高職機械類課程教學三維化融合應用

徐衛(wèi)國　張良

摘 要：高職機械類專業(yè)的課程三維化改革是發(fā)展趨勢，本文以Solidworks為教學載體，闡述了三維軟件在《機械制圖》《機械設計基礎》《機床夾具設計》等課程教學中的應用，提出了三維化課程教改中出現(xiàn)的問題和建議。

關鍵詞：Solidworks 教學 應用 課程改革

Three-dimensional Integrated Application of Mechanical Courses in Higher Vocational Education

Xu Weiguo，Zhang Liang

Abstract：The three-dimensional reform of mechanical professional courses in higher vocational colleges is a development trend. This article uses Solidworks as the teaching carrier to explain the application of three-dimensional software in the teaching of “Mechanical Drawing”， “Mechanical Design Fundamentals”， “Machine Fixture Design” and other courses. The problems and suggestions in the teaching reform of the three-dimensional curriculum are discussed.

Key words：Solidworks， teaching， application， curriculum reform

1 三維軟件的選用

三維軟件種類繁多涵蓋制圖、造型、加工、分析等諸方面，表1里集中列出了常見三維軟件。

AutoCAD主要用來制作二維圖紙，三維非常少;CAXA為國產(chǎn)軟件三維功能不錯;UG適合模具設計，曲面功能、三維功能強大;Creo由PRO/E升級而來，參數(shù)化設計強大，適合做產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計;CATIA用于汽車航空等行業(yè)，擅長高品質(zhì)的曲面造型;SolidWork簡單易用，符合大部分人操作習慣，普及程度高，包容性好，和其他軟件的接口和協(xié)作做得好，渲染、仿真、模具設計等上手容易，有多種常用實用模塊。以上軟件每款軟件都有其使用場景及特點，軟件的學習邏輯關系都是一樣的（見圖1）：草圖（繪制方法、規(guī)范化和引用）、零件設計（方法、流程和特征）、裝配設計（方法和流程、約束）、工程制圖（三維生成二維、生成規(guī)范性）。只要突破其中一兩個，其余都可快速理解上手。

綜合考慮三維軟件的特點（行業(yè)習慣、產(chǎn)品特點、入門難易程度）和教學普適性需要，我們選用Solidworks作為教學軟件，融合應用于相關課程。

2 三維軟件在課程教學中的應用

2.1 在《機械制圖》課程教學中的應用

《機械制圖》注重培養(yǎng)學生空間思維和想象能力，以往教師用掛圖、模型、板書等形式進行，嘗試將橡皮泥、切蘿卜等方式幫助學生理解，取得一定效果，但對于外形和內(nèi)腔較復雜的形體，傳統(tǒng)方法展示效果有限，Solidworks實體建模展示優(yōu)勢明顯。例如相貫線一直是課程教學難點之一，講解起來比較困難，我們用Solidworks把實體做出來，學生觀察實體，既可快速掌握相貫的概念，又可直觀了解相貫線形式，糾正錯誤畫法，教學效果很好。

2.2 在《機械設計基礎》課程教學中的應用

鉸鏈四桿機構(gòu)的設計是機械傳動設計中的重點和難點之一。以往教學采用圖解法和解析法分析各構(gòu)件的速度、角速度和角加速度，但圖解法的精度受制圖精度的影響，解析法雖然求解精度較高但計算工作量較大。現(xiàn)通過鉸鏈四桿機構(gòu)的建模、運動仿真分析，建立鉸鏈四桿機構(gòu)的數(shù)學模型、利用Solidworks中Motion模塊功能，在曲柄添加旋轉(zhuǎn)電機（如設置電機轉(zhuǎn)速15rpm，動畫時間為5s），在四桿機構(gòu)動畫演示過程中，曲柄作整周轉(zhuǎn)動，搖桿作擺動，進一步驗證了曲柄搖桿機構(gòu)的性質(zhì)、曲柄滑塊的存在條件、急回特性等知識點。在Motion分析中，選取搖桿分析其角加速度、計算運動算例，可得搖桿角加速度與時間關系（見圖3）。通過Solidworks尺寸驅(qū)動能，改變四桿機構(gòu)中各桿長度，可展示出在不同桿件長度組合下，四桿機構(gòu)各從動桿角速度、角加速度等指標的變化規(guī)律，對比傳統(tǒng)分析方法利用Solidworks的Motion功能分析更加簡便，可大大提高理解和設計效率。

