基于SolidWorks軟件的繼續(xù)教育學(xué)生工程能力培養(yǎng)

劉 晶

（華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院,上海 200237）

隨著先進成圖技術(shù)的不斷發(fā)展，三維造型軟件逐漸受到機械、造船、航空各行業(yè)的青睞。目前UG、SolidWorks、CATIA、Pro/E、Inventor等三維設(shè)計軟件被廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、汽車、造船、交通、模具、醫(yī)療器械及家居等相關(guān)企業(yè)。與其他三維造型軟件相比，SolidWorks三維設(shè)計軟件具有簡單易學(xué)、操作界面友好、功能強大等優(yōu)點，該軟件主要包括三維造型、曲線曲面功能、工程圖及智能裝配等模塊。運用該軟件進行三維計算機輔助設(shè)計，可快速有效地進行復(fù)雜零件和裝配體的三維設(shè)計，提高企業(yè)的工作效率，降低設(shè)計過程中的錯誤率，提高產(chǎn)品質(zhì)量。為了更好地將課堂所學(xué)知識與企業(yè)接軌，較多學(xué)校開設(shè)了SolidWorks等三維設(shè)計軟件的相關(guān)課程，通過對SolidWorks三維設(shè)計軟件的進行學(xué)習(xí)，可以提高學(xué)生的設(shè)計能力、工程實踐能力及解決復(fù)雜問題的能力，將學(xué)生培養(yǎng)成為適應(yīng)時代發(fā)展的應(yīng)用型人才[1-8]。

2010年，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》提出，要優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，豐富社會實踐，強化能力培養(yǎng)。通過SolidWorks三維設(shè)計及應(yīng)用課程，可以工程實際案例為抓手，強化工程實踐，優(yōu)化知識層次，培養(yǎng)適應(yīng)社會的應(yīng)用型、技能型及復(fù)合型人才。掌握SolidWorks三維設(shè)計軟件可以為后續(xù)的工作儲備技能，在未來的工作中能更好地提高工作效率，提升工程質(zhì)量，加快工程進度，這對學(xué)生職業(yè)能力的培養(yǎng)和職業(yè)素質(zhì)的養(yǎng)成起著重要的支撐和促進作用。

1 基于SolidWorks軟件的三維設(shè)計課程設(shè)置

繼續(xù)教育是高等教育中的一部分，企業(yè)在職人員是繼續(xù)教育學(xué)生的主要來源，他們進行繼續(xù)學(xué)習(xí)主要是為了滿足職業(yè)能力的需要，因此所學(xué)課程需與其相關(guān)行業(yè)緊密聯(lián)系，注重培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力[9]。SolidWorks三維設(shè)計及應(yīng)用課程主要是針對繼續(xù)教育中機械專業(yè)的學(xué)生開設(shè)，學(xué)習(xí)此課程的目的是培養(yǎng)繼續(xù)教育學(xué)生的三維設(shè)計能力和空間想象能力，提高繼續(xù)教育學(xué)生的工程實踐能力，以適應(yīng)企業(yè)的快速發(fā)展，滿足企業(yè)的工作需求。本門課程需要先修工程制圖課程，將工程制圖課程的讀圖能力、空間想象能力與該課程相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生高效解決問題的能力。

此課程分為幾何建模、工程圖及裝配等內(nèi)容。其中，幾何建模由簡單形體建模和復(fù)雜形體建模兩個部分組成，通過簡單形體建模可以熟悉軟件界面、軟件基本命令及草圖操作等內(nèi)容。復(fù)雜建模部分以較為典型的軸套類零件、盤蓋類零件、支架類零件和箱體類零件為案例，由易到難，依次建模，復(fù)雜建模以工程實際零件作為案例，一方面培養(yǎng)學(xué)生的讀圖能力、產(chǎn)品設(shè)計能力、分析問題能力及解決工程實際問題的能力，另一方面可以讓學(xué)生通過實踐對這4種典型零件的建模特點進行分析、歸類和總結(jié)。工程圖是工程人員經(jīng)常使用的技術(shù)文件，通過對上述4類典型零件的幾何建模后，可以快速生成其工程圖并標(biāo)注尺寸、表面粗糙度、形位公差等。工程圖這部分內(nèi)容將工程制圖所學(xué)內(nèi)容與軟件有機結(jié)合，使學(xué)生將所學(xué)知識學(xué)以致用、融會貫通。裝配體是由許多零部件組成，而裝配圖是一個機器設(shè)備或部件的主要技術(shù)文件，通過學(xué)習(xí)如何將各部分零件按照裝配關(guān)系組裝到一起并進行拆卸，可以培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、綜合應(yīng)用能力和團隊協(xié)作能力。通過SolidWorks軟件進行裝配，可以使學(xué)生更容易理解零件與零件之間的裝配關(guān)系和拆卸順序，也可以觀察裝配體爆炸視圖等。SolidWorks軟件是基于參數(shù)驅(qū)動的設(shè)計模式，故可以通過修改設(shè)計參數(shù)，不斷完善設(shè)計方案，從而大幅提升設(shè)計效率。

