本進行，缺乏實際的工程背景經驗。學校也無這方面的測繪和實踐教學活動，導致學生對減速箱的了解不是很深。另一方面，現在網絡這么發達，學生很容易從網絡中獲得這方面的資料，甚至有些同學直接從網絡上下載下來只做簡單修改，就變成自己的課程設計內容。

（二）學生的手工繪圖已經跟不上技術的發展，實用性不強

目前本校的課程設計還是采用手工繪圖，因繪圖板和繪圖工具比較大，需將學生集中在統一的學習場所進行課程設計，雖然這種教學目的是讓學生通過課程實踐，了解減速強的基本結構，掌握一般的結構設計步驟和方法，鍛煉學生的繪圖能力，但學生間很容易相互抄襲，且在繪圖上花費了大量的時間。這種方式已經不適用于現在企業和社會的需求，同時這種手工繪圖效率低，不美觀，后續修改和更新比較麻煩，且不易保存和更新。

（三）計算過程繁雜，花費大量時間

傳統的機械設計課程設計還是采用手工計算，根據設計要求主要對各個零件進行強度計算分析，通過計算結果得出各個零件的幾何尺寸，這種計算方法的計算工作量大，計算復雜，同時需要查詢多個表格進行參數的選擇。而高職院校學生的理論知識水平不高，對于這種設計計算需要花費更多的時間，這種繁雜的計算過程會讓學生對該課程失去學習的興趣，他們更傾向于實際動手能力的實踐，或者以應用為主的課程設計計算。

二、機械設計課程改革的社會需求

在當前機械課程設計的教學改革下，不僅注重于理論創新，培養的學生也要符合企業需求，因此有必要對學生進行企業實踐。在實踐過程中，不僅加深了學生對結構的了解，也對學校所學的理論知識進行了鞏固。

隨著計算機的快速發展，現代企業的機構設計已經進入數字參數化設計階段，在機械設計課程設計過程中應用先進的三維軟件Inventor不僅有利于模擬企業的真實環境，而且有利于培養學生的設計思維和創新能力。利用三維軟件先進行三維零件設計，再生成二維圖紙，即符合實際設計需求，又能激發學生的設計興趣。同時三維軟件的參數化設計也方便日后的修改和創新，提高了設計效率。以3D軟件設計的圖紙也更利于保存和查閱。

隨著社會需求的日益變化，企業在開發產品過程中不可能每次都對零件進行手工計算。為了節約設計成本，快速確定設計方案，提高設計效率，可將繁雜的計算過程變成小程序，這已成為現代企業的必然需求。

一方面，為了培養符合企業和社會需求的應用型人才，急需提高設計方案效率，縮短設計的周期。另一方面，隨著市場競爭的日益激烈和用戶需求的不斷提高，產品更新換代速度越來越快，急需對現有機構進行改進和創新，所以提高設計效率是至關重要的。

三、提高教學質量，培養企業需求型人才的改革措施

機械設計課程設計是一門非常重要的以設計為主，同時結合機械設計，工程材料，工程力學和公差與配合等專業課程知識為基礎的實踐課程。該課程主要教學目標是使學生掌握設計的一般過程和步驟，其核心要素是培養符合現代企業需求的設計人才。

目前本校該課程設計還停留在傳統的減速器設計階段，已不適應目前企業生產需求，與學生未來工作脫節。因此，在當前建設一流品質院校的背景下，需對機械設計課程設計的教學模式進行改革：讓學生走進企業，到企業中去實踐，了解減速器機構的實際生產制造，裝配和工藝流程，然后再回到學校進行課程設計，企業實踐為學生的設計基本功奠定了良好扎實的基礎。學校教育不是讓學生去適應現有教育模式，而是我們的教育要適應學生的學習需求，適應社會不斷變化的需求。只有這樣，才能培養出符合社會企業需求的人才，才能更好的為學生提供良好的就業條件，才能推動學校教學特色的改變。

