三維建模軟件SolidWorks 在高職機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用

李 昭，胡 楊

（益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 益陽 413055）

《機(jī)械基礎(chǔ)》課程是高職學(xué)校機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)必修課程，對(duì)于機(jī)械類、近機(jī)類學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課程起到承上啟下的重要作用，其涵蓋了《理論力學(xué)》《機(jī)械設(shè)計(jì)》《機(jī)械原理》《金屬熱處理》等多門課程的綜合知識(shí)。其覆蓋面廣、綜合性強(qiáng)、重難點(diǎn)多，需要高職學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間集中精力去進(jìn)行思考和記憶。各院校進(jìn)行了一定的教學(xué)設(shè)計(jì)和課程改革來安排進(jìn)行學(xué)生實(shí)訓(xùn)實(shí)操。但是實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新速度和數(shù)量畢竟是有限的，難以滿足全部的教學(xué)需求，這就需要教師探索新的教學(xué)方法[1]。

隨著“1+X”證書試點(diǎn)工作在職業(yè)院校的全面鋪開，產(chǎn)教融合理念的深入推廣，高職學(xué)生想要更好地適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，就需要更好地理解專業(yè)知識(shí)，熟練掌握專業(yè)技能[2]。而三維建模軟件SolidWorks 能讓學(xué)生形成對(duì)機(jī)械元件和設(shè)備結(jié)構(gòu)的立體認(rèn)知，能將材料力學(xué)中受力問題抽象的概念具體化、可視化，且能模擬多種傳動(dòng)裝置的運(yùn)行，提供給學(xué)生零件裝配的三維空間。在《機(jī)械基礎(chǔ)》課程當(dāng)中引入SolidWorks 軟件進(jìn)行教學(xué)，有利幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)上的重難點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)課程基礎(chǔ)理論的理解，還可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

1 《機(jī)械基礎(chǔ)》課程教法國內(nèi)現(xiàn)狀分析

1.1 教師授課中最常用講授法、演示法、混合式教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)

《機(jī)械基礎(chǔ)》課程涵蓋廣，課時(shí)有限。為保證教學(xué)完整性，大多采用傳統(tǒng)課本與教學(xué)PPT 結(jié)合的講授式教學(xué)法。對(duì)于難理解的知識(shí)點(diǎn)會(huì)通過動(dòng)畫、視頻等來展示其原理構(gòu)造。同時(shí)，任課老師也利用職教云網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)添加課程設(shè)計(jì)，將相關(guān)動(dòng)畫視頻關(guān)聯(lián)進(jìn)知識(shí)點(diǎn)，但學(xué)生課前課后的使用率很低，教學(xué)效果并不理想。

1.2 部分院校開設(shè)了實(shí)訓(xùn)室開展理實(shí)一體教學(xué)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是利用相關(guān)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備，如拆裝減速器裝配體來進(jìn)行實(shí)踐。這類實(shí)訓(xùn)存在前期投入大、后期維護(hù)費(fèi)用高，且開展過程中教師難以在有限的時(shí)間內(nèi)細(xì)致地指導(dǎo)大批的學(xué)生，容易存在學(xué)生操作不當(dāng)從而受傷等問題。且在實(shí)訓(xùn)實(shí)操與理論課堂分開教授，時(shí)間和空間跨度較大，教學(xué)目標(biāo)難以達(dá)成。

1.3 虛擬仿真教學(xué)開始進(jìn)入大眾視野

虛擬仿真教學(xué)又稱為模擬教學(xué)，是基于多種先進(jìn)技術(shù)為一體的新型教學(xué)方式，通過仿真軟件模擬生產(chǎn)生活中的真實(shí)場(chǎng)景，讓學(xué)生在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用。針對(duì)檢索中虛擬仿真技術(shù)與機(jī)械類課程結(jié)合的文獻(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析：在應(yīng)用課程方面，虛擬仿真教學(xué)主要應(yīng)用于《機(jī)械制圖》《機(jī)械原理》《機(jī)械基礎(chǔ)》《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》《液壓傳動(dòng)》等機(jī)械設(shè)計(jì)類課程；在軟件應(yīng)用方面，機(jī)械類課程使用虛擬仿真軟件主要有UG、LabVIEW、Inventor、Solidworks、ADAMS 等軟件。虛擬仿真教學(xué)還具有激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、滿足實(shí)踐教學(xué)要求、豐富教師教學(xué)手段、有利于產(chǎn)學(xué)研一體等多種優(yōu)點(diǎn)。

