融合三維公差分析的機械設計實踐課程教學探析

葛夢瀅 劉利 劉江麗

摘 要：根據“新工科”構建思想，以理念率先變革帶動工科教育新發展，探索實施工程教育人才培養新模式。本文以機械設計實踐課程為載體，描述和分析了現有實踐教學模式，并基于CDIO教育模式創新性地提出了將三維公差分析融入機械設計實踐的教學方法。通過將設計思想、先進技術和工程項目相結合，不斷增強學生的知識內涵、創新思維和工程適應能力，為工科教學改革提供了一定的借鑒作用。

關鍵詞：機械設計; 實踐教學; 三維公差分析; 教學教改

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1006-3315（2021）2-180-003

機械設計實踐是為培養機械類專業學生的創新意識和創造能力而開設的一門基礎專業課程，課程強調通過實踐對設計理論知識進行綜合性強化與應用，促使學生在設計實踐的過程中積累設計經驗，樹立創新理念，逐步掌握解決工程實際問題的方式方法[1]。根據CDIO（構思Conceive-設計Design-實現Implement-運作Operate）工程教育模式提出的工程技術創新和工程實踐能力人才培養體系要求，傳統工程實踐教學模式所培養的學生其創新意識和工程實踐能力均存在一定差距[2]。面向“新工科”背景下的社會需求，高校需要聚焦機械設計實踐教學模式的探索與改革，引入先進多元的設計分析工具，不斷完善培養體系，提高教學質量。本文針對機械設計實踐課程，從教學模式、教學方法和課程體系等方面的改革創新進行探討和交流。

1.實踐課程的現狀描述與分析

1.1實踐課程教學背景

機械設計實踐課程涵蓋機械制圖測繪、機械原理課程設計、機械設計課程設計、畢業設計等，具有綜合運用機械基礎知識的重要作用[3]。為配合教師對理論課程的講授和學生對基礎知識的吸收，高校開設了三維設計實踐課程及工程訓練課程，可以幫助學生更好地掌握機械設計原理及方法，了解新型加工方式，把握行業發展動態。實踐課程選用CATIA三維設計軟件，教師教授學生通過使用CATIA對典型零件進行建模和裝配，并選用精密測量等技術，教師教授學生通過使用新型測量設備對零件進行測量檢驗，檢驗產品是否符合生產要求。三維設計課程可以使學生更好地對產品進行虛擬造型、結構演示及方案完善。同時，有機銜接特定的工程訓練課程，可以實現以產品研發到產品運行的生命周期為實踐教學載體，促使學生掌握工程基礎知識，提升個人能力、人際團隊能力和工程系統能力[3-4]。

1.2實踐課程面向對象

機械設計實踐課程面向對象廣泛，涵蓋高校本科教育的各年級學生，因而會產生學生基礎知識掌握程度分層情況。通過以往授課總結，在進行實踐課程前，學生總體特點表現為已掌握一定的機械設計基本原理，但缺乏對設計實現方法的運用;僅能局限地依照教材進行基礎零件設計，尚未能對實際工程案例進行設計、分析和優化。同時，我們發現有企業見習或實際加工經歷的學生，明顯比僅通過教材了解學習機械專業領域知識的學生更加具備機械創新思維，能主動發現設計存在的問題并提出改進方案。因此，實踐課程的教學目標即構建分層級、多樣化的課程體系，調整學生的知識結構，增強學生的知識內涵、創新思維和工程適應能力[5]。

面對如此多層次、多樣化的課程對象，實踐課程教學內容設計和教學流程設計面臨巨大挑戰。機械設計實踐課程要將機械設計思想、三維軟件運用和實際工程項目相結合[1]。在教學過程中選擇合適的課題，引入先進的設計分析工具，融合機械創新設計方法，提升學生的機械設計能力和綜合能力[6]。

1.3實踐課程教學流程

實踐課程從機械原理和機械設計課程設計出發，在學生掌握一定的基礎設計原理后進行三維設計軟件的學習，同時配合工程訓練項目（激光加工、3D打印、數控車床加工、鑄造、精密測量等）讓學生了解和掌握運用先進制造技術加工零件的方法，最后指導學生綜合運用所學知識完成畢業設計。整個教學過程將教師的教與學生的學相互貫通，形成一套成體系的教學流程。

1.4實踐課程教學成果

學生通過機械設計實踐課程的學習，可實現運用機械原理對產品進行結構設計，借助三維設計軟件完成產品的3D建模和工程圖制作，并制定合適的工藝完成產品的加工制造。

目前許多高校一貫采用陳舊固有的課題和流程進行教學，雖然可以實現對機械設計課程內容的完整回顧與運用，但是參數略有不同的相同課題和固定的教學環節會嚴重限制學生的設計思路，影響學生的創造性[7]。因此，機械設計實踐課程應積極引入具有疑難性、實踐性、代表性的工程案例和先進多元的設計分析工具，提升學生對具體工程案例的自主分析能力，充分調動學生的主觀能動性，為社會和企業培養創新型、綜合性、應用型人才[8]。本文結合高校實際教學環境要求，提出了機械設計實踐課程的教學優化方案，探析了更好達到教學效果的方式方法。

