融合三維公差分析的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐課程教學(xué)探析

葛夢(mèng)瀅 劉利 劉江麗

摘 要：根據(jù)“新工科”構(gòu)建思想，以理念率先變革帶動(dòng)工科教育新發(fā)展，探索實(shí)施工程教育人才培養(yǎng)新模式。本文以機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐課程為載體，描述和分析了現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)模式，并基于CDIO教育模式創(chuàng)新性地提出了將三維公差分析融入機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐的教學(xué)方法。通過(guò)將設(shè)計(jì)思想、先進(jìn)技術(shù)和工程項(xiàng)目相結(jié)合，不斷增強(qiáng)學(xué)生的知識(shí)內(nèi)涵、創(chuàng)新思維和工程適應(yīng)能力，為工科教學(xué)改革提供了一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì); 實(shí)踐教學(xué); 三維公差分析; 教學(xué)教改

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2021）2-180-003

機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐是為培養(yǎng)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力而開設(shè)的一門基礎(chǔ)專業(yè)課程，課程強(qiáng)調(diào)通過(guò)實(shí)踐對(duì)設(shè)計(jì)理論知識(shí)進(jìn)行綜合性強(qiáng)化與應(yīng)用，促使學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)踐的過(guò)程中積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，樹立創(chuàng)新理念，逐步掌握解決工程實(shí)際問(wèn)題的方式方法[1]。根據(jù)CDIO（構(gòu)思Conceive-設(shè)計(jì)Design-實(shí)現(xiàn)Implement-運(yùn)作Operate）工程教育模式提出的工程技術(shù)創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力人才培養(yǎng)體系要求，傳統(tǒng)工程實(shí)踐教學(xué)模式所培養(yǎng)的學(xué)生其創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力均存在一定差距[2]。面向“新工科”背景下的社會(huì)需求，高校需要聚焦機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)模式的探索與改革，引入先進(jìn)多元的設(shè)計(jì)分析工具，不斷完善培養(yǎng)體系，提高教學(xué)質(zhì)量。本文針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐課程，從教學(xué)模式、教學(xué)方法和課程體系等方面的改革創(chuàng)新進(jìn)行探討和交流。

1.實(shí)踐課程的現(xiàn)狀描述與分析

1.1實(shí)踐課程教學(xué)背景

機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐課程涵蓋機(jī)械制圖測(cè)繪、機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等，具有綜合運(yùn)用機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)的重要作用[3]。為配合教師對(duì)理論課程的講授和學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的吸收，高校開設(shè)了三維設(shè)計(jì)實(shí)踐課程及工程訓(xùn)練課程，可以幫助學(xué)生更好地掌握機(jī)械設(shè)計(jì)原理及方法，了解新型加工方式，把握行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)。實(shí)踐課程選用CATIA三維設(shè)計(jì)軟件，教師教授學(xué)生通過(guò)使用CATIA對(duì)典型零件進(jìn)行建模和裝配，并選用精密測(cè)量等技術(shù)，教師教授學(xué)生通過(guò)使用新型測(cè)量設(shè)備對(duì)零件進(jìn)行測(cè)量檢驗(yàn)，檢驗(yàn)產(chǎn)品是否符合生產(chǎn)要求。三維設(shè)計(jì)課程可以使學(xué)生更好地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬造型、結(jié)構(gòu)演示及方案完善。同時(shí)，有機(jī)銜接特定的工程訓(xùn)練課程，可以實(shí)現(xiàn)以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為實(shí)踐教學(xué)載體，促使學(xué)生掌握工程基礎(chǔ)知識(shí)，提升個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力[3-4]。

1.2實(shí)踐課程面向?qū)ο?/p>

機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐課程面向?qū)ο髲V泛，涵蓋高校本科教育的各年級(jí)學(xué)生，因而會(huì)產(chǎn)生學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)掌握程度分層情況。通過(guò)以往授課總結(jié)，在進(jìn)行實(shí)踐課程前，學(xué)生總體特點(diǎn)表現(xiàn)為已掌握一定的機(jī)械設(shè)計(jì)基本原理，但缺乏對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法的運(yùn)用;僅能局限地依照教材進(jìn)行基礎(chǔ)零件設(shè)計(jì)，尚未能對(duì)實(shí)際工程案例進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)有企業(yè)見習(xí)或?qū)嶋H加工經(jīng)歷的學(xué)生，明顯比僅通過(guò)教材了解學(xué)習(xí)機(jī)械專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)的學(xué)生更加具備機(jī)械創(chuàng)新思維，能主動(dòng)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題并提出改進(jìn)方案。因此，實(shí)踐課程的教學(xué)目標(biāo)即構(gòu)建分層級(jí)、多樣化的課程體系，調(diào)整學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)學(xué)生的知識(shí)內(nèi)涵、創(chuàng)新思維和工程適應(yīng)能力[5]。

