高職機(jī)械類課程教學(xué)三維化融合應(yīng)用

徐衛(wèi)國　張良

摘 要：高職機(jī)械類專業(yè)的課程三維化改革是發(fā)展趨勢，本文以Solidworks為教學(xué)載體，闡述了三維軟件在《機(jī)械制圖》《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》《機(jī)床夾具設(shè)計》等課程教學(xué)中的應(yīng)用，提出了三維化課程教改中出現(xiàn)的問題和建議。

關(guān)鍵詞：Solidworks 教學(xué) 應(yīng)用 課程改革

Three-dimensional Integrated Application of Mechanical Courses in Higher Vocational Education

Xu Weiguo，Zhang Liang

Abstract：The three-dimensional reform of mechanical professional courses in higher vocational colleges is a development trend. This article uses Solidworks as the teaching carrier to explain the application of three-dimensional software in the teaching of “Mechanical Drawing”， “Mechanical Design Fundamentals”， “Machine Fixture Design” and other courses. The problems and suggestions in the teaching reform of the three-dimensional curriculum are discussed.

Key words：Solidworks， teaching， application， curriculum reform

1 三維軟件的選用

三維軟件種類繁多涵蓋制圖、造型、加工、分析等諸方面，表1里集中列出了常見三維軟件。

AutoCAD主要用來制作二維圖紙，三維非常少;CAXA為國產(chǎn)軟件三維功能不錯;UG適合模具設(shè)計，曲面功能、三維功能強(qiáng)大;Creo由PRO/E升級而來，參數(shù)化設(shè)計強(qiáng)大，適合做產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計;CATIA用于汽車航空等行業(yè)，擅長高品質(zhì)的曲面造型;SolidWork簡單易用，符合大部分人操作習(xí)慣，普及程度高，包容性好，和其他軟件的接口和協(xié)作做得好，渲染、仿真、模具設(shè)計等上手容易，有多種常用實用模塊。以上軟件每款軟件都有其使用場景及特點，軟件的學(xué)習(xí)邏輯關(guān)系都是一樣的（見圖1）：草圖（繪制方法、規(guī)范化和引用）、零件設(shè)計（方法、流程和特征）、裝配設(shè)計（方法和流程、約束）、工程制圖（三維生成二維、生成規(guī)范性）。只要突破其中一兩個，其余都可快速理解上手。

綜合考慮三維軟件的特點（行業(yè)習(xí)慣、產(chǎn)品特點、入門難易程度）和教學(xué)普適性需要，我們選用Solidworks作為教學(xué)軟件，融合應(yīng)用于相關(guān)課程。

2 三維軟件在課程教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 在《機(jī)械制圖》課程教學(xué)中的應(yīng)用

《機(jī)械制圖》注重培養(yǎng)學(xué)生空間思維和想象能力，以往教師用掛圖、模型、板書等形式進(jìn)行，嘗試將橡皮泥、切蘿卜等方式幫助學(xué)生理解，取得一定效果，但對于外形和內(nèi)腔較復(fù)雜的形體，傳統(tǒng)方法展示效果有限，Solidworks實體建模展示優(yōu)勢明顯。例如相貫線一直是課程教學(xué)難點之一，講解起來比較困難，我們用Solidworks把實體做出來，學(xué)生觀察實體，既可快速掌握相貫的概念，又可直觀了解相貫線形式，糾正錯誤畫法，教學(xué)效果很好。

2.2 在《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計是機(jī)械傳動設(shè)計中的重點和難點之一。以往教學(xué)采用圖解法和解析法分析各構(gòu)件的速度、角速度和角加速度，但圖解法的精度受制圖精度的影響，解析法雖然求解精度較高但計算工作量較大。現(xiàn)通過鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的建模、運動仿真分析，建立鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型、利用Solidworks中Motion模塊功能，在曲柄添加旋轉(zhuǎn)電機(jī)（如設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速15rpm，動畫時間為5s），在四桿機(jī)構(gòu)動畫演示過程中，曲柄作整周轉(zhuǎn)動，搖桿作擺動，進(jìn)一步驗證了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的性質(zhì)、曲柄滑塊的存在條件、急回特性等知識點。在Motion分析中，選取搖桿分析其角加速度、計算運動算例，可得搖桿角加速度與時間關(guān)系（見圖3）。通過Solidworks尺寸驅(qū)動能，改變四桿機(jī)構(gòu)中各桿長度，可展示出在不同桿件長度組合下，四桿機(jī)構(gòu)各從動桿角速度、角加速度等指標(biāo)的變化規(guī)律，對比傳統(tǒng)分析方法利用Solidworks的Motion功能分析更加簡便，可大大提高理解和設(shè)計效率。

2.3 在《機(jī)床夾具設(shè)計》課程教學(xué)中的應(yīng)用

機(jī)床夾具設(shè)計中的工件定位、基準(zhǔn)、定位誤差等知識點抽象，以六點定位原理為例，學(xué)生較難理解。利用Solidworks裝配模塊功能，給工件加上接觸約束能很好理解定位原理（如圖4）：以底平面為例，工件可沿X軸、Y軸移動和繞Z軸轉(zhuǎn)動，卻無法離開底平面（從側(cè)視圖看出，實體底面與定位平面重合），說明X軸、Y軸移動和繞Z軸轉(zhuǎn)動三個自由度未被限制，其余三個已被限制。利用Solidworks軟件還可以清楚展示定位的各種概念（完全定位、不完全定位、過定位、欠定位等），我們把學(xué)生難以理解、教師難以講解的抽象概念，利用三維軟件制作出三維分析環(huán)境，直觀形象地演示出復(fù)雜變化過程，學(xué)生通過肉眼直接觀察和親身體驗，教學(xué)效果明顯。

3 三維軟件在教學(xué)中的問題及建議

3.1 重視三維輕視二維

學(xué)生對三維軟件的學(xué)習(xí)興趣，往往大于對二維軟件的學(xué)習(xí)興趣，一方面是三維軟件的學(xué)習(xí)具有趣味性，而二維軟件的學(xué)習(xí)相對比較簡單，學(xué)生一般不愿花更多精力。二維繪圖軟件在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程和制造加工過程的作用不可替代，二維軟件可直觀將零件的工藝信息（如尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、熱處理等）完整表達(dá)在圖紙中，二維圖的修改也要比三維圖要方便和快捷，用三維軟件（不出二維圖紙）能很好做出一個三維實體，工藝信息和復(fù)雜圖形表達(dá)卻不容易做到，目前理想的做法合適二維和三維的結(jié)合和互補(bǔ)。

3.2 三維引入工程實踐

機(jī)制專業(yè)的實習(xí)實踐環(huán)節(jié)，目前采用的是師傅帶徒弟的實習(xí)模式。采用生產(chǎn)現(xiàn)場講解、參觀等實踐方式進(jìn)行，由于企業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場環(huán)境差，存在實習(xí)難度、效果、組織管理等問題。要加強(qiáng)三維軟件（如VR技術(shù)、數(shù)字工廠虛擬仿真系統(tǒng)等）應(yīng)用到實習(xí)實踐環(huán)節(jié)的建設(shè)，讓學(xué)生實習(xí)前，對生產(chǎn)現(xiàn)場對設(shè)備結(jié)構(gòu)特點、運行情況深入了解，再到現(xiàn)場實踐，有針對性的對設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生在虛擬環(huán)境下，提前進(jìn)安全教育（安全通道、安全設(shè)備、緊急處理）。

基金項目：江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點教改課題“高職機(jī)械基礎(chǔ)課程的三維化改革”（YJJG-18128）。

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