2 案例教學(xué)法

結(jié)合繼續(xù)教育學(xué)生的現(xiàn)狀和SolidWorks三維設(shè)計課程的特點，需要基礎(chǔ)與應(yīng)用并重，對教學(xué)內(nèi)容進行模塊化設(shè)計，將教學(xué)內(nèi)容分結(jié)構(gòu)、分層次進行模塊編排，從工程啟發(fā)的角度，由淺入深、由易到難地進行設(shè)計。通過模塊化設(shè)計，可以使學(xué)生更好地理解工程實踐的實例。為了培養(yǎng)繼續(xù)教育學(xué)生的SolidWorks三維設(shè)計及應(yīng)用能力，可將課程分成以下5個模塊：第一個模塊是草圖設(shè)計，為后續(xù)三維設(shè)計和虛擬裝配奠定了基礎(chǔ)；第二個模塊是特征建模，是三維設(shè)計的基礎(chǔ)；第三個模塊是復(fù)雜建模，可以解決工程中比較復(fù)雜的零件建模問題；第四個模塊是工程圖，可以將三維設(shè)計的零部件模型直接生成二維工程圖；第五個模塊是智能裝配，可以將所有零件通過智能裝配約束進行裝配，生成一個機器或部件。通過模塊化設(shè)計，使學(xué)生充分掌握所學(xué)內(nèi)容。

在模塊化設(shè)計過程中，通過案例教學(xué)法進行實踐教學(xué)，不僅可以刺激學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能提高學(xué)生的實踐應(yīng)用能力。案例教學(xué)法以案例為基礎(chǔ)，主要鼓勵學(xué)生獨立思考，引導(dǎo)學(xué)生注重思考和過程學(xué)習(xí)，重視老師和學(xué)生、學(xué)生和學(xué)生的雙向交流。

在學(xué)生學(xué)習(xí)了軟件的基礎(chǔ)知識后，將軸套類零件、盤蓋類零件、支架類零件和箱體類零件4類典型零件作為案例，讓學(xué)生閱讀相關(guān)圖紙并查閱相關(guān)資料，確定不同建模方案，并從中選出最優(yōu)建模方案。在選擇建模方案的過程中，可以通過師生討論或者學(xué)生之間討論的方式進行。通過討論交流可以加深學(xué)生對前期所學(xué)制圖知識的理解，然后運用三維先進成圖軟件解決工程實際問題。零件是組成機器或部件的最小單元，也是進行虛擬裝配的基礎(chǔ)，通過將這4種典型零件作為案例，可以幫助學(xué)生對各類零件的結(jié)構(gòu)特點進行概括總結(jié)，使其后續(xù)在同類型建模過程中，可以快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)。

在進行三維建模時，需要熟悉尺寸驅(qū)動，通過對尺寸進行修改來觀察模型的變化。以兩個圓柱相貫為例，直立圓柱直徑不變，改變水平圓柱的直徑觀察相貫線的變化趨勢，如圖1所示，通過三維模型可以幫助理解工程制圖課的相貫線內(nèi)容，強化學(xué)生的空間想象能力。

圖1 相貫線的變化趨勢

為了達到快速建模的目的，需要對零件對象進行形體分析，分析該零件的組成部分并總結(jié)各部分的主要形狀特征及各部分之間的連接關(guān)系，找到主要形體和其他形體，以便于后續(xù)建模。建模時，需按照先主要形體后次要形體的順序進行建模，先對外部結(jié)構(gòu)建模，再對內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模，同時還要注意各部分形體的組合方式。

