基于CAD技術(shù)的《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

孫克銳，葉炬鋒

（浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)械與電氣工程系，浙江 杭州 311231）

0 前言

CAX泛指一切以計(jì)算機(jī)為輔助工具的各種應(yīng)用系統(tǒng)，包括 CAD、CAM、CAE、CAPP、CAS、CAT、CAI、CIMS等各項(xiàng)技術(shù)統(tǒng)稱。CAX技術(shù)是數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和核心，CAX技術(shù)的應(yīng)用可大幅提高制造業(yè)技術(shù)水平和效率[1-2]?！稒C(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程是高職機(jī)械類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，內(nèi)容包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)等，該課程具有理論性、實(shí)踐性和知識(shí)綜合性特點(diǎn)，主要考察學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)基本理論和實(shí)踐應(yīng)用能力。傳統(tǒng)的教學(xué)偏重按知識(shí)理論體系即一個(gè)個(gè)分散的知識(shí)點(diǎn)教學(xué)，項(xiàng)目化不突出，達(dá)不到訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用能力的目標(biāo)。教學(xué)手段以多媒體、動(dòng)畫仿真、教具為主，學(xué)生被動(dòng)的接收知識(shí)。

1 《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革的必要性

在數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)與機(jī)械技術(shù)結(jié)合日益緊密的今天，機(jī)械工程人員工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力主要通過CAX技術(shù)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)以及社會(huì)發(fā)展的需要，此外，由于高職學(xué)生理論基礎(chǔ)普遍較弱，更傾向動(dòng)手，再加上課時(shí)和硬件條件的限制如教具的數(shù)量、制造的成本高和周期長等，該課程只有在傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)上融合CAX技術(shù)主要是CAD技術(shù)，采用項(xiàng)目化教學(xué)，才能提高教學(xué)質(zhì)量和效率，培養(yǎng)學(xué)生的綜合工程能力、創(chuàng)新能力和工匠精神，有利于學(xué)生畢業(yè)后更快地適應(yīng)設(shè)計(jì)等相關(guān)崗位工作[3]。

2 基于CAD技術(shù)開展課程項(xiàng)目化改造的思路

通過實(shí)地調(diào)研企業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)崗位能力需求，發(fā)現(xiàn)作為設(shè)計(jì)人員既要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)又要具備工程綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力及熟練利用CAD、CAE技術(shù)輔助設(shè)計(jì)能力。另外，好的設(shè)計(jì)離不開設(shè)計(jì)人員追求完美、勇于創(chuàng)新并對自己的作品充滿敬畏之心的工匠精神。因此，《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》這門課程的教學(xué)既要培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)知識(shí)又要培養(yǎng)學(xué)生利用CAD技術(shù)進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)踐能力[4]。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，將課程內(nèi)容重新梳理，構(gòu)建單項(xiàng)訓(xùn)練和綜合訓(xùn)練交替結(jié)合的一個(gè)個(gè)項(xiàng)目，見表1.項(xiàng)目來源有企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目、大學(xué)生科技競賽和根據(jù)教學(xué)需求設(shè)計(jì)的針對性課題等。

表1 《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程結(jié)構(gòu)項(xiàng)目化分解

3 CAD技術(shù)的項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)施案例

以CAD設(shè)計(jì)仿真自行車停車庫的教學(xué)為案例，課題來自第十五屆浙江省大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)競賽，主要解決小區(qū)或公共區(qū)域停車難問題。該任務(wù)要求學(xué)生利用CAD技術(shù)設(shè)計(jì)自行車停車庫機(jī)械裝置并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。目標(biāo)是訓(xùn)練學(xué)生利用CAD軟件進(jìn)行機(jī)械裝置綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力。項(xiàng)目實(shí)用性強(qiáng)、難度適中、學(xué)生興趣濃厚。考慮到同學(xué)初次接觸機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)工作量較大，采用4~5人一組，選出項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，團(tuán)隊(duì)合作完成項(xiàng)目。

3.1 問題導(dǎo)入

通過多媒體展示道路上停放的擁擠不堪的自行車圖片，引發(fā)學(xué)生對停車難問題的關(guān)注。

3.2 布置任務(wù)

