基于CAD技術的“機械設計”課程教學模式的創新分析

摘要：“機械設計”課程的教學目標是培養掌握現代設計方法的新型人才。針對“機械設計”傳統教學方法的不足，提出了基于CAD技術的“機械設計”課程教學新模式，在理論教學和課程設計中有機地融入CAD技術教學內容，在實踐中取得了良好的教學效果。

關鍵詞：機械設計；教學模式；CAD技術

作者簡介：徐靜（1963-），女，浙江紹興人，紹興文理學院元培學院，副教授；董雁（1964-），男，浙江舟山人，紹興文理學院工學院，教授。（浙江 紹興 312000）

基金項目：本文系2012年紹興市高等教育教學改革重點課題的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）03-0102-01

“機械設計”是機械類專業的一門主干技術基礎課，該課程的作用在于培養學生掌握機械設計的基本知識、基本理論和基本方法，具備一定的機械設計基本技能，為后續專業課程學習和今后從事設計工作打下堅實的基礎。但“機械設計”傳統教學模式通常從分析各種通用零部件的失效形式開始，討論設計準則，總結設計方法，推導設計公式，熟悉和運用手冊、圖冊、標準和規范等設計資料。設計過程一般以計算器和繪圖板為設計工具，計算和繪圖過程繁雜，工作量很大。

隨著CAD技術的突飛猛進，機械產品設計的傳統模式發生了深刻變革，改變了工程界的設計思想及思維方式，成為現代企業必不可少的設計手段。如何適應這種設計方法和思維模式的變革，培養掌握現代設計方法的新型機械設計人才，是一個急待深入研究和解決的問題。因此，筆者一直致力于將機械類專業先修的C語言程序設計、計算機繪圖及三維實體建模技術等課程知識，與“機械設計”課程的教學內容有機地融合在一起，探索并實踐基于CAD技術的“機械設計”課程教學新的模式。

一、基于CAD技術的“機械設計”教學模式

“機械設計”是一門綜合性、實踐性很強的課程，涉及到畫法幾何及機械制圖、AutoCAD、機械工程材料、制造技術基礎、公差及技術測量、理論力學、材料力學、機械原理等多門先修課程的知識。不同的老師擔任不同的課程，傳統的教學目標只著眼于某一課程基礎知識的掌握，容易忽視課程之間的交叉和聯系。基于CAD技術的“機械設計”教學模式，打破傳統的機械設計、C語言程序設計、計算機繪圖等課程的界限，在理論教學中穿插機械零部件的程序設計教學環節，在課程設計中引入計算機輔助設計實踐環節。通過教學，不僅使學生掌握機械設計所必需的基礎知識，更為重要的是使學生將所學的計算機知識融會貫通，掌握先進的現代CAD技術手段，充分利用計算機強大的信息存儲與檢索功能、數據分析與計算功能、圖形作圖與文字處理功能，極大地提高機械設計的效率和質量，以適應信息技術飛速發展的時代需求。

1.CAD技術與課堂教學內容有機融合

“機械設計”課程是以一般通用零部件設計為核心的設計性課程。在傳統的教學過程中，對于某一種零件設計，要求學生掌握零件的失效形式和設計準則，能夠合理地選擇零件的材料及熱處理方式，掌握零件的設計計算理論和結構設計方法，能夠正確地選用設計過程中的各設計參數，確定零件的各結構尺寸，繪制出零件工作圖。采用傳統人工設計，由于在設計過程中需要檢索大量技術信息，如各種線圖、數表、數據和資料，并根據相關的設計公式進行計算，不僅費時費力，而且設計精度不高，而計算機強大的數據計算功能可以幫助解決這些難題。因此，在學生已學過“C語言程序設計”并具有一定編程能力的基礎上，根據“機械設計”教學要求和教學進程，將機械CAD技術融入相應的課堂教學環節中，積極引導學生利用先進的CAD技術解決工程實際問題。

