計算機輔助技術在高職院校機械設計教學中的運用探思

徐 創(chuàng)

（廣東松山職業(yè)技術學院 廣東韶關 512000）

如今機械設計領域正處于突飛猛進的發(fā)展狀態(tài)，傳統(tǒng)機械設計教學模式已經(jīng)無法完全滿足新時代高職學生的實際發(fā)展需求。機械設計在計算機技術相對落后的情況下，只能通過粗略計算處于靜止狀態(tài)的形體來實現(xiàn)設計目標，該類計算方法所得設計結果存在一定的不合理性而且工作效率比較低，不利于設計者有效把握設計精度。隨著計算機輔助技術在機械設計中的持續(xù)應用，可充分利用電子技術建立數(shù)學模型并進行科學計算，實現(xiàn)精簡型動態(tài)設計。目前高職教育已逐步將機械設計納入教學重點，在教學實踐中應注重計算機輔助技術與機械設計深度融合，力求提升教學實效的同時，培養(yǎng)更多滿足新時代發(fā)展需求的專業(yè)英才。

一、簡析計算機輔助機械設計的優(yōu)勢

（一）有利于提高機械設計效率

計算機輔助設計技術能將機械設備內部配件的功能特性予以立體展示，計算機設備中的計算程序能確保機械設計工作順利開展，并通過相應的計算機輔助程序來提高機械設計工作的計算精準度。采用計算機輔助機械設計技術既能節(jié)約人力資源成本又能實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)的自動運算，使設計人員的工作強度得到大幅度降低。計算機輔助設計技術應用于機械設計領域，能結合客戶要求快速修改機械產(chǎn)品使其更加完善，進一步體現(xiàn)機械設計工作的便捷與合理性。相關工作人員在使用輔助程序修改原有方案時，能夠減輕自身工作壓力，在深度優(yōu)化傳統(tǒng)機械設計模式的同時，進一步提高機械設計工作質量及效率。[1]

（二）有利于提高數(shù)據(jù)處理精準性

眾所周知，機械設計工作對數(shù)據(jù)的準確性要求較高，采用計算機輔助技術創(chuàng)建相應的設計平臺，并結合相應的監(jiān)控功能實時進行相關數(shù)據(jù)的監(jiān)管，以此提高相關數(shù)據(jù)的編輯與修改效率。在出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤時，機械設計人員可通過計算機輔助設計系統(tǒng)直接進行簡單的操作即可完成相應的數(shù)據(jù)修復，以便于他們能及時發(fā)現(xiàn)并妥善處理設計環(huán)節(jié)存在的各種疏漏，進而科學化處理各類信息并及時上報。在計算機輔助機械設計過程中，可充分利用現(xiàn)代CAD 技術進行相關數(shù)學建模，無須耗費過多人力、物力等資源就能最大限度還原三維立體實物，而且還能有效確保該類模型的穩(wěn)定性。在機械設計投入市場之前，可設專人負責模型檢測，從根本上消除機械設計所蘊含的各類安全隱患。除此之外，還可以利用計算機信息系統(tǒng)打破原有時間與空間方面的局限，充分發(fā)揮計算機超強的控制、計算能力，全方位分析設計參數(shù)并多角度監(jiān)管機械產(chǎn)品的設計效果，有利于減輕各類資源的不必要浪費，并提高機械產(chǎn)品設計的實用性。[2]

（三）有利于縮短機械設計工作周期，使零件的修改設計更加便捷

計算機輔助機械設計能在縮短機械項目設計周期的同時減輕設計人員的工作量，機械設計活動亦無須投入過多人力成本，減輕設計師的工作壓力。工程項目設計人員在遇到某些機械設計人員可針對復雜型機械結構，使用CAD 等計算機輔助設計軟件快速展現(xiàn)三維立體的設計模型，將零件的煩瑣結構以簡易的零件組合模式充分體現(xiàn)出來，不僅能降低設計難度還能切實提高設計工作的科學性。充分利用計算機輔助技術能避免機械設計環(huán)節(jié)的時間被過度浪費，而且設計人員在重新組裝簡易零部件時，還可以對其進行合理改良，以便于機械設計得到進一步創(chuàng)新。雖然機械設計在實操過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各類影響整體功能與設計效果的弊端問題，但設計人員可根據(jù)相應的設計要求及工作特性對其進行有效調整與改進。由于傳統(tǒng)機械設計多采用手繪等方式落實相關設計活動，一旦存在設計問題，勢必會增大修改難度，甚至可能需要重新繪制相關設計圖紙。而計算機輔助機械設計，則可輕松規(guī)避此類問題，它能在整體設計中模擬機械產(chǎn)品的裝配環(huán)境，并有效推演更換零件的相關流程等，使機械設計工作更加簡單、便捷，既能有效提升整體性的機械設計成果，又能合理控制機械設計成本。[3]