在完成三維幾何建模后，根據(jù)三維模型自動生成二維工程圖文件，標(biāo)注零件圖中的設(shè)計尺寸、表面粗糙度及形位公差等參數(shù)，從而將軟件的幾何建模和工程圖模塊聯(lián)系起來。出工程圖的過程，也是檢驗三維建模設(shè)計是否準(zhǔn)確的過程。通過工程圖的尺寸可以看出設(shè)計過程中設(shè)計尺寸是否正確。如果設(shè)計尺寸出現(xiàn)錯誤，可以回到三維建模環(huán)境進行修改，模型更新后，工程圖中的尺寸也會隨之更新。

對于裝配模塊，選擇多個零件的裝配體工程實際案例，按照零件間的裝配關(guān)系進行裝配，結(jié)合爆炸圖可以觀察拆開后的各零件形狀。此外，還可以動態(tài)查看裝配體的所有運動，對運動的零部件進行干涉檢查和間隙檢測。通過SolidWorks三維設(shè)計軟件能夠在較短的時間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計，同時也可以將裝配好的裝配體生成二維裝配圖文件。裝配圖文件能夠清楚展示機器或部件內(nèi)部的裝配關(guān)系、工作原理、工作狀況、傳動路線，是裝配、檢驗、安裝時必要的技術(shù)文件。基于SolidWorks三維設(shè)計軟件，可以將零件的幾何建模、多個零件的裝配及裝配圖聯(lián)系起來，并快速實現(xiàn)。

對不同案例的三維設(shè)計過程錄制視頻進行混合式教學(xué)，并將視頻提供給學(xué)生，可以方便繼續(xù)教育的學(xué)生課后隨時觀看，合理地利用碎片化時間，對已學(xué)知識進行鞏固與消化。這些視頻可以為課程講解提供有效的可視學(xué)習(xí)資料，學(xué)生不僅可以在課程教學(xué)階段進行學(xué)習(xí)，還可以在課程結(jié)束后持續(xù)進行學(xué)習(xí)，達到終身學(xué)習(xí)的目的。

3 工程能力培養(yǎng)

繼續(xù)教育學(xué)生由于具備一定的工作經(jīng)驗和工作常識，因此在SolidWorks軟件環(huán)境下進行三維設(shè)計時，可以結(jié)合自身的工作經(jīng)驗進行設(shè)計。可以將課程所學(xué)的基礎(chǔ)知識與工作中的問題相聯(lián)系，為實際工作提供更好的解決方案。通過學(xué)習(xí)SolidWorks三維設(shè)計軟件，不僅能夠提高學(xué)生的空間想象能力，還有助于提高其解決復(fù)雜工程問題的能力。筆者結(jié)合課程，主要從以下6方面對工程能力進行培養(yǎng)。

（1）以機械行業(yè)需求為指導(dǎo)。在課程實踐中，以機械行業(yè)的典型零件和裝配體為例，將制圖理論知識與先進成圖軟件應(yīng)用相結(jié)合，通過實際案例強化培訓(xùn)，使學(xué)生具備對機械行業(yè)典型零部件進行產(chǎn)品設(shè)計的工程應(yīng)用能力。學(xué)生所做的零件與裝配部件案例分別如圖2和圖3所示。支架類零件和該零件的工程圖分別如圖4和圖5所示，圖5中標(biāo)注了該零件的設(shè)計尺寸。在根據(jù)三維模型出工程圖時，學(xué)生遇到的主要難題是使用SolidWorks軟件出工程圖時會出現(xiàn)切邊有線的問

圖2 零件案例

圖3 裝配部件案例

圖4 支架類零件

圖5 支架工程圖

（2）以工程實際為抓手，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在學(xué)生具備基本的軟件建模能力后，建議他們結(jié)合工作中所遇到的問題進行思考，并提出解決方案，提高學(xué)生分析問題和解決復(fù)雜問題的能力，將學(xué)習(xí)與實踐并重。

（3）任務(wù)驅(qū)動培養(yǎng)學(xué)生。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，從簡單到復(fù)雜布置工程任務(wù)，將任務(wù)設(shè)計作為學(xué)習(xí)要素，以典型的扳手、支架和箱體類零件作為任務(wù)設(shè)計對象。將基本簡單形體建模和復(fù)雜曲面建模融入任務(wù)對象中，從而使前后內(nèi)容實現(xiàn)無縫銜接。

