機械類專業中計算機輔助技術的作用探討

陳硯，單泉，畢長波，周云光

（東北大學秦皇島分校 控制工程學院，河北 秦皇島）

一 背景

隨著信息時代的來臨，機械專業已由純機械學科發展成為一門綜合性的學科，與信息技術、電子技術結合日益緊密，使整個制造業進入一個高速發展的新時期。機械學科正在經歷深刻變革，各種新的設計理論與分析方法層出不窮，各種計算機輔助分析設計工具大量涌現，為創新設計注入了新活力，為產品研發提供了強大動力。國家新形式的發展對高等工科院校的機械類專業學生培養提出了新的要求，機械類人才除了應具有開拓創新精神和團隊協作精神外，還應具有很強的實際操作能力、獨立分析問題和解決問題的能力。因此，必須讓學生學習將來能適應市場經濟和科技高速發展所必需的基礎知識，培養以創新能力為核心的各種能力，其中計算機輔助類知識將起到一個非常重要的作用。

二 現有的計算機輔助技術

機械類本科培養必須將專業技術應用能力和專業理論技術有機結合起來，才能有利于培養學生技術應用能力，具備分析和解決實際問題的基礎能力。將計算機輔助技術（CAX）運用到機械類專業學生的培養中，能更好地發揮課程的直觀性、實踐性、綜合性與創新性，從而增強學生的創新能力、動手能力、分析和解決問題的能力[1]。東南大學對機械工程課程體系與教學內容改革的思路為[2]：以創新設計為核心，以CAD/CAM為主線，拓寬基礎，注重實踐。王猛猛等人[3]將ADMAS、Pro/E等現代CAD/CAE軟件與機械實驗相結合，將各門機械課程的實踐教學進行優化整合，建立了三個層次的新實踐教學體系。馬杰[4]在機械專業的控制教學中引入Pro/E和MATLAB軟件，利用Pro/E軟件畫出簡單的機械結構，通過SimMechanics接口將模型信息導入MATLAB中，加入不同的控制算法，完成了倒立擺的控制仿真并通過三維動畫直觀呈現。王水林[5]分析了CAD技術在機械制圖教學中的應用維度，總結了CAD技術的三維建模在機械制圖教學中的應用策略。章泳健[6]分析了有限元分析的市場需求，指出了機械類專業開設該課程的必要性和重要性，在有限元分析課程中采用了Pro/MECHANICA軟件進行教學并對教學實踐進行了總結。曹宇男等人[7]在CAD/CAM課程的教學中，綜合采用課堂教學、上機操作、專題討論、課程實驗和綜合實踐等多種教學形式，形成一種多元化教學模式。邊宇樞等人[8]在機械設計綜合實踐課中，全面引入ADMAS、SolidWorks等多種計算機輔助設計工具，有效提升了學生將現代設計方法與計算機輔助設計手段相融合實現創新設計的能力。上述研究多從具體的課程教學實踐中通過使用各種計算機輔助技術，并證實了該類技術在教學過程中應用的有效性，但是從機械類專業的全程培養過程角度出發，探討計算機輔助類課程的內容、作用、相互之間的銜接關系以及應用層次分級等的研究較少，因此可以通過計算機輔助類課程為節點，將機械類本科培養中的眾多課程和知識點有機地連接起來，是一個較為值得研究的問題。本文基于上述思想，首先分析了計算機輔助類課程的主要內容和作用，并找出了計算機輔助類課程之間的銜接關系，然后探討了計算機輔助類課程的五大層次的應用類型，最后就計算機輔助類課程的學習途徑和軟件選取給出了建議，對現代社會的需求下的機械類專業學生的培養提供一些參考。