2.3 在《機床夾具設計》課程教學中的應用

機床夾具設計中的工件定位、基準、定位誤差等知識點抽象，以六點定位原理為例，學生較難理解。利用Solidworks裝配模塊功能，給工件加上接觸約束能很好理解定位原理（如圖4）：以底平面為例，工件可沿X軸、Y軸移動和繞Z軸轉(zhuǎn)動，卻無法離開底平面（從側(cè)視圖看出，實體底面與定位平面重合），說明X軸、Y軸移動和繞Z軸轉(zhuǎn)動三個自由度未被限制，其余三個已被限制。利用Solidworks軟件還可以清楚展示定位的各種概念（完全定位、不完全定位、過定位、欠定位等），我們把學生難以理解、教師難以講解的抽象概念，利用三維軟件制作出三維分析環(huán)境，直觀形象地演示出復雜變化過程，學生通過肉眼直接觀察和親身體驗，教學效果明顯。

3 三維軟件在教學中的問題及建議

3.1 重視三維輕視二維

學生對三維軟件的學習興趣，往往大于對二維軟件的學習興趣，一方面是三維軟件的學習具有趣味性，而二維軟件的學習相對比較簡單，學生一般不愿花更多精力。二維繪圖軟件在機械結(jié)構(gòu)設計過程和制造加工過程的作用不可替代，二維軟件可直觀將零件的工藝信息（如尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、熱處理等）完整表達在圖紙中，二維圖的修改也要比三維圖要方便和快捷，用三維軟件（不出二維圖紙）能很好做出一個三維實體，工藝信息和復雜圖形表達卻不容易做到，目前理想的做法合適二維和三維的結(jié)合和互補。

3.2 三維引入工程實踐

機制專業(yè)的實習實踐環(huán)節(jié)，目前采用的是師傅帶徒弟的實習模式。采用生產(chǎn)現(xiàn)場講解、參觀等實踐方式進行，由于企業(yè)現(xiàn)場的設備種類多、結(jié)構(gòu)復雜，現(xiàn)場環(huán)境差，存在實習難度、效果、組織管理等問題。要加強三維軟件（如VR技術、數(shù)字工廠虛擬仿真系統(tǒng)等）應用到實習實踐環(huán)節(jié)的建設，讓學生實習前，對生產(chǎn)現(xiàn)場對設備結(jié)構(gòu)特點、運行情況深入了解，再到現(xiàn)場實踐，有針對性的對設備進行學習，學生在虛擬環(huán)境下，提前進安全教育（安全通道、安全設備、緊急處理）。

基金項目：江陰職業(yè)技術學院重點教改課題“高職機械基礎課程的三維化改革”（YJJG-18128）。

參考文獻：

[1]羅云霞，唐艷麗，曲建俊，等.三維設計能力培養(yǎng)的系列課程改革與探索[J].機械設計，2008，3（3）：11-13.

[2]何秋梅，孫立君.三維CAD建模與機械制圖課程相結(jié)合的教學模式探討[J].廣東水利電力職業(yè)技術學院學報，2013，（11）：8-11.

[3]董曉英.三維設計能力培養(yǎng)模式的研究與實踐[J].江蘇技術師范學院學報，2007，（6）：57-59.

[4]梁爽，李瑞洋，金政鑫.基于生產(chǎn)過程的機械創(chuàng)新實驗臺的應用與研究[J].遼寧科技學院學報，2019，（2）：19-20.

[5]毛雅麗，張賀.基于三維技術的機械制圖》教學改革探討[J].沈陽工程學院學報（社會科學版），2012，（1）：107-109.