（4）根據(jù)先進成圖技術(shù)特點，將整個軟件分為草圖、簡單建模、復(fù)雜建模、工程圖及智能裝配5個部分，將工程案例與其聯(lián)系起來，突出各部分模塊的主要特點，將三維建模、智能裝配及工程圖出圖串聯(lián)起來，使學(xué)生可以靈活運用這些內(nèi)容，具備基本的自主設(shè)計能力。

（5）重實踐。上機實驗環(huán)節(jié)對先進成圖技術(shù)能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，針對項目案例，讓學(xué)生提前查閱相關(guān)資料，了解案例對象的產(chǎn)品特點和重難點，在進行上機實驗時，教師需因材施教，針對不同學(xué)生的問題進行回答，同時針對普遍問題及時總結(jié)并提醒，使學(xué)生積累先進成圖技術(shù)和經(jīng)驗。

（6）在培養(yǎng)學(xué)生工程能力時，將文化自信、家國情懷、科學(xué)精神、誠信品質(zhì)等課程思政內(nèi)容以潤物細無聲的形式貫穿于課程中，將大國工匠精神和案例融入學(xué)習(xí)中。這樣使學(xué)生在掌握SolidWorks三維設(shè)計技術(shù)的同時，明確工程人才應(yīng)該具備的職業(yè)操守和職業(yè)道德，從而提高學(xué)生的綜合能力和整體素質(zhì)。

4 效果評價

為了綜合判定繼續(xù)教育學(xué)生的三維設(shè)計能力，課程主要題。工程制圖對于形體相切這種組合方式，明確指出相切位置不畫線。因此在出工程圖時，需要選中切邊有線的視圖，點擊右鍵，選擇“切線”，然后選擇“切邊不可見”。從以下3個方面進行評定：①平時作業(yè)，主要是督促學(xué)生按各個模塊所學(xué)內(nèi)容進行實踐練習(xí)，通過對各個模塊的作業(yè)進行評定，教師需在課堂上再次強化學(xué)生掌握不牢固的知識點；②調(diào)查問卷，讓學(xué)生結(jié)合SolidWorks三維設(shè)計軟件幾大模塊的特點，寫出學(xué)習(xí)后的設(shè)計經(jīng)驗、設(shè)計心得及遇到的問題，來鍛煉學(xué)生的綜合能力；③期末考試，結(jié)合工程實際評定學(xué)生的先進成圖能力，在考察學(xué)生的讀圖能力和空間想象能力的同時，還會考察其對先進成圖能力的熟悉程度。

通過案例教學(xué)法與混合式教學(xué)相結(jié)合的方式，對繼續(xù)教育學(xué)生的期末考試成績進行統(tǒng)計，經(jīng)與傳統(tǒng)教學(xué)班比較后發(fā)現(xiàn)，案例教學(xué)法與混合式教學(xué)的班級優(yōu)秀率更高。兩個班級成績對比的餅形圖如圖6所示，其中，圖6（a）為傳統(tǒng)班級的成績百分比，圖6（b）為案例教學(xué)法與混合式教學(xué)的班級成績百分比，通過餅形圖的數(shù)據(jù)可以看出，采用案例教學(xué)法與混合式教學(xué)后的班級中90～100分的優(yōu)秀學(xué)生百分比明顯高于傳統(tǒng)班級中90～100分的優(yōu)秀學(xué)生百分比，說明案例教學(xué)法與混合式教學(xué)更加適合繼續(xù)教育學(xué)生。

圖6 成績對比圖

5 結(jié)語

對繼續(xù)教育學(xué)生的培養(yǎng)，需要將所學(xué)內(nèi)容與所從事行業(yè)密切聯(lián)系。SolidWorks三維設(shè)計及應(yīng)用課程不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的三維設(shè)計能力和工程能力，還能夠?qū)⑵渌鶎W(xué)的專業(yè)理論知識與工作實際相聯(lián)系，以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。目前SolidWorks三維設(shè)計軟件是在很多行業(yè)使用廣泛的一種先進成圖工具，通過學(xué)習(xí)該軟件可以輔助其他專業(yè)基礎(chǔ)課，為后續(xù)的機械類課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計提供堅實的基礎(chǔ)。通過案例教學(xué)法與混合式教學(xué)相結(jié)合，學(xué)習(xí)三維設(shè)計軟件，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低成本并提升工作質(zhì)量。