機械設計課程的一般步驟是根據給定的已知條件進行運動學和動力學的計算，然后繪制零件圖和總裝配圖，最后完成任務書。其主要工作內容如圖1。

根據課程設計的主要工作內容，從教學方法、教學手段和教學效率三個方面進行教學改革，其具體內容如下。

（一）創新教學方法，發揮學生主體性

本校的機械設計課程設計與其他院校的設計題目類似，均是減速箱的設計，參考的書目是機械工業出版社出版的減速器設計實例精解課本。但隨著科技的進步，教師的教學理念與教學方法也要更新，要將講授為主的教學方法變為學生為主體的探究性學習。故在進行課程設計前對學生進行企業實踐，教師可以按照課程設計要求和企業標準協同合作，共同制定企業實踐大綱，讓學生帶著課程設計要求進行參觀減速箱的制造與裝配過程或通過與企業合作將減速箱的生產安裝過程錄制成視頻，供在校學生觀看，以加深學生對知識的理解。

這個階段的改革是在課程設計之前，加強學生企業實踐，既增強學生對設計機構的直觀感受，又幫助學生更好地理解設計的原理和結構，從而進一步掌握機械設計過程與方法。由此，學生的主動性和積極性將被調動，主體性更好地被發揮，從而促進學習的有效性。具體可以按照表1進行考核，考核合格后在進行課程設計。

（二）改革設計手段，二維變三維

目前本校的機械設計課程還是以教師指導為主，學生參照課程設計案例按部就班地進行二維設計，如此，學生在設計過程中易缺乏相應的積極性和創新性。而隨著CAD技術的發展，各種行業中三維軟件已逐步取代二維設計，極大提高了設計的準確性與效率。與此同時我校《機械制圖》已經采用三維軟件Inventor進行教學改革，在學校老師和同學雙方的共同努力下，已經取得了不錯的學習效果，該課程也獲得了蘇州第三批高職院校優秀新課程。因此，可將三維軟件引用到課程教學中，用三維軟件來代替二維軟件設計，全方面提高設計水平，進一步貼合企業需求。

這個階段的改革是在課程設計中進行的，運用三維軟件進行課程設計，既有助于學生直觀的掌握零件結構，又幫助學生提高了設計的美觀性，從而進一步提高設計效率。經過6個班級的試驗，本次教學改革取得了不錯的教學效果。圖2為某學生低速軸的設計和計算步驟圖，圖3為某學生的減速箱三維總裝圖。Inventor軟件的設計給軸類零件、齒輪類零件以及標準常用件的設計帶來了快速的解決方案。既可以運用參數化的進行逐步建模，又可以對設計的零件進行系統理論計算。

（三）增設設計程序匯編，提高設計效率

將多種表格中的參數以數據庫的形式存儲于Excel中，結合編寫的計算小程序共同進行機構零件強度的理論計算。具體做法：（1）將班級分成若干個小組，各個小組成員間合理分工編寫；（2）通過小組成員間的相互協調合作將小程序匯總起來，變成一個計算器的程序；（3）最終每個小組進行相互討論，確定出一個最實用的計算器形式的程序。從而為零件的改進提供了理論依據，以及為后續設計新零件時縮短設計中的計算時間，提高了課程設計的實訓效率，從而學生可將更多的時間和精力用在機構零件設計和方案創新上。

通過將每個零部件的設計過程編寫小程序，只需輸入已知條件，便可得出零件的結構尺寸，避免了每次新設計零件的大量重復的不必要工作，從而為后續零件的改進提高了基礎，以及為后續新零件的設計節約了設計計算時間，大大縮短了設計周期。

四、結論

本次機械設計課程設計的教學改革是以計算機輔助設計3D軟件Inventor為機械設計課程設計的設計工具，搭建企業實踐基地，運用設計計算程序匯編為載體，還是一個全新的課題，在教學方法、教學思路和教學步驟上有創新的空間。運用現代設計學理念對課程內容安排、授課方式、考核標準進行實例分析和驗證。同時將此改革推廣到機械專業其他學科中去，具有較強的理論和實踐價值。

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Abstract：The enterprise application oriented teaching reform is proposed to solve the problems of the existing course of Mechanical Design，such as poor student initiative，similarity in the design content，weak practicability of the manual drawings and complex design process.This paper discusses the teaching reform from the perspectives of the teaching method，the design method and the teaching efficiency.After the reform is applied to the teaching practice of 6 classes，the result shows that the student initiative and the digital design level are improved，thereby realizing the purpose of the teaching reform.

Key words：Mechanical design；digital design；education reform