SolidWorks軟件在機械專業課程教學中融合應用研究

任云，周仙娥，唐偉峰

（海軍航空大學 航空基礎學院，山東 煙臺264001）

0 引 言

新工科背景下，根據應用型本科高校對應用型人才的培養要求，課程教學應更注重課程理論知識與工程實踐的結合，強調工程實踐能力和創新能力的培養[1]。而機械類專業是一個理論性和實踐性都很強的專業群，因此課程教學更應該注重知識的應用性，加強對學生實踐能力和創新能力的培養，才能更好地為機械設計制造企業提供優秀的機械專業人才。

機械專業課程的基本特點是內容多、知識抽象、實踐性強，而現代制造企業人才必備的三維計算機輔助設計技術能夠很好地實現抽象機械的三維立體動態展示。結合人才培養需求和課程特點，提出在機械專業課程教學改革中，融入操作簡便、界面友好、易學易用的三維參數化設計軟件SolidWorks 作為輔助教學工具，實施教學，以期取得良好的教學效果。

結合應用型人才培養要求和機械專業特點，在課程教學改革中，筆者提出了3 個方面的改革舉措：1）注重學生對理論知識的深入理解和應用，引入SolidWorks 軟件作為教學輔助工具，增強課堂效果，強化知識深化；2）注重鍛煉學生的工具使用技能，引入SolidWorks 軟件作為學習輔助工具，提高學生利用工具進行設計實踐應用的能力；3）注重培養學生的綜合應用能力和創新實踐能力，引入SolidWorks 軟件作為綜合應用工具，結合機械創新設計競賽項目實操實訓，提升學生的機械創新設計綜合應用能力。

1 SolidWorks軟件作為教學輔助工具，增強課堂效果，強化知識學習

在機械原理與機械設計課程教學中，結合不同階段的課程內容特點和教學方法手段，引入SolidWorks 軟件作為輔助教學工具，進行不同的教學應用，一方面可以實現抽象知識的形象化、生動化，深化學生對知識的理解，改善教學效果；另一方面可以引導學生利用輔助工具，參與理論知識的學習，提高知識的應用性效果。

1.1 SolidWorks在機械原理課程教學中的應用

在機械原理課程中，主要學習常用機構的組成、特性和運動學原理，大多數學生缺乏實踐經驗，不能很好地理解和掌握機構的運動原理，學習就變得枯燥乏味，也就難以達到學習效果。因此，在課程教學中，設計采用基于SolidWorks 軟件的演示性教學，借助SolidWorks 軟件制作各種機構的虛擬模型，并利用運動仿真工具創建相應的運動動畫，模擬機構的真實運動情況，使教學過程變得形象化、生動化，可以激發學生的學習興趣，更好地幫助學生有效地理解和學習知識，達到更好的教學效果。

下面以鉸鏈四桿機構的類型判別為例，展示一下SolidWorks 軟件在課程教學中的融合應用。圖1（a）所示為一鉸鏈四桿機構的機構運動簡圖，而鉸鏈四桿機構有3 種基本類型：雙曲柄機構、曲柄搖桿機構和雙搖桿機構。在講述鉸鏈四桿機構的類型判別方法時，單單運用公式推導和圖片來分析，學生聽起來枯燥難懂。這時借助SolidWorks 軟件把鉸鏈四桿機構對應不同桿件為機架的情況畫出三維裝配模型，如圖1（b）～圖1（d），并在運動算例中給主動件設置旋轉馬達，讓鉸鏈四桿機構動起來，生成視頻動畫，課堂上借助動畫演示來分析各種機構，就更加形象易懂了。通過這樣的教學方式，學生能夠更加直觀地學習課程的理論知識，大大激發了學生的學習興趣，調動起其參與學習的積極性，課堂教學效果得到了明顯改善。

圖1 鉸鏈四桿機構的類型判別

1.2 SolidWorks在機械設計課程教學中的應用

在機械設計課程中，涉及到工程機械中各種常用連接、傳動和軸系零部件的結構設計與力學分析，與工程實踐聯系密切，故主要采用任務驅動式教學法。結合工程實例合理設計項目任務，引導學生借助知識學習逐層完成結構設計任務，融入SolidWorks 技術，利用軟件繪制零件的三維立體模型，隨后校驗零件的力學性能，對結構進行相應的修正定稿，最后由三維圖生成二維圖，圖2 所示為某工程用減速器中輸出軸的設計流程示例。通過這樣的教學流程，使學生不僅全面地學習了機械零件的完整設計流程，而且逐步建立起利用三維參數化設計工具進行機械設計的設計理念，為后續的課程設計、創新設計、畢業設計等學習環節奠定一定的基礎。

圖2 輸出軸的設計流程

2 作為學習輔助工具，強化實操應用，提高運用技能

為適應現代機械制造企業對人才必需技能的要求，鍛煉學生對計算機輔助設計工具的應用能力，在機械專業課程實驗和課程設計中，引入SolidWorks 軟件作為輔助學習工具。在實驗學習中，學生可以利用SolidWorks 軟件進行建模、裝配與運動仿真，幫助其直觀形象地分析機構、零部件方案設計問題，提高實驗學習的質量；在課程設計中，學生首次借助SolidWorks 軟件完成某個簡單機械裝置的設計過程，較好地鍛煉了其對理論知識和設計工具的應用能力。