二、傳統(tǒng)高職院校機械設計教學中存在的問題

（一）題目單一且時間有限

傳統(tǒng)機械設計領域的課程設計題目多以帶式運輸機傳動系統(tǒng)設計為主，其中減速器的種類頗多（如齒輪/蝸桿減速器、蝸桿齒輪減速器等）。對于基礎薄弱的高職學生來說，他們在設計工作中可能會接觸到一級直齒圓柱齒輪減速器，而且相關教師會給不同小組學員提供不同類型的設計參數(shù)。之所以會使用單一題目，主要是想降低學習難度，確保學生能用書本上的知識解決實質性問題。但是，網(wǎng)絡中的課程設計資料很多，若高年級的學生將設計資料進行外傳，極有可能會出現(xiàn)嚴重的抄襲現(xiàn)象。而且該類題目太過具體化，導致學生學了斜齒輪、蝸桿等之后無法將其有效應用，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

傳統(tǒng)課程設計一般都在相關課程結束后的半個月之內完成，課程設計內容包括電動機選型、傳動系統(tǒng)參數(shù)計算以及齒輪傳動、軸系等方面設計。各類零件都需要校核（如鍵、軸承等），學生應提交相關的裝配圖、零件圖以及說明書等資料。整體計算過程大約需要3—5 天，因為繪制裝配草圖相當耗時間。教師相應對其進行有效批改，而學生也應做好相應的返修工作，直到草圖無誤后才能對其進行后續(xù)完善。在機械設計比較倉促的情況下，部分學生會完全選擇參照例圖進行公差標注等操作，以至于最終的設計結果與實際需求并不相符。也有部分學生，沒時間校核軸或軸承等，在未進行深層次思考的情況下，極易滋生為了完成相關設計任務而選擇抄襲，不利于機械設計工作的有效開展。[4]

（二）教學理念、模式相對落后

高職院校機械設計教學中的傳統(tǒng)理念早已在教師心中根深蒂固，他們頗為重視理論方面的知識講授，并未真正意識到理論與實踐相結合的意義所在，導致學生對相關教學活動的主動性大幅度降低。學生無法真正弄懂相應的教學內容，教學效果也會因此受到不良影響。畢竟，機械設計屬于一種系統(tǒng)龐大且復雜性較強的課程體系，高校在縮短課時的情況下，會導致學生無法全面獲取綜合性較高的機械設計知識，不利于增強學生在機械設計綜合網(wǎng)絡平臺，提高自身分析、解決問題的能力。盡管很多企業(yè)早已不用手工制圖的方式進行機械設計工作，改用現(xiàn)代CAD 技術，奈何學校教育相對滯后。學生依然采用傳統(tǒng)手工方式制圖，對CAD 等先進軟件技術的認識與使用都比較薄弱。機械設計教師為了防止學生抄襲，才要求他們進行手工制圖，但若因為害怕學生抄襲而杜絕制圖軟件的使用，則不利于學生緊跟時代的步伐接觸前沿技術。因為傳統(tǒng)課程設計模式，一旦有某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤，就會導致大規(guī)模返工，耗時又費力。因此，設計思路應從創(chuàng)建三維模型入手，在裝配順利且相關運動互不干涉，并確保強度校核無誤的前提下，利用現(xiàn)代計算機技術生成二維圖紙，然后再對其進行試制。[5]

利用三維軟件輔助設計能確保修改模型中的某個參數(shù)之后，其他參數(shù)也會同步變化，并生成新的模型設計圖紙。所以，學生應積極學習并將三維制圖軟件使用技術充分運用到課程設計當中，以便于更好地進行自我完善。機械設計本身就屬于實踐性較強的專業(yè)，合理的實踐教學能起到事半功倍的效果。對于學生來說，他們可將所學的理論基礎知識在實踐過程中從機械結構、工藝等方面進行應用，獲取更多新的思想認知，并有效解決實踐環(huán)節(jié)存在的相關問題。若機械設計僅注重于理論知識方面的教學，則不利于強化學生對理論知識的理解與掌握，更不利于培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力，教學效果也會大打折扣。

三、計算機輔助技術在機械設計中的具體應用策略

（一）優(yōu)化機械設計課程體系

機械設計課堂教學應以學生為中心，著重構建完善的知識系統(tǒng)并注重于培養(yǎng)學生的能力，使之成為滿足新時代發(fā)展要求的一體化課程體系。課堂教學不僅是單純的理論講解，還應通過實操讓學生明白計算機輔助設計技術的使用原理，確保機械設計與機械制造等方面的課程理論知識能被合理化綜合運用。讓學生在學習過程中能把設計、繪圖以及制造等環(huán)節(jié)緊密關聯(lián)，建立三維技術的全新機械設計系統(tǒng)，深入淺出地歸納繪圖環(huán)節(jié)的設計方法及原理，使學生善于總結設計方法，而非研究軟件本身，進而培養(yǎng)出工作態(tài)度嚴謹且創(chuàng)新能力較強的設計人才。