2 機(jī)械基礎(chǔ)課程調(diào)研與分析

本次調(diào)查對(duì)象為益陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院開設(shè)《機(jī)械基礎(chǔ)》課程的全體機(jī)電、工機(jī)專業(yè)的大二、大三學(xué)生。對(duì)于大二學(xué)生，他們已經(jīng)學(xué)習(xí)過部分《機(jī)械基礎(chǔ)》課程，而大三學(xué)生已經(jīng)在前一年的學(xué)習(xí)中完成了該課程的學(xué)習(xí)，并且部分同學(xué)已經(jīng)有過實(shí)習(xí)經(jīng)歷。對(duì)不同年級(jí)的同學(xué)進(jìn)行問卷調(diào)查、數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論。

2.1 學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較低，課堂參與度較低

《機(jī)械基礎(chǔ)》課程作為機(jī)械類專業(yè)的必修課程之一，是學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程的基礎(chǔ)。但由于教師在教授該門課程時(shí)，主要采用傳統(tǒng)的講授法，即使在課堂上采用了豐富的動(dòng)畫和資料。學(xué)生在后期的學(xué)習(xí)中也難以維持學(xué)習(xí)的興趣。且實(shí)訓(xùn)室雖有減速器實(shí)物可供學(xué)生進(jìn)行拆裝與學(xué)習(xí)，但是實(shí)訓(xùn)器材有限，易出現(xiàn)同一時(shí)間存在多個(gè)班級(jí)申請(qǐng)實(shí)訓(xùn)室上課的情況，因此現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)器材不能滿足教學(xué)環(huán)節(jié)。一些知識(shí)點(diǎn)缺乏配套的實(shí)訓(xùn)器材，無法讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)在學(xué)中做，做中學(xué)。學(xué)生無法對(duì)其進(jìn)行直觀的認(rèn)知，從而失去學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效果下降。

2.2 學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)差，學(xué)習(xí)效果不佳

該校高職學(xué)生大多是單招進(jìn)的學(xué)校，力學(xué)基礎(chǔ)較差，且認(rèn)知能力不足，對(duì)課堂中所學(xué)知識(shí)的理解常停留在字面意思，難以形成自己的理解。因此，對(duì)理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象復(fù)雜的《機(jī)械基礎(chǔ)》課程，學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)畏難情緒，覺得課程理論學(xué)習(xí)與后期工作實(shí)踐的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，便不予重視。在課堂上只是被動(dòng)地聽取教師講授的知識(shí)，缺少對(duì)于知識(shí)的理解，通常是知其然不知其所以然，很難融入課堂學(xué)習(xí)氛圍中。而課后多數(shù)同學(xué)對(duì)學(xué)習(xí)缺乏主動(dòng)性和積極性，對(duì)布置的作業(yè)只完成不思考，容易產(chǎn)生消極的學(xué)習(xí)態(tài)度。

2.3 課程設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐聯(lián)系不緊密

從調(diào)查問卷中篩選出已經(jīng)在企業(yè)有過實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)的數(shù)據(jù)，普遍認(rèn)為以前實(shí)習(xí)或者正在實(shí)習(xí)的崗位所涉及的知識(shí)與《機(jī)械基礎(chǔ)》中包含的知識(shí)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。機(jī)電專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)所在崗位多為自動(dòng)化程度高的設(shè)備維修調(diào)試員，從工作崗位來看應(yīng)該是與該課程高度相關(guān)的崗位。據(jù)分析，現(xiàn)階段應(yīng)用于《機(jī)械基礎(chǔ)》教學(xué)的教學(xué)項(xiàng)目多為二級(jí)減速器。教學(xué)項(xiàng)目與崗位工作內(nèi)容存在較大差距，關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，學(xué)生對(duì)于知識(shí)的遷移運(yùn)用能力較差。