三 計算機輔助類課程內容、作用及聯系

計算機輔助類課程的特點是內容廣泛，在機械類專業學生培養計劃中既有專門的課程，并有更多的課程會涉及計算機輔助技術。計算機輔助技術主要內容包括計算機基礎應用、計算機編程、工程數據的計算機處理、計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）、計算機輔助工程（CAE）、計算機輔助工藝設計（CAPP）等等，貫穿于機械類專業本科培養的全過程。計算機輔助技術的特點是，既有專門的計算機輔助課程，也有包含在其他課程中的計算機輔助技術，甚至還有需要學生通過自學才能掌握的知識。計算機輔助技術的學習和應用貫穿于機械類專業的多門課程和實踐中，在學生本科培養的四年中均有體現，具體涉及的課程有大學計算機基礎、C/C++語言程序設計、機械制圖、理論力學、機械原理及課程設計、Matlab基礎與機械工程應用、機械設計和機械裝備設計及課程設計、流體力學與傳熱學、機械制造技術、數控技術、計算機輔助設計與制造、有限元分析方法、機械產品造型設計和畢業設計等。

通過計算機輔助技術的逐步深入可將上述課程緊密連接在一起。例如，通過大學計算機基礎課程的學習，讓學生掌握計算機系統及通用辦公輔助類軟件的操作方法，為適應后續的視窗類軟件的操作打下良好的基礎；通過機械制圖課程的學習，讓學生掌握AutoCAD軟件進行工程圖繪制的基本操作方法，同時要求學生自學三維CAD建模技術；通過C/C++語言程序設計課程的學生，使學生掌握計算機語言編程的基本思想和基本方法，可為后續的Matlab分析代碼的編寫打下基礎；通過機械原理/機械設計課程的學習，讓學生使用三維CAD軟件進行結構設計和運動仿真等，促使學生更加深入地掌握CAX軟件的使用方法，此外還提供給學生一些典型機構運動分析和力分析的Matlab分析M文件，以此推動學生自行學習使用Matlab軟件；通過機床裝備設計課程的學習，讓學生走進三維結構詳細設計及復雜二維工程圖的出圖、編輯和標注等深層次的應用，為后續的畢業設計做好充足的準備；通過流體力學與傳熱學、有限元分析基礎課程的學習，讓學生掌握力學原理、有限元分析原理、有限元分析過程及結果分析處理的方法等；通過Matlab基礎與機械工程應用課程的學習，讓學生進一步掌握計算機輔助分析處理方法；通過計算機輔助設計與制造、機械制造技術、數控技術、機械產品造型設計等課程的講解，通過讓學生使用三維CAD軟件對零件進行三維造型，再用CAM軟件生成數控代碼，進行數控加工軌跡仿真，最后在數控機床上把設計的零件加工出來，讓學生走通機械產品從設計到制造等的全部過程，掌握CAD/CAE/CAM/CAPP等的無縫連接使用方法，更為最后的本科畢業設計環節奠定良好的基礎。最后，通過畢業設計實踐，提高學生綜合運用所學的專業的基礎理論、基本知識和基本技能的科學研究能力，分析解決實際問題的能力，也是計算機輔助技術的綜合應用實例。

對上述涉及計算機輔助類知識的課程進行分析，可以看到，雖然計算機輔助類知識很多，但是它們之間還是有一定的先后次序關系的，而上述所涉及課程的編排，也正是充分考慮到這些知識彼此之間的聯系，目的是可以讓學生由淺入深循序漸進地學習。因此，從培養一名合格的機械工程師的角度來看，不僅要有基本的運動方案和機械結構的設計、計算、分析等的理論基礎，更需要有結構優化、機械制造、虛擬仿真等方面的應用經驗，通過對上述計算機輔助類課的逐步學習，可以較好地滿足這些要求。

四 CAX課程多層次培養

通過計算機輔助課程的教學和實踐，不但能提高學生的動手能力，并且可以使學生充分了解先進的設計和制造技術，以激發他們的學習興趣。計算機輔助課程在機械類本科培養中是逐步深入的，其作用可分為以下五個層次：