2.1 SolidWorks在課程實驗中的應用

在機械原理和機械設計課程部分實驗中，引入SolidWorks 軟件實現對機構設計方案問題、軸系裝置裝配問題等進行三維建模和虛擬仿真，幫助學生更加直觀形象地查找問題、發現問題和解決問題，提升其對機械設計問題的分析解決能力。例如，在平面機構運動分析實驗中，教師借助一些存在方案設計問題的機構設計實例，引導學生自主完成機構方案問題分析，借助SolidWorks 軟件創建機構的三維立體模型，并通過運動仿真模擬其運動情況，查找問題所在，進而提出合理的改進方案，對機構模型進行改進設計。通過這樣的實驗過程，很好地鍛煉了學生分析解決工程實際問題的能力和對設計工具的應用能力。

2.2 SolidWorks在機械設計課程設計中的應用

機械設計課程設計是機械專業課程教學體系中一個重要的實踐環節，是對學生的機械設計實操技能和創新能力的一次全面訓練[2]，對其進行后續專業課程的學習、畢業設計乃至走上工作崗位都有著重要的影響。將SolidWorks 三維參數化設計軟件融入本課程的教學中，結合SolidWorks 軟件虛擬設計的優勢，開展機械設計課程設計的教學，可以大大激發學生的學習興趣，提升其設計實踐能力[3]。

下面以某帶式輸送機傳動裝置的設計為例，其設計流程如圖3 所示。在課題進行的前期，利用機械設計基礎的相關設計理論完成傳動裝置的方案確定、傳動參數計算分配、總體結構設計，零件結構設計，然后融入SolidWorks 軟件實施零件和裝配體的三維建模、強度校核和工程圖輸出等任務。

通過SolidWorks 軟件與機械設計課程設計相融合的教學實施，不僅使學生對機械設計基礎課程的知識進行了實踐應用，而且使學生較為全面地學習了SolidWorks軟件的零部件建模、虛擬裝拆、工程圖輸出等各種功能，為后續的創新設計和畢業設計打下基礎。

3 作為實踐應用工具，輔助解決問題，提升學員綜合能力

“新工科”人才培養的第一要求就是要具有創新意識[4]。為培養機械專業學生的創新實踐精神和現代化設計理念，結合機械創新設計技能大賽設計機械創新設計項目，將三維參數化設計軟件SolidWorks 融入項目中，開展機械創新設計活動，實現以賽促學的現代化設計實踐訓練和以賽促創的創新思維訓練，提升學生的創新設計綜合應用能力，為后續畢業設計和崗位任職奠定良好的能力基礎。

圖4 勢能驅動車設計流程簡圖

下面將結合我校學生參加的全國大學生工程訓練綜合能力競賽之子項目勢能驅動車賽項來展開分析SolidWorks 軟件在機械創新設計中的融合應用，其設計流程如圖4 所示。首先綜合運用機械設計相關理論知識進行項目方案分析和設計、結構設計，然后借助SolidWorks軟件實現零部件的三維建模、機器的虛擬裝配（如圖5）、機器的運動仿真、零部件的3D 打印（如圖6）、二維工程圖的輸出，最后完成勢能小車的組裝調試。

圖5 勢能驅動車的虛擬裝配建模

圖6 部分3D 打印零部件

通過機械創新設計經歷，一方面能夠幫助學生全面學習和了解機械產品的創新設計過程，拓寬知識面，提升其分析和解決工程問題的綜合應用能力和創新探索精神；另一方面能夠強化學生對計算機輔助設計理念的理解，鍛煉其對計算機輔助設計工具的運用能力，為后續畢業設計和工作實踐打下堅實的基礎。

4 教學實踐效果分析

經過教學實踐，利用SolidWorks 軟件輔助機械專業課程教學，實現融合式教學模式，既提升了學生對機械課程學習的效果，又鍛煉了學生工具使用能力，取得了良好的教學效果。主要體現在以下3 個方面。

1）學生對理論知識的深入理解和應用能力大大提高。在機械專業課程的課堂教學中融入SolidWorks 軟件，使原來枯燥的理論學習變得形象生動，激發了學生的學習興趣，課堂效果大大改觀，知識的學習和應用更加有效。課程考核中，應用分析類題型的得分明顯提高，說明學生分析和解決工程實際問題的能力大大提高了。

2）學生對計算機輔助設計工具的應用能力明顯提升。在機械課程實驗實操、課程設計和創新設計中引入SolidWorks 軟件作為輔助學習工具，使學生不僅全面掌握了三維建模、虛擬裝拆、動畫仿真、工程圖輸出等各種軟件功能，而且深入學習了設計軟件與3D 打印機、數控加工機床等加工設備的對接轉化應用，很好地鍛煉了學生對計算機輔助設計軟件的應用能力。其效果體現在近幾年畢業設計繪圖質量的大幅提高。

3）學生對知識的綜合應用能力和創新實踐能力得到了較好的提升。SolidWorks 軟件的融入，幫助學生全面完成了從“方案設計→結構設計→三維建模與裝配→運動仿真→3D 打印加工→作品成型”的機械設計全過程，既展示了學生對所學知識的綜合應用能力，也鍛煉了學生的創新實踐能力，提高了設計效率和設計質量，近幾年的競賽成績有了明顯提高。