新工科背景下三維造型融入機械設計課程的教學研究與實踐探索

紀斌　陳興燕　孫書蕾

［摘 要］新工科理念的提出為高校培養制造業人才指明了新方向。機械設計作為機械專業重要的設計基礎課，在培養學生的工程實踐能力和創新設計能力方面具有舉足輕重的作用。文章基于新工科背景下機械設計的發展方向，剖析了課程教學存在的問題，將SolidWorks三維造型融入機械設計課程教學全過程，彌補了學生理論脫離實踐的問題，提高了課程教學質量，培養了學生的實踐與創新能力，加深了學生對行業的認識，對培養滿足新工科需求的機械專業人才具有重要的意義。

［關鍵詞］新工科；機械設計；創新設計；三維造型

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）08-0059-03

為了應對新工業革命帶來的新一輪挑戰，積極響應“中國制造2025”“互聯網+”“中國教育現代化2035”“十四五”規劃等重大戰略要求，支持服務新經濟、新產業的發展，聚焦破解關鍵核心技術“卡脖子”的問題，教育部高度重視制造業人才的培養，積極推出一系列政策和措施推動新工科建設，鼓勵高等院校積極探索建設“新工科”的發展路徑。隨著“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”的形成，全國高校陸續掀起了探索新工科發展的熱潮。因此，培養滿足產業需求、工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新興工程科技人才逐漸成為高校人才培養的新目標。機械設計課程作為機械設計制造及其自動化、車輛工程、機器人工程、飛行器制造工程、智能制造等新工科相關專業的基礎平臺課，在專業人才培養方案課程體系中具有承前啟后的橋梁作用。機械設計課程作為一門綜合性、應用性、實踐性比較強的設計性課程，旨在培養學生的工程實踐能力和創新設計能力，與新工科對人才培養的要求不謀而合。筆者結合自身的教學經驗，總結了機械設計課程的發展現狀和課程教學存在的問題，提出將三維造型課程融入機械設計課程教學實踐中，以達到提高教學質量的目的。

一、新工科背景下機械設計的發展趨勢

一部機器的質量基本取決于設計質量，而制造過程對機器質量起到了至關重要的作用，本質在于達到設計時所規定的質量要求，因此，機器的設計階段是決定機器好壞的關鍵[2]。隨著機械類產品在設計方式和設計理念上的不斷創新，通過借助計算機和信息化等新型技術，可以更好地提高產品整體的工作性能及結構的穩定性能[3]。機械設計跟不上未來對產品的要求是我國機械設計方面面臨的比較突出的問題。傳統的機械設計是以經驗和直覺為基礎，以現有的計算公式和設計手冊為主要手段，存在設計方法單一、缺乏靈活性和創新性、設計周期長、產品綜合性能差等缺點。隨著新經濟與新技術的發展，利用傳統方法設計的產品已無法滿足現代市場的需求。因此，需要打破傳統設計方法的束縛，發展融入現代應用數學、力學、信息科學和微電子學等學科的現代設計方法，實現分析與設計方法的革新。同時要利用最新的技術取代經驗類比法，將設計分析定量化、系統化；利用動態設計、可靠性設計、優化設計、并行設計、自動化設計等現代設計方法是提升我國現代設計水平和產品競爭力的有效手段，也是推進新工科高質量建設的必經之路。

二、機械設計課程教學問題剖析

（一）課程內容

機械設計課程研究的對象是機器的各類常用零部件，主要探討零部件的類型、應用場合、工作情況、失效形式和設計準則。該課程的內容分布從結構上為總分的形式，總論部分簡略地介紹了機器和零部件設計的基本概念和相關的基礎理論，具體包括設計步驟、設計要求、設計準則和設計方法、強度理論、材料選擇、摩擦磨損等。后續內容主要根據零件在機器中的作用分為連接、機械傳動、軸系和其他零部件四大部分，圍繞零部件應用、工作情況分析、失效和設計等相對固定的框架具體展開。每一章節都是新的內容，章節內容彼此孤立，無明顯邏輯關系。同時，在對零部件進行設計分析的過程中，需要用到數學、力學、工程材料及成形技術、機械原理等相關的基礎知識。圖紙作為工程界的語言，貫穿整個設計過程，機械制圖和互換性與測量技術是識圖、讀圖和作圖的基礎。機械設計課程內容繁雜、知識涉及面廣、理論推導困難、公式和圖表多是機械設計課程的主要特點。