2.實踐課程的改革方案

隨著市場競爭日益激烈，制造企業對于產品的設計周期、成品質量、生產成本的要求越來越高。公差是產品尺寸和幾何參數的允許變動量，扮演著協調設備工作性能和制造成本關系的角色，是產品整個生命周期中的重要技術指標，公差設計是產品競爭力的決定性因素[9]。由此看來，在機械設計實踐課程中加入三維公差分析模塊是響應社會人才需求的重要舉措，有利于拓展學生對機械專業領域的認知，鍛煉其掌握先進技術和設計軟件的能力，啟發其自主探究創新型質量控制方案的方式方法。

本文提出將三維公差分析技術融入實踐課程設計，建設虛擬實踐環境，引導學生掌握現代化工程設計方法和手段，拓寬學生創造設計能力的培育渠道。原有實踐課程僅要求學生按照零件基本參數完成產品的機構設計和造型，忽視了具體工況和工藝流程對結構精度的影響，造成設計的零件不符合加工要求，不滿足質量標準。基于課程尚存問題，新課程采用VSA（Visualization Variation Analysis）計算機輔助公差分析工具進行教學，系統使用數字化原型全面展示產品幾何體、三維公差、裝配流程誤差和分析測量結果，學生使用軟件能夠實現產品位置偏差和裝配尺寸偏差等的仿真，預測和評估產品的最終質量[10-11]。

新課程將工程實例引入課堂教學，通過案例事實搭建教學內容和工程實際間的橋梁，有利于學生學習三維公差分析理論知識的同時置身于實際工程背景中，進一步易化學習內容，消化抽象概念[12]。如選用小型沖壓裝置作為教學案例（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。

新課程教學流程：（1）教師講解三維公差分析的技術原理及計算機輔助公差分析系統的應用場景;（2）基于模型的質量工程案例，結合軟件操作，教師講解利用產品制造信息定義模型公差、動態模擬產品制造裝配過程以及解讀測量分析報告的方法;（3）教師布置任務，學生根據給定案例上機操作，完成產品的三維公差仿真，輸出分析報告并制定合理的機械設計優化方案;（4）學生自主操作，教師答疑;（5）學生交流三維公差分析結果，教師參與探討設計優化方案的合理性和創新性。教學流程圖如圖2所示。

新課程教學分析：課程以工程實例為載體，構建了學生主動參與、自主合作、探索創新的新型學習模式，有利于激發學生的學習興趣，培養學生的工程思維[13]。教學采用VSA（Visualization Variation Analysis）是現今主流的三維公差分析工具，學生通過仿真制造與裝配過程能夠預測產品的尺寸質量和偏差源貢獻因子，進而分析設計方案是否滿足尺寸設計和加工要求，提出綜合性的優化方案，領悟設計中的尺寸偏差對于質量控制、生產成本及交付時間的重要影響，提升解決實際工程問題的能力，成為符合“新工科”發展要求的工程人才。

3.實踐課程的改革成果

3.1工程思維能力

新課程以工程實例為教學載體，以大工程觀為指導思想，引導學生從工程經濟、工程文化、工程技術和工程管理等多元維度對復雜工程問題進行綜合決策。學生通過運用數字化測量分析工具，逐步樹立工程系統觀，提升生產過程精細化設計和質量控制能力。

3.2學習能力

在實踐設計環節融入三維公差分析技術，引導學生掌握先進工程設計方法，帶領學生感知“新工科”時代下飛速發展的新科學技術，促使學生樹立終生學習的理念，加強終身學習的能力，積極主動更新知識儲備。將計算機技術滲透傳統工科教學，打破學習的固定程序，針對特定的項目難題學生自主探索設計方法和優化方案，進一步提升深度思考的能力。

3.3創新能力

新課程教學體系貫徹了“知行并舉”的理念，學生使用三維公差技術對產品初期的設計模型進行分析時，需要綜合運用機械結構、工作原理和加工工藝等多維度知識，充分調動自身將理論運用于實踐的能力。新課程教學將固有的“二維圖紙”轉換為“三維圖紙”，培養學生的空間思維，引導學生聚焦現代化產品設計方法，調動學習積極性，激發學生的創新創造能力。

4.結束語

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械設計實踐的教學方法，是傳統機械課程的一次創新型教學改革。

產品設計過程中的公差優化對產品成品率起著至關重要的作用，成品率的提高直接影響產品的成本和質量。學生在設計過程中進行公差分析，實質上是將設計意圖轉換為基于概率的設計模型，從而預測產品產量損失的可能性，依靠適當的公差設計有利于消除產品質量問題。

目前，我們正處于一個推陳出新非常快的時代，在教學過程中積極引入工程案例，目的在于讓學生設身處地地感知到急劇攀升的市場需求，以及它所帶來的產品生命周期明顯縮短，成本壓力日益增大，產品設計質量下降等多方面的實際生產問題，激發學生探索獲取準確產品及其裝配尺寸和優化公差的方法，逐步提升學生的工程思維能力和發現問題的敏銳性。

本文提出的融合三維公差分析的機械設計實踐課程教學方式為“新工科”背景下的工科教學改革提供了一定的借鑒作用，可以通過多學科的實踐進一步深化教學深度，提升教學效果。

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