基于三維設(shè)計(jì)軟件如PROE等設(shè)計(jì)自行車停車庫機(jī)械裝置。要求：停車裝置以機(jī)械設(shè)計(jì)為主，空間利用率高、安全、便捷、易于維護(hù)。

3.3 任務(wù)分解

子任務(wù)1：市場調(diào)研。小組成員搜集資料、查閱文獻(xiàn)或?qū)嵉刈咴L，分析已有停車庫設(shè)計(jì)形式及特點(diǎn)。

子任務(wù)2：概念設(shè)計(jì)。小組成員根據(jù)市場需求，擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書包括停車數(shù)量、占地面積、實(shí)現(xiàn)的功能、技術(shù)參數(shù)等，構(gòu)思停車庫整體結(jié)構(gòu)。

子任務(wù)3：方案設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，擬定不同的設(shè)計(jì)方案，包括驅(qū)動(dòng)模塊如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)等，傳動(dòng)方案如鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿等，末端執(zhí)行形式如圓柱形、六邊形等，本體支撐結(jié)構(gòu)等。通過CAD軟件對各方案進(jìn)行初步系統(tǒng)設(shè)計(jì)。小組成員從可行性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性、可維護(hù)性等多角度評估各方案優(yōu)劣，選擇最優(yōu)方案。

子任務(wù)4：詳細(xì)設(shè)計(jì)?；谌S設(shè)計(jì)軟件采用自頂向下的設(shè)計(jì)模式，先搭建整體框架，再分解設(shè)計(jì)任務(wù)包括動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、支撐部分等，最后繪制總裝圖、零件圖。小組成員分工協(xié)作完成。

子任務(wù)5：運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真。利用CAD軟件裝配分析功能和運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊，對停車庫裝置進(jìn)行裝配干涉分析、人機(jī)工程分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。利用CAD軟件動(dòng)力學(xué)仿真模塊或?qū)I(yè)的CAE軟件，對機(jī)器展開動(dòng)力學(xué)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)。

子任務(wù)6：編制設(shè)計(jì)說明書。小組成員分工完成各模塊設(shè)計(jì)說明書，最后匯總為完整說明書。

3.4 設(shè)計(jì)點(diǎn)評

采用階段性點(diǎn)評和終結(jié)性點(diǎn)評相結(jié)合的形式。在概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)和最終完成設(shè)計(jì)三個(gè)階段分別設(shè)置全班點(diǎn)評環(huán)節(jié)。各小組以PPT形式結(jié)合3D軟件動(dòng)態(tài)仿真功能匯報(bào)階段性成果。各小組根據(jù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行互評、教師評價(jià)，最后綜合評定成績。因受教學(xué)時(shí)數(shù)和硬件條件限制，不制作樣機(jī)。

4 課程教學(xué)考核模式

課程采用教、學(xué)、做一體化和項(xiàng)目化教學(xué)，考核方式分為理論、實(shí)操和過程性考核。理論考核學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)基本理論掌握情況，以考試為主。過程性考核包括學(xué)習(xí)態(tài)度、項(xiàng)目考核，考核學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)理論應(yīng)用于工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力。過程性考核有利于及時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，改進(jìn)教學(xué)?？己藰?biāo)準(zhǔn)為項(xiàng)目完成質(zhì)量、團(tuán)隊(duì)合作精神、工匠精神。各種考核占比分別為：學(xué)習(xí)態(tài)度30%、項(xiàng)目40%、考試30%.每個(gè)項(xiàng)目獨(dú)立考核，最后根據(jù)難易程度、工作量加權(quán)計(jì)入項(xiàng)目總成績。采用多元評價(jià)形式包括學(xué)生自評、互評、教師評價(jià)和企業(yè)專家評價(jià)，評價(jià)更全面、客觀。

5 結(jié)語

CAX技術(shù)應(yīng)用是制造業(yè)向信息化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的基礎(chǔ)，是機(jī)械工程人員必備的技能。從工程實(shí)踐應(yīng)用角度，重新構(gòu)建《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)項(xiàng)目。基于CAX技術(shù)特別是CAD技術(shù)，依托項(xiàng)目組織教學(xué)，創(chuàng)新了《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)模式，提高了同學(xué)們工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，加深對機(jī)械工程技術(shù)人員角色認(rèn)識(shí)，學(xué)生工匠精神得到進(jìn)一步培養(yǎng)。