面對(duì)如此多層次、多樣化的課程對(duì)象，實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)流程設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)。機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐課程要將機(jī)械設(shè)計(jì)思想、三維軟件運(yùn)用和實(shí)際工程項(xiàng)目相結(jié)合[1]。在教學(xué)過(guò)程中選擇合適的課題，引入先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析工具，融合機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，提升學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)能力和綜合能力[6]。

1.3實(shí)踐課程教學(xué)流程

實(shí)踐課程從機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)出發(fā)，在學(xué)生掌握一定的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原理后進(jìn)行三維設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)，同時(shí)配合工程訓(xùn)練項(xiàng)目（激光加工、3D打印、數(shù)控車床加工、鑄造、精密測(cè)量等）讓學(xué)生了解和掌握運(yùn)用先進(jìn)制造技術(shù)加工零件的方法，最后指導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。整個(gè)教學(xué)過(guò)程將教師的教與學(xué)生的學(xué)相互貫通，形成一套成體系的教學(xué)流程。

1.4實(shí)踐課程教學(xué)成果

學(xué)生通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)用機(jī)械原理對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，借助三維設(shè)計(jì)軟件完成產(chǎn)品的3D建模和工程圖制作，并制定合適的工藝完成產(chǎn)品的加工制造。

目前許多高校一貫采用陳舊固有的課題和流程進(jìn)行教學(xué)，雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)課程內(nèi)容的完整回顧與運(yùn)用，但是參數(shù)略有不同的相同課題和固定的教學(xué)環(huán)節(jié)會(huì)嚴(yán)重限制學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，影響學(xué)生的創(chuàng)造性[7]。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐課程應(yīng)積極引入具有疑難性、實(shí)踐性、代表性的工程案例和先進(jìn)多元的設(shè)計(jì)分析工具，提升學(xué)生對(duì)具體工程案例的自主分析能力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，為社會(huì)和企業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新型、綜合性、應(yīng)用型人才[8]。本文結(jié)合高校實(shí)際教學(xué)環(huán)境要求，提出了機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐課程的教學(xué)優(yōu)化方案，探析了更好達(dá)到教學(xué)效果的方式方法。

2.實(shí)踐課程的改革方案

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，制造企業(yè)對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期、成品質(zhì)量、生產(chǎn)成本的要求越來(lái)越高。公差是產(chǎn)品尺寸和幾何參數(shù)的允許變動(dòng)量，扮演著協(xié)調(diào)設(shè)備工作性能和制造成本關(guān)系的角色，是產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的重要技術(shù)指標(biāo)，公差設(shè)計(jì)是產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的決定性因素[9]。由此看來(lái)，在機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐課程中加入三維公差分析模塊是響應(yīng)社會(huì)人才需求的重要舉措，有利于拓展學(xué)生對(duì)機(jī)械專業(yè)領(lǐng)域的認(rèn)知，鍛煉其掌握先進(jìn)技術(shù)和設(shè)計(jì)軟件的能力，啟發(fā)其自主探究創(chuàng)新型質(zhì)量控制方案的方式方法。

本文提出將三維公差分析技術(shù)融入實(shí)踐課程設(shè)計(jì)，建設(shè)虛擬實(shí)踐環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生掌握現(xiàn)代化工程設(shè)計(jì)方法和手段，拓寬學(xué)生創(chuàng)造設(shè)計(jì)能力的培育渠道。原有實(shí)踐課程僅要求學(xué)生按照零件基本參數(shù)完成產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和造型，忽視了具體工況和工藝流程對(duì)結(jié)構(gòu)精度的影響，造成設(shè)計(jì)的零件不符合加工要求，不滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?；谡n程尚存問(wèn)題，新課程采用VSA（Visualization Variation Analysis）計(jì)算機(jī)輔助公差分析工具進(jìn)行教學(xué)，系統(tǒng)使用數(shù)字化原型全面展示產(chǎn)品幾何體、三維公差、裝配流程誤差和分析測(cè)量結(jié)果，學(xué)生使用軟件能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品位置偏差和裝配尺寸偏差等的仿真，預(yù)測(cè)和評(píng)估產(chǎn)品的最終質(zhì)量[10-11]。

新課程將工程實(shí)例引入課堂教學(xué)，通過(guò)案例事實(shí)搭建教學(xué)內(nèi)容和工程實(shí)際間的橋梁，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)三維公差分析理論知識(shí)的同時(shí)置身于實(shí)際工程背景中，進(jìn)一步易化學(xué)習(xí)內(nèi)容，消化抽象概念[12]。如選用小型沖壓裝置作為教學(xué)案例（如圖1所示），一種利用壓力將金屬或非金屬材料加工成零件的特殊工藝裝備。