（二）學生學情

機械設計課程的開課對象通常為大三學生，通過大一、大二兩個學年對學科基礎課程的學習，學生基本具備了學習機械設計課程的基礎理論。然而，大三學生缺少了初入大學時的熱情也是現如今高年級學生普遍存在的現象。一方面，由于大學前兩年主修的是通識類課程，導致學生對專業認識不夠、定位不清晰，缺乏學習熱情。此外，高等數學、物理、理論力學等學科課程學習難度大，一定程度上打擊了部分學生學習的自信心和積極性。另一方面，機械設計課程本身的理論性與實踐性比較強，學生缺乏工程實踐的經驗，無法將枯燥的理論知識應用到生產實踐，在一定程度上打擊了學生的學習興趣，導致學生的知識獲得感不足。然而，作為信息時代的青年大學生，動手能力強、思維活躍，在獲取信息和計算機應用上又具備一定的條件和優勢，因此能夠充分融合線上線下資源開展學習。

（三）教學資源

機械設計課程作為一門傳統課程，其教學資源相對穩定，教材選擇性廣，與教材配套的教學PPT圖文并茂，輔助教學的實驗設備基本滿足傳統的教學需求。在教輔方面，系統完整的資源庫、案例庫相對較少，特別是融入新理念、新方法的配套資源欠缺，與教材配套的習題相對較少且缺乏創新性。隨著科學技術的進步，傳統的資源已然跟不上信息化、智能化的需求，因此，如何幫助學生解決從理論到實踐，從抽象到具體，從平面思維到立體思維的轉變也是建設課程資源和培養新工科人才迫切需要解決的問題。

（四）教學現狀

機械設計課程的教材主要選用經典教材，工程案例偏少，附圖主要是二維圖形，內容沒有及時更新，反應學科領域新理論、新技術的內容欠缺，且未能較好地融入現代設計的理念。在課堂教學方面，隨著信息技術的發展，在“互聯網+”新教育形式、“新工科”“課程思政”等新教育理念的推動下，高校教師在課堂教學改革上雖然開展了一些研究，也嘗試引入了新的教學模式，但傳統教學方式的影響根深蒂固，導致教學改革難以發生質的改變。教學學時縮減、教學內容未能合理設置、配套實踐環節總學時占比低等因素，導致學生主體地位不突出，學習成果達成度不理想。因此，如何提高學生的學習參與度和獲得感，培養與時代接軌的工程人才依然是工科院校面臨的挑戰。

三、融入三維造型的機械設計課程教學研究與實踐

機械設計課程研究的對象是實體，利用三維造型軟件構建實體模型并應用到教學全過程。這樣不但可以實現課程的有效融合，還能加深學生對工程問題的理解，提高學生的課堂參與度，有助于培養學生的工程應用能力和創新設計能力。目前，機械類專業使用的三維造型軟件主要有SolidWorks、UG、Pro/ENGINEER、CATIA等，其中SolidWorks相對容易操作，獲得了眾多高校師生的青睞。利用SolidWorks進行機械產品設計是一種適應科技發展的現代設計方法，產品的零件設計、裝配設計、仿真分析等產品開發環節都涵蓋其中，而將SolidWorks三維造型融入機械設計課程的理論教學、實驗教學和課程設計等環節同樣是教學改革的一種手段。

（一）配置基于SolidWorks的機械設計課程教學資源

配置實體視頻資源可以加深學生對研究對象的理解。首先，利用SolidWorks構建包括螺紋連接、鍵連接、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動、滾動軸承、軸等與教學內容匹配的實體模型庫。其次，制作SolidWorks三維動畫并配以機械設計對應的知識點旁白，構建視頻資源庫。最后，對于裝配分析和力分析這類比較難的知識點則單獨構建資源庫服務課堂教學。將機械設計知識與SolidWorks軟件制作的實體動畫等課程資源應用到實際教學中，幫助學生更好地理解工程知識，形成工程思維。

（二） 融入SolidWorks的機械設計課程教學實踐

培養滿足新工科要求的人才，應充分發揮以學生為中心、教師為主導的作用，在堅持以學習成果獲得為目標的同時，需注重拓寬學生的視野。在“互聯網+教育”這一新的教育生態環境下，課程教學正逐漸從傳統模式向線上線下相結合的新模式轉變。通過整合傳統與網絡資源，利用各類教學平臺輔助教學，從而引導學生獨立學習，提高學生的學習參與度，進而達到提高教學質量的目的。有了網絡與教學平臺的支撐，在整個教學過程中，各類資源的應用和融入也變得簡單方便。

