先進技術在“機械設計基礎”教學中的應用

唐曉蓮

摘 要：文章主要探索先進技術在“機械設計基礎”教學實踐中的應用目的、內容和步驟，以及對這種教學改革結果的總結。通過在教學中引入機械設計軟件solidworks和教具學具fischertechnik，使學生可以在計算機中進行動畫演示工作原理，驗證基本特性，同時利用fischertechnik，動手組裝各種常用機構和小型機械，加深了學生對機械基本理論的理解，提高了學生應用計算機軟件的能力和實際動手能力。

關鍵詞：solidworks；fischertechnik；機械設計基礎；教具學具

“機械設計基礎”是高職院校機械類專業的一門重要的技術基礎課，是為后續的專業課程打基礎的。課程的目的是使學生掌握各種常用機構、常用傳動和通用零部件的工作原理、結構特點、使用維護以及基本的設計計算方法，培養學生的工程實踐意識，初步的設計能力和機械創新能力。

傳統的“機械設計基礎”的理論教學主要是教師在課堂上利用模型、課件和黑板講解理論知識，實踐教學是課程過程中去參觀機構、零件的陳列室，進行機構測繪、拆裝減速器，課程結束時有一個2周的課程設計，老師布置設計題目，學生根據所學內容結合機械設計手冊進行設計，結果以圖紙和說明書呈現。這種教學組織過程也基本達到了課程教學的目的，但也有一些問題：現在的學生每天接觸計算機和手機等工具，如果教學方法還停留在模型和板書等傳統方法上，不與現代先進技術結合起來，就不能適應新時代技術的高速發展。學生大部分時間用于接受知識，理解原理，就是課程設計也主要是花大量時間進行理論計算和手工畫圖或用CAD畫平面圖，這使得學生在學習中覺得學習內容過時，學習過程枯燥，感受不到專業基礎課程學習的有用性，也感受不到學習的樂趣。先進的設計方法應用少，應用計算機軟件解決實際問題的能力差；學生的設計結果沒有得到驗證和直觀的呈現，設計完了有些學生也不知道設計的是什么東西，有什么作用；設計成果沒有連續性，無法得到進一步的成果。如何把先進的計算機輔助設計技術、現代加工技術和材料科學應用到“機械設計基礎”的教學過程中，我們教研室的老師在對以往教學工作進行總結的基礎上，引進了先進的教學軟件solidworks和先進的教具學具fischertechnik，對“機械設計基礎”課程的教學與實踐進行了改革嘗試，取得了良好的效果。

1 將機械設計軟件solidworks引入“機械設計基礎”課程的教學中

solidworks是基于Windows操作系統的機械設計軟件，先進行機械零部件的三維實體設計，然后進行模擬裝配及其三維實體機構運動模擬、干涉檢查或進行機構的運動分析。solidworks的設計方案有很多，可以隨時發現設計過程中的錯誤，及時改進以提高產品質量。產品設計的全過程都是可以實時編輯的，零件的結構設計、裝配過程設計和生成的工程圖之間是全部相關聯的。solidworks可以自動生成工程圖（包括平面圖和立體圖），而且工程圖是前后聯系的，改動圖紙中的任一參數，三維模型、各個視圖、裝配體都會聯動，自動更新。solidworks也提供了技術先進的工具，可以通過互聯網進行協同工作。可以一個團隊位于不同的地方，共同設計一個產品[1]。

1.1 實施目的

緊扣高職院校培養高級應用型人才的培養方案，培養基礎扎實、理解能力強、應用新技術能力強的學生為目的，將功能強大的solidworks軟件應用到“機械設計基礎”的教學中，有利于理論教學與實踐教學的有機結合，使學生易于理解所學的理論知識，建立工程實際的意識，從而提高學習效率，也為有自學需求的學生創造良好條件。

1.2 實施內容

在“機械設計基礎”的教學中引入solidworks，就是應用solidworks將傳統的理論教學和實踐教學相結合，在每種機構或傳動的理論知識傳授過程中，用solidworks建立各種零件實體，組裝成實際機構或傳動模型，進行動畫演示工作原理，驗證基本特性，通過修改參數得到各類演化機構。