第一層次，與公共課教學相適用，包括計算機基礎操作技能的訓練，計算機編程思想的熏陶，專業英語的強化訓練等，以培養學生獲得基本的理工科素質和能力。

第二層次，與專業課教學相適應，包括機械制圖、機械原理、機械設計、數控技術等，使學生獲得專業基本技能的訓練。

第三層次，與課程實驗和課程設計相適應，包括金工實習、機械制圖上機實驗、機械原理課程設計、機械設計課程設計、機械裝備課程設計等，使學生獲得專業知識、專業技能的訓練。

第四層次，積極組織對計算機輔助課程有興趣的學生參加課外的大學生科技競賽等，如全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生工程訓練綜合能力競賽、全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽和全國三維設計大賽等等，激發學生的創新實踐熱情以及計算機輔助技術的實際應用能力。

第五層次，通過本科生畢業設計，培養和強化學生的專業綜合能力、實踐動手能力和創新設計能力，也為學生今后的工作和讀研打下堅實的基礎。

針對學生知識、能力、技能發展的階段性特點，計算機輔助課程對學生有不同的要求，如，面向大一、二年級學生，以計算機基本操作、CAD軟件的基礎學習及應用為主；面向大三、四年級學生，以CAD軟件的深入應用和CAE/CAM/CAPP等技術的學習及應用為主。

五 CAX課程學習途徑及軟件選擇

計算機輔助類課程要在機械類本科生培養中起到良好的作用，必須加大學時量的投入。但是，隨著課程改革和教學改革的發展，課內教學時數的縮減已成趨勢。因此，要較好地掌握計算機輔助課程的知識，除了在課堂上講授以外，很多內容可以放到課外自學。為此，必須更充分地利用課外時間，加大課程外實踐教學所占比重，才能保證人才培養的質量。通過深入研究發現，課內和課外相結合的途徑是多種多樣的。

第一，利用開放實驗室，或學生自己的計算機，吸引學生在課外選做上機實驗。比如，講授機械制圖過程中，除在課堂上學習AutoCAD外，還鼓勵學生自學其他的三維CAD軟件，并且在三維CAD軟件中進行實體模型的建立過程中，還可以更快地使學生掌握機械制圖課程中的一些重點、難點，如截交線、相貫線、組合體等，能夠有效地進一步培養學生的空間想象能力。

第二，對于一些因學時所限而未能設置課程設計，或者對課程設計有進一步要求時，可以根據教學內容安排一定量的具有課程設計性質的大型作業，由學生利用課外時間完成。這樣既可加強學用結合，也有利于個性化教育。如在機械原理課程教學中，可以指導對CAD技術感興趣的同學，利用三維CAD軟件建立機構的三維實體模型，然后進行運動學甚至動力學的仿真。在機械設計課程設計后，可以讓學生根據所設計的機械傳動系統，使用三維CAD軟件完成實體零件，并組裝成裝配圖，還可要求學生利用三維CAD軟件將三維實體自動生成二維工程圖，甚至還可指導對計算機輔助工程技術感興趣的同學利用CAE軟件完成機械結構的有限元仿真計算等工作。

鑒于目前主流的計算機輔助類軟件較多，如何選取合適的軟件供學生學習使用，也是一個值得考慮的問題。其實，面向機械類本科培養，主要是要讓學生對機械設計的整個流程中，如何使用各類計算機輔助類軟件，通過各類計算機輔助軟件的無縫連接，共同協助完成機械產品的設計開發任務。因此，可以通過具體的一些實例，基于某一種或幾種計算機輔助軟件，將機械設計/分析/工藝/制造等過程走通是最為重要的。目前市場上的一些主流通用的計算機輔助軟件，多數都是CAD/CAE/CAM一體化軟件，均能滿足機械類本科培養的要求。

六 結語

通過計算機輔助類的知識、方法和技能，將機械類本科培養中的所涉及眾多課程有機地連接在一起，并將貫穿于本科培養的全過程。通過對計算機輔助類知識的循環迭代學習以及具體實例的計算機輔助設計、分析和制造過程等實踐操作，讓學生對產品設計過程有一個完整的認識和體驗，必定對提高學生的專業綜合能力、實踐動手能力以及創新設計能力等都大有益處。