2.4 課程教學(xué)重難點(diǎn)集中

《機(jī)械基礎(chǔ)》包含三個(gè)篇章。第一篇為工程力學(xué)，內(nèi)容包括靜力學(xué)基本概念及受力分析、平面匯交力系、力矩和平面力偶系、平面一般力系、軸向拉伸和壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、動(dòng)荷應(yīng)力和交變應(yīng)力；第二篇為機(jī)構(gòu)及機(jī)械零件，內(nèi)容包括平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖、平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和其他常用機(jī)構(gòu)、調(diào)速和平衡、機(jī)械零件設(shè)計(jì)概論、螺紋聯(lián)接和螺旋傳動(dòng)、帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和輪系、軸及其聯(lián)接、軸承、彈簧；第三篇為液壓傳動(dòng)，內(nèi)容包括液壓傳動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)、液壓元件、典型液壓系統(tǒng)[3]。通過對(duì)調(diào)查問卷的整理分析，得出該校《機(jī)械基礎(chǔ)》課程學(xué)習(xí)困難主要集中在以第一第二兩個(gè)篇章：分別是靜力學(xué)中的扭轉(zhuǎn)、彎曲章節(jié)；第二篇中平面連桿機(jī)構(gòu)以及以后章節(jié)。具體分析得出三點(diǎn)原因：第一，學(xué)生空間想象力缺乏，無法理解平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律；第二，對(duì)機(jī)構(gòu)的受力分析掌握不牢，無法理解應(yīng)力概念；第三，缺乏實(shí)物認(rèn)知，對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)沒有直觀感受，更不用提去進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

3 三維建模SolidWorks 的功能

3.1 三維建模實(shí)現(xiàn)零件立體化

Solid Works 軟件通過“平面草圖”進(jìn)行“拉伸”“拉伸切除”“旋轉(zhuǎn)”“旋轉(zhuǎn)切除”“掃描”等操作形成立體圖。這樣，以往機(jī)械基礎(chǔ)教材或者是課件中的平面圖，通過軟件的加工，馬上變得立體且有質(zhì)感，學(xué)生可以更直觀形象的進(jìn)行觀察和學(xué)習(xí)。比如說，需要學(xué)生重點(diǎn)掌握的軸、鍵、軸承、齒輪等零件，通過Solid Works 軟件的立體化，能讓學(xué)生清晰的觀察出這些零件及零件細(xì)微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。并且在建模的時(shí)候可以讓學(xué)生去查找參數(shù)，更完整地讓學(xué)生體驗(yàn)到設(shè)計(jì)的過程。

3.2 力學(xué)仿真計(jì)算實(shí)現(xiàn)受力情況可視

SolidWorks Simulation 是與SolidWorks 完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。它提供了快速的方案來進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析，憑借著快速解算器的強(qiáng)有力支持，使用戶能夠使用個(gè)人計(jì)算機(jī)快速解決大型問題。SolidWorks Simulation 提供了多種捆綁包，可滿足各項(xiàng)分析需要。它的操作簡(jiǎn)單快捷。只需要導(dǎo)入已經(jīng)繪制好的零件，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理即可進(jìn)行求解得到計(jì)算所需要的結(jié)果。預(yù)處理包括：定義分析類型、材料屬性、載荷及約束，并將模型化為有限元單元。在分析結(jié)果及報(bào)告中，學(xué)生能直觀地看到零件的應(yīng)力集中程度及形變大小。

3.3 運(yùn)動(dòng)算列實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真

Solid Works 有個(gè)運(yùn)動(dòng)算例的功能，能為機(jī)構(gòu)提供運(yùn)動(dòng)仿真的途徑。教師可以利用運(yùn)動(dòng)算例制作一些簡(jiǎn)單的動(dòng)畫和視頻等。如連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，通過改變四個(gè)桿件的長(zhǎng)度條件，可使學(xué)生直觀地了解曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)及雙搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)的認(rèn)知[4]。

3.4 零件裝配適用于多種工作場(chǎng)景

裝配體中可以將兩個(gè)或多個(gè)零件按照一定的約束關(guān)系進(jìn)行虛擬配合。在裝配體內(nèi)，可以完成許多功能，如：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。通過裝配體分析設(shè)計(jì)的不足以及查找設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。例如，進(jìn)行干涉檢查，查找裝配體中存在的干涉設(shè)計(jì)問題?？梢詫?duì)產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。例如，計(jì)算產(chǎn)品總質(zhì)量和產(chǎn)品中的零件數(shù)量并生成零件表。可以生成產(chǎn)品的真實(shí)效果圖，提供“概念產(chǎn)品”，為客戶進(jìn)行產(chǎn)品功能分析、結(jié)構(gòu)演示提供直觀效果。可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)仿真，描繪運(yùn)動(dòng)部件的特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)軌跡。可以生成產(chǎn)品的模擬動(dòng)畫，生成產(chǎn)品的爆炸圖，演示產(chǎn)品的裝配過程或維修過程，易于設(shè)計(jì)產(chǎn)品維修手冊(cè)和使用說明[5]。