（1）建立“機械設計基礎”理實一體化教室，在教室兩邊有計算機，教學中引入solidworks設計機械零件、構件。先繪制平面草圖，選擇拉伸、旋轉、掃描、陣列等基本操作建立各種零件的實體模型，然后保存起來；打開solidworks的裝配模塊，將前面完成的零件添加進來，通過確定零件間的位置約束關系，組裝成所需的機構，并檢查相對運動的零件間是否有干涉或碰撞，如果出現干涉或碰撞，可以對零件的特征根據需要進行修改，直到滿足機構的設計要求；然后對機構的工作過程用solidworks中的cosmosmotion插件進行動畫制作，可以真實顯現機構的裝配過程及運動狀態。

（2）在教學過程中開展形式多樣的實例訓練，比如介紹平面連桿機構后安排學生用solidworks進行零件建模，裝配各種機構，進行機構運動關系的動畫演示，從簡單的曲柄搖桿機構開始，通過改變桿件的長度或選擇不同構件作機架，演化成雙曲柄機構和雙搖桿機構，由淺入深，建立常用機構的各種三維模型，既形象直觀再現了所學的理論知識，加深了理解，也為以后的畢業設計積累素材，為學生創新思維的發揮創造條件。

（3）開展學生第二課堂，增加學生的訓練機會，既有利于提高計算機操作能力，又能鞏固“機械設計基礎”的基本理論。利用solidworks進行大量的三維實體零件建模，可以了解各種零件的具體結構、種類和參數。利用裝配命令調用各種零件，按照一定的裝配關系組裝出所需的機構，可以理解零件的聯接方式。機構的工作過程可以進行模擬演示。通過機構的模擬動畫演示，可以清楚看見機構的運動過程，使抽象枯燥的機構、機器的基本理論和基本設計方法變得直觀，容易理解。

（4）編寫常用機構和傳動的三維建模和動畫設計的操作指南。學生在整個建模、裝配和動畫演示的過程中也會有自己的感受和好的操作建議，可以連同操作步驟一起記錄下來整理成操作指南。這個過程可以提高學生的邏輯思維能力及文字表達能力，為后面寫出高質量的說明書和畢業論文打下基礎。

（5）建立網絡教學平臺，老師和學生可以把設計好的機構模型和動畫演示上傳到平臺上，配上適當的文字說明，大家可以進行交流和共享，繼續探索機械知識的奧秘，提高大家學習軟件建模的積極性。

1.3 實施方案

將機械設計軟件solidworks引入“機械設計基礎”課程教學的實施方案如圖1所示。

2 以慧魚創意組合模型（fischertechnik）的教具學具為操作平臺，培養學生的動手能力、理論聯系實際能力和創造性思維

慧魚創意組合模型（fischertechnik）來源于德國，是德國發明家Arthur Fischer博士在其專利“六面拼接體”的基礎上發明的。一般的高等院校都會用它來建立機械創新實驗室，展示機械的運動原理和運動的可能性，訓練學生的動手能力，作為機械創新教育的一個平臺。

慧魚創意組合模型的主要零部件的材料是高質量的尼龍塑膠，成型精度高，耐磨，學生可以進行多次組合拆裝，不影響聯接的可靠性和穩定性；零件的聯接方式主要采用燕尾槽，使零件的每一個平面都可拼接，真正實現了隨心所欲的組合。它由各種型號和規格的零件組成，類似于積木；零件的種類很多，幾乎包括了機械課程和日常生活中的所有零件。通過對各類模型的認識和組裝，從而可以熟悉并掌握各類設備和自動化裝置的常用結構和工作原理[2]。

2.1 實施目的

無論是課堂上老師PPT演示機構運動的Flash動畫，還是學生自己應用三維軟件繪制的三維實體以及機構運動原理的動態動畫演示，這些都只是有助于學生理解和驗證所學的機械原理，都只停留在思維想象的空間，學生并沒有直接接觸到零件和機構，并不理解工程實際的情況。在教學中引入可以動手的教具和學具，就把學生的理論知識具體化，動手做出來，真正做到理論與實踐相結合。