新課程教學(xué)流程：（1）教師講解三維公差分析的技術(shù)原理及計(jì)算機(jī)輔助公差分析系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景;（2）基于模型的質(zhì)量工程案例，結(jié)合軟件操作，教師講解利用產(chǎn)品制造信息定義模型公差、動(dòng)態(tài)模擬產(chǎn)品制造裝配過(guò)程以及解讀測(cè)量分析報(bào)告的方法;（3）教師布置任務(wù)，學(xué)生根據(jù)給定案例上機(jī)操作，完成產(chǎn)品的三維公差仿真，輸出分析報(bào)告并制定合理的機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化方案;（4）學(xué)生自主操作，教師答疑;（5）學(xué)生交流三維公差分析結(jié)果，教師參與探討設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的合理性和創(chuàng)新性。教學(xué)流程圖如圖2所示。

新課程教學(xué)分析：課程以工程實(shí)例為載體，構(gòu)建了學(xué)生主動(dòng)參與、自主合作、探索創(chuàng)新的新型學(xué)習(xí)模式，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維[13]。教學(xué)采用VSA（Visualization Variation Analysis）是現(xiàn)今主流的三維公差分析工具，學(xué)生通過(guò)仿真制造與裝配過(guò)程能夠預(yù)測(cè)產(chǎn)品的尺寸質(zhì)量和偏差源貢獻(xiàn)因子，進(jìn)而分析設(shè)計(jì)方案是否滿足尺寸設(shè)計(jì)和加工要求，提出綜合性的優(yōu)化方案，領(lǐng)悟設(shè)計(jì)中的尺寸偏差對(duì)于質(zhì)量控制、生產(chǎn)成本及交付時(shí)間的重要影響，提升解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，成為符合“新工科”發(fā)展要求的工程人才。

3.實(shí)踐課程的改革成果

3.1工程思維能力

新課程以工程實(shí)例為教學(xué)載體，以大工程觀為指導(dǎo)思想，引導(dǎo)學(xué)生從工程經(jīng)濟(jì)、工程文化、工程技術(shù)和工程管理等多元維度對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行綜合決策。學(xué)生通過(guò)運(yùn)用數(shù)字化測(cè)量分析工具，逐步樹立工程系統(tǒng)觀，提升生產(chǎn)過(guò)程精細(xì)化設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制能力。

3.2學(xué)習(xí)能力

在實(shí)踐設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)融入三維公差分析技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生掌握先進(jìn)工程設(shè)計(jì)方法，帶領(lǐng)學(xué)生感知“新工科”時(shí)代下飛速發(fā)展的新科學(xué)技術(shù)，促使學(xué)生樹立終生學(xué)習(xí)的理念，加強(qiáng)終身學(xué)習(xí)的能力，積極主動(dòng)更新知識(shí)儲(chǔ)備。將計(jì)算機(jī)技術(shù)滲透?jìng)鹘y(tǒng)工科教學(xué)，打破學(xué)習(xí)的固定程序，針對(duì)特定的項(xiàng)目難題學(xué)生自主探索設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化方案，進(jìn)一步提升深度思考的能力。

3.3創(chuàng)新能力

新課程教學(xué)體系貫徹了“知行并舉”的理念，學(xué)生使用三維公差技術(shù)對(duì)產(chǎn)品初期的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分析時(shí)，需要綜合運(yùn)用機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理和加工工藝等多維度知識(shí)，充分調(diào)動(dòng)自身將理論運(yùn)用于實(shí)踐的能力。新課程教學(xué)將固有的“二維圖紙”轉(zhuǎn)換為“三維圖紙”，培養(yǎng)學(xué)生的空間思維，引導(dǎo)學(xué)生聚焦現(xiàn)代化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

4.結(jié)束語(yǔ)

在大工程教育背景下，本文基于CDIO教育模式提出了將三維公差分析融入機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐的教學(xué)方法，是傳統(tǒng)機(jī)械課程的一次創(chuàng)新型教學(xué)改革。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的公差優(yōu)化對(duì)產(chǎn)品成品率起著至關(guān)重要的作用，成品率的提高直接影響產(chǎn)品的成本和質(zhì)量。學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行公差分析，實(shí)質(zhì)上是將設(shè)計(jì)意圖轉(zhuǎn)換為基于概率的設(shè)計(jì)模型，從而預(yù)測(cè)產(chǎn)品產(chǎn)量損失的可能性，依靠適當(dāng)?shù)墓钤O(shè)計(jì)有利于消除產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。

目前，我們正處于一個(gè)推陳出新非?？斓臅r(shí)代，在教學(xué)過(guò)程中積極引入工程案例，目的在于讓學(xué)生設(shè)身處地地感知到急劇攀升的市場(chǎng)需求，以及它所帶來(lái)的產(chǎn)品生命周期明顯縮短，成本壓力日益增大，產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量下降等多方面的實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生探索獲取準(zhǔn)確產(chǎn)品及其裝配尺寸和優(yōu)化公差的方法，逐步提升學(xué)生的工程思維能力和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的敏銳性。

本文提出的融合三維公差分析的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐課程教學(xué)方式為“新工科”背景下的工科教學(xué)改革提供了一定的借鑒作用，可以通過(guò)多學(xué)科的實(shí)踐進(jìn)一步深化教學(xué)深度，提升教學(xué)效果。

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