在課堂教學內容方面應充分考慮學生的學習需求，而非教師想教什么就教什么。機械專業(yè)就業(yè)面廣，學生可從事機械設計制造、工藝規(guī)程以及機械設計技術管理等，教師可圍繞學生的就業(yè)與發(fā)展需求，進行機械產(chǎn)品設計通用方法的歸納與講解，以圖文并茂的直觀方式，搭配通俗易懂的語言話術，從特征建模到裝配設計等逐個環(huán)節(jié)進行有效講解，直到后續(xù)工程圖的建立，以確保更多學生都能聽懂相關課程內容。

積極改進當前的教學方法，把原來的被動型知識灌輸模式逐步轉變?yōu)楝F(xiàn)代技術指導模式進行教學，比如采取零件加工方式來確認建模流程時，首先應指導學生進行零件分析，了解計算機軟件的實操方法，指導學生探索零件加工方法并引導其正確選用相關的零件草圖，必要時還應為學生做出相應的示范直到順利完成教學目標。如此，便能增強學生對機械設計的學習積極性，同步提高他們的課堂參與度及解決問題的能力。引導學生在機械設計工作中充分利用CAD 軟件程序，并了解其各項功能，以便于更好地完善相關模型。值得一提的是，機械設計教師應指導學生嚴格執(zhí)行相關規(guī)定并確保他們能夠依照設計原理進行各環(huán)節(jié)的零部件排序，采用布爾運算技術達到合理布局零部件的效果。充分利用計算機輔助設計技術有效改變零件狀態(tài)，使其滿足實際工程項目的各項指標要求，進而完善機械產(chǎn)品的實體模型，力求整體機械裝配圖保持自身應有的科學性及完整性。

（二）應用于三維造型

計算機輔助設計技術主要是通過三維造型設計來完善機械設計工作，利用計算機輔助程序立體化顯示三維機械產(chǎn)品的實時信息，使設計人員的思路更加清晰，以便于他們能夠以直觀、快速的方式有效調整或修改當前的設計方案，使整體設計效果達到最佳。計算機輔助設計軟件能夠整合并分析原有機械設計版本，并為后續(xù)產(chǎn)品的優(yōu)化升級提供有力的技術支持。既能快速優(yōu)化三維造型效果，又能提高計算機輔助技術的應用質量與效率，使機械設計更加精準。有利于學生全面細致地認識機械設計模型，使其能直接在計算機軟件中快速調整相應的數(shù)據(jù)信息，大幅度提高機械設計問題的修改效率。由于傳統(tǒng)機械設計作品中常會涉及電子文檔類型的標注或說明，該類文件資料通常需要手動操作。利用計算機輔助技術則可根據(jù)所創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型形成自動化的電子文檔，能有效節(jié)約機械設計的時間成本。[6]

（三）應用于工程分析、結構優(yōu)化調試以及逆向工程等

機械設計應根據(jù)機械產(chǎn)品的功能要求，合理分析其力學結構與性能。采取動力學建模分析并嚴格落實CAD 程序工程分析與結構調整等方面工作。充分利用計算機軟件系統(tǒng)將機械產(chǎn)品的三維實體模型直接導入有限元分析程序之中，即可對相關結構進行有效改進與優(yōu)化，并針對設計中的碰撞問題、材料強度以及運動狀態(tài)等進行細致化認證。對于機械設計來說，有時也會通過逆向工程的形式完成機械設計任務。畢竟逆向工程設計技術比較先進，能切實滿足當下行業(yè)發(fā)展的最新需求。因此，必須結合最新科研成果持續(xù)創(chuàng)新并完善逆向工程設計技術，然后利用計算機輔助技術及新型CAD 制圖軟件，采取測量坐標的方式使逆向工程轉變?yōu)樘摂M模型，最大限度減輕逆向工設計在應用過程中的工作壓力，以此提高其應用效率及整體機械設計水平。

結語

綜上所述，計算機輔助設計技術能夠減輕機械設計人員的實際工作量，以理論與實踐相結合的方式提高設計人員處理問題的能力。在提高機械設計智能化水平及信息處理效率的同時，有效解決了傳統(tǒng)教學模式中的各種弊端問題，既能避免人工失誤又能節(jié)約成本，有利于高校在培養(yǎng)高端人才的同時推動機械設計行業(yè)的進一步發(fā)展。