2.2 實施內容

（1）建立慧魚創新實驗室，就是利用慧魚模型組合包系列建立工程技術實驗室，它也是創新教育的一個全新平臺。把fischertechnik的各種組合包和資料放置在“機械設計基礎”的教室四周，把每期學生的經典作品也放置在四周，若教室空間有限，也可以把慧魚創新實驗室建立在教室附近，這樣學生課堂上和課后都可以進行動手拆裝，也可以按圖搭建各種培訓模型和工業模型，了解零件的組合方式。

（2）隨著理論教學的進行，依次把fischertechnik的各種機械構件的名稱、結構、參數介紹給學生，如齒輪、連桿、鏈條、履帶、齒輪軸、齒條、蝸輪、蝸桿、曲軸、萬向節、減速器、輪齒箱等，當學生用solidworks進行零件建模，機構裝配，機構運動關系的動畫演示以后，讓學生用fischertechnik組建各種常用機構和常用傳動，再次用實物來驗證運動原理和機構運動特性。

（3）在熟悉各種機構、傳動和通用零件的基礎上，學生可以選擇不同的方案進行設計、搭建各種簡單機械，比較不同方案的結構特點和運動特性，從而選擇最優方案，達到優化設計的目的。

（4）學習編程軟件，通過編程把機械零件、電氣元件、氣動零件、傳感器、可編程控制器、電腦等整合成創新設計系統。布置課程設計題目，通過動手組裝模型、連線、編程、調試、運行程序、控制模型動作等各段學習后，掌握fischertechnik的設計與控制。

（5）老師和學生可以把搭建好的常用機構和小型機械拍成圖片和視頻上傳到網絡教學平臺上，配上適當的文字說明，進一步完善網上教學資源，與大家交流和共享，引領大家對機械知識的探討，激發大家對機械創新的興趣，鼓勵學生把有關機械方面的想法變成現實。

2.3 實施方案

慧魚創意組合模型（fischertechnik）的教學實施方案。

3 應用情況及實施效果

通過把機械設計軟件solidworks引入“機械設計基礎”的教學環節，使理論與實踐教學緊密聯系，不再區分，教學內容變得生動形象，可操作性強。通過軟件再現“機械設計基礎”課程里的零件結構、機構組裝和機械原理，使學生的基礎知識和基本理論掌握得扎實，學習的興趣變得濃厚，應用計算機軟件的能力明顯提高，自信心明顯增強，不少學生由被動學習轉為主動探究性學習，他們在課程學習小結中寫道：“‘機械設計基礎課程讓我有機會體驗計算機設計的魅力，使我對設計產生了興趣，激發了我的學習熱情。”

老師和學生在應用fischertechnik的教具和學具過程中，通過簡單模型、復雜模型、自主創新模型的搭建與拆解，增強了實際動手能力，知道機器的組裝方式和拆裝步驟，不再害怕拆裝實際機器，敢于對機器進行拆裝、分析組成和故障診斷與維護，在此基礎上鼓勵學生拆解手機、計算機和自行車，真正做到學為我用[3]。

通過4年的教學實踐，我們發現在教學中應用先進技術能提高學生學習“機械設計基礎”課程的興趣，對提高學生的綜合設計能力也有很好效果。從連續4屆機械專業的學生反饋情況來看，這些學生的“機械設計基礎”的基礎知識扎實，計算機操作能力明顯高于未引入先進技術對教學進行改革的學生，由于擁有可操作性的載體，學生第二課堂和機械創新興趣小組開展得風生水起，卓有成效，在學校的各項比賽中都名列前茅。更為可喜的是班級里一部分同學形成了濃厚的學術討論氛圍，愿意結合所學的知識，積極探索，查找資料，認真鉆研，進行一些小發明創造，有6名學生還因此獲得了實用新型專利。結合每兩年一次的全國大學生機械創新設計大賽，很多學生積極參與，先班級選拔，后學校內部競爭，每次都有學生闖入全國大賽，為學院爭光。

[參考文獻]

[1]胡仁喜，劉昌麗.solidworks2013機械設計從入門到精通[M].北京：北京機械工業出版社，2013.

[2]鄧昭銘，張瑩.機械設計基礎[M].2版.北京：北京高等教育出版社，2000.

[3]毛茂林，王培俊，羅大兵.慧魚創意模型實驗教程[M].成都：西南交通大學出版社，2010.