（1）設計資料的程序化處理。要實現機械CAD，首先要解決的問題是設計資料的計算機處理。設計資料或列成數表，或繪制成線圖，常用的處理方法有直接編入設計的程序、編成獨立的數據文件、建立數據庫等。為此，筆者將“數表和線圖的程序化處理”作為一個教學單元融入“機械設計”課堂教學中。在教學過程中，對于數表，要求學生應用C語言編程將其轉化為數組，再利用查找法中的順序法、二分法、分塊法等，根據輸入變量得到數組的下標獲得相應的數據，最后根據精度要求通過線性插值、二次插值等方法計算得到所需要的設計參數。對于線圖，有公式化和數表化兩種處理方法，公式化處理要求學生根據線圖的變化趨勢、直線線圖直接求出直線方程，曲線線圖通過多項式擬合得到近似方程。數表化處理則采取等分坐標在曲線上取值轉化為數表再進行程序處理。通過這一教學環節，學生不僅感受到程序設計在數據信息處理中的優越性，而且激發了學生應用計算機技術的興趣。

（2）常用零部件的計算機輔助設計。在機械設計中，經常會涉及到螺紋聯接、鍵聯接、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動以及滾動軸承等各種零部件的設計計算，手工計算工作量很大，而且容易出錯。為此，筆者在教學計劃中設置了計算機輔助設計大作業教學環節。編寫了《機械零件CAD編程大作業》指導書，要求學生在掌握數表和線圖程序化處理的基礎上，根據指導書給定的任務和要求，獨立地完成一種零件或部件的計算機輔助設計程序，包括各子程序及源程序流程圖、數表或線圖處理程序、設計計算程序及源程序編制、程序調試及實際算例驗證，以及設計說明書的編寫。一般學生要求使用C語言編制僅輸出設計結果的簡單程序；對編程能力較強且學有余力的學生，鼓勵他們使用Visual Basic和Visual C++等語言編制具有人機交互功能的輔助設計軟件。通過這一實踐環節，學生利用所編設計程序，根據輸入的參數就能計算出繪圖所需的尺寸，減輕了學生的手工計算工作量，提高了設計的準確性和高效性。

2.CAD技術在課程設計中的應用

機械設計課程設計是配合“機械設計”課程理論教學的一個重要實踐教學環節。絕大多數工科院校一般都選擇由“機械設計”課程所學過的大部分零部件所組成的機械傳動裝置或結構較為簡單的機械作為課程設計題目。傳統的教學方法對課程設計的要求還停留在人工計算、手工繪圖階段，由于設計過程繁瑣、重復工作量大，教學效果一直不夠理想。因此，為了將學生從枯燥、重復的手工設計中解脫出來，集中時間和精力用于方案設計、結構設計等創造性思維訓練上，筆者在機械設計課程設計中全面引入CAD技術，利用機械設計課程設計輔助設計軟件在AutoCAD環境下完成零部件的計算機輔助設計并輸出零件工作圖，繼而完成裝配圖。

減速器設計是“機械設計”課程設計最常用的設計題目。筆者選用的減速器課程設計輔助設計軟件是嵌套在AutoCAD設計軟件中，是一組在AutoCAD環境下運行的應用程序，主要功能包括：典型零部件的設計計算及校核計算；典型零部件及典型結構的設計與繪圖；典型零部件的標準數據查詢等。該應用程序通過復制、添加到AutoCAD設計軟件中，則AutoCAD界面上方下拉式菜單可產生新的選項“機械零件設計”按鈕。使用時，只要用鼠標單擊所需設計零部件的菜單，即可進入此零部件的設計計算程序，完成設計、校核、繪圖等設計任務，為學生進行方案對比、參數優化等創新設計提供了有力的CAD技術支持，充分調動了學生的學習積極性，極大地提高了課程設計的教學效果。

二、結論

隨著計算機技術的廣泛應用，同行們致力于將CAD技術的應用和開發與“機械設計”教學模式的改革和創新結合起來，意識到在“機械設計”課程教學中引入CAD技術的必要性和可行性。將CAD技術融入“機械設計”的課程教學，既有利于提高學生計算機應用能力和運用知識解決工程實際問題的能力，又有利于培養學生先進的設計思想和創新的設計理念，對提高課程教學質量將起到積極的推動作用。

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（責任編輯：王意琴）