4 SolidWorks 在課程中的應(yīng)用

根據(jù)調(diào)查問卷得到的結(jié)論，選取學(xué)生反應(yīng)較難的部分章節(jié)進(jìn)行教學(xué)案例的選取和資源重構(gòu)。

4.1 直梁彎曲結(jié)構(gòu)分析

直梁彎曲是指桿件在受到垂直于軸線方向的載荷作用時(shí)，其軸線由直線變成曲線的變形形式，這種發(fā)生彎曲變形的桿件叫做直梁。在教學(xué)環(huán)節(jié)，針對(duì)不同的粱的種類進(jìn)行分類建模，懸臂梁、簡(jiǎn)支梁等。而在教材中，該部分內(nèi)容僅以文字和平面圖的方式呈現(xiàn)且描述較為簡(jiǎn)略，學(xué)生對(duì)于不同類型的受力和變形特點(diǎn)的理解不夠徹底。因此，選用SolidWorks軟件創(chuàng)建模型，利用SolidWorks Simulation 對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)件分析生成算例，通過對(duì)粱進(jìn)行預(yù)處理，定義其材料屬性為普通碳鋼、載荷及約束，并將模型化為有限元單元最后進(jìn)行運(yùn)算，即可以直觀方式得出直梁彎曲的特征和規(guī)律，同時(shí)可以進(jìn)入零件改變直梁長(zhǎng)度、載荷分布及位置等參數(shù)以探究提高直梁抗彎能力的方法。

4.2 齒輪傳動(dòng)仿真

在此章節(jié)，選用二級(jí)減速器作為教學(xué)案例較為常見。二級(jí)減速器包含了齒輪傳動(dòng)、鍵連接、螺栓連接等《機(jī)械基礎(chǔ)》課程包含的內(nèi)容。齒輪傳動(dòng)由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和機(jī)架組成，是利用齒輪副輪齒間的嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種裝置。該部分內(nèi)容涉及較多的理論參數(shù)和受力分析，該章節(jié)的學(xué)習(xí)一直是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，也是課程標(biāo)準(zhǔn)里的重點(diǎn)內(nèi)容。利用SolidWorks軟件生成大齒輪、小齒輪模型、并組建裝配體，添加約束。新建算例不僅能得到齒輪運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)仿真圖，還能通過simulation 插件得到齒輪嚙合時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變分析圖。在模型設(shè)計(jì)過程中，更改設(shè)計(jì)加速器中各個(gè)參數(shù)的數(shù)值，引出齒輪主要參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算問題；通過應(yīng)力分析功能可直觀分析齒輪傳動(dòng)的受力情況，以探究影響齒輪強(qiáng)度變化的主要因素、齒輪失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[6]。

4.3 自動(dòng)化生產(chǎn)線工作環(huán)境的三維模型打造

為推進(jìn)理實(shí)一體化教學(xué)，促進(jìn)崗賽證融通，該校機(jī)電專業(yè)設(shè)置了自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)室。該設(shè)備包含帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等多種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，能將工件、機(jī)械手臂作為教學(xué)載體將力學(xué)計(jì)算、受力模型、自由度等知識(shí)穿插其中。但由于設(shè)備不足、時(shí)間緊張等問題，往往不能使每位同學(xué)都能進(jìn)行實(shí)物操作。因此，將自動(dòng)化生產(chǎn)線作為教學(xué)載體，利用SolidWorks 軟件引入課程中，通過建模和仿真，創(chuàng)造虛擬操作環(huán)境，學(xué)生可在此環(huán)境中觀察自動(dòng)化生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生以小組形式自行測(cè)量和查找資料完成不同工作站點(diǎn)的三維模型設(shè)計(jì)。并組建完成站點(diǎn)的組裝，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，還能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用的能力，為學(xué)生建立起工作崗位與理論知識(shí)的橋梁，有利于學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。

5 結(jié)語

將三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks 應(yīng)用于《機(jī)械基礎(chǔ)》課程教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了從力學(xué)分析的可視化操作、單個(gè)零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)以及傳動(dòng)系統(tǒng)的組合模型搭建。課程教學(xué)引入三維設(shè)計(jì)軟件，不僅豐富了教師的授課資源，還極大程度地增加了學(xué)生在課堂中的動(dòng)手實(shí)操環(huán)節(jié)，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。通過三維立體的模型進(jìn)行課堂演示，將抽象難以理解的知識(shí)變得形象、具體和生動(dòng)起來,從而達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的作用。