1.SolidWorks貫穿理論教學全過程

一次完整的課堂教學應該包含課前預習—課中教學—課后復習三個階段。在課前預習環節，將前期制作的基于SolidWorks的課程資源發布在雨課堂、清華在線等平臺上，讓學生觀看視頻，并總結收獲。區別于MOOC視頻，此類課程資源主題明確，學生在觀看的過程中不同于傳統的聽課方式，而更像在看一部紀錄片，進而更能激發學生的學習興趣。如在講解螺紋連接的類型之前，將螺栓連接、雙頭螺柱連接、螺釘連接和緊定螺釘連接的預習視頻分享給學生，讓學生提前發現不同類型的螺紋連接的特點，了解其結構差異、連接場合。在課堂教學過程中，教師可以充分發揮主導作用，引導學生談談收獲。如螺栓這類標準件在SolidWorks的設計庫中就有不同的結構類型。教師可以利用這些資源拓寬學生的工程視野，而非局限于課本固有的類型。同時，通過這種方式能夠幫助部分識圖能力較弱的學生更好地理解教材中的裝配圖中的連接裝配關系，增強學生的學習信心。在課后復習環節，學生可以利用這些資源對學習內容進行查缺補漏。

2.SolidWorks在實驗環節的應用

機械設計課程作為一門實踐性較強的課程，配套有一定的實驗學時。如對帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等不同傳動類型的性能測定、軸系結構的設計、機械綜合等實驗。但在教學過程中不難發現，實驗效果并不理想，與預期目標存在差異。比如對于一些驗證性的實驗，由于設備陳舊導致靈敏度不夠，存在檢測數據不精確的現象。利用SolidWorks的零件設計、裝配設計和仿真分析等功能，可以增設一些仿真實驗。比如在做帶傳動性能測定實驗時，由于皮帶使用時間久，容易發生變形，導致檢測結果不準確，然而，通過SolidWorks建模進行帶傳動運動仿真分析，可對實驗結果進行補充完善。在做設計性實驗時，如軸系的設計，由于設計過程本身就是一項創新活動，加上實驗條件的限制，導致部分學生創新設計的方案沒有與實體匹配，導致最后裝配不出來。利用SolidWorks輔以裝配，形成對比試驗，能夠使實驗效果更佳，更具有說服力。模擬仿真實驗可以豐富實驗教學方式，從而反哺理論學習，幫助學生達到學以致用的目的。

3.基于SolidWorks的機械設計課程設計

機械設計課程設計是將理論知識應用于實踐的過程，通過這一環節，學生可以初步掌握簡單機械的設計方法和步驟，是培養學生設計技能的重要環節。減速器廣泛存在于各類機器中，是一類典型的傳動系統。由于其組成零件類型比較完整，因此是用于綜合訓練的不二選擇。傳統的課程設計要求學生完成設計計算，并繪制出典型零件的零件圖和減速器裝配圖。學生由于缺乏工程經驗，設計出的作品不夠精細，因此無法直接應用到實際。當加入SolidWorks建模、裝配以后，學生可以充分了解設計中的零件，然后進行計算、建模、裝配，從而發現理論設計與實際裝配之間存在的問題，及時完善設計，真正達到培養學生工程知識應用的目的，同時幫助學生與行業接軌，轉變陳舊的、按部就班的設計思路。

四、結語

基于SolidWorks三維造型的機械設計課程教學實現了理論課程與應用課程的融合。學生在學習的過程中不但能夠學習設計理論知識，還能夠利用SolidWorks把設計結果呈現出來，這是對三維造型課程的又一次應用與提升。同時，利用SolidWorks實體造型功能將各類零件實體模型帶入課堂，實現了從抽象到具體的轉變，在一定程度上解決了學生脫離工程實際，無法將理論學習與工程應用相聯系的問題，使得課程學習更具吸引力。在實踐環節，將SolidWorks用在具體機械裝置的設計中，不但培養了學生新的設計思維，使學生明白學以致用的道理，而且加深了學生對專業、對課程以及對未來行業的了解，形成工程思維，提升工程實踐能力。基于SolidWorks三維造型的機械設計課程，使得學生對理論知識的掌握和工程應用能力都得到了提升，為機械專業培養滿足行業要求的新工科人才打下了基礎。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 葉民，孔寒冰，張煒. 新工科：從理念到行動[J].高等工程教育研究，2018（1）：24-31.

[2] 濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2019：6.

[3］ 杜東平.淺談現代機械設計方法與未來機械設計[J].中國設備工程，2019（12）：168-170.

[4］ 劉軍，張濤.基于新工科背景的機械設計課程創新[J].機械設計，2020，37（S2）：268-270.

[5］ 熊宗團. 三維CAD 技術在機械設計中的運用分析[J].科技創新導報，2019，16（12）：117.

[6］ 常思江，衛東華.“新工科”背景下專業課程“金課”建設探索：以南京理工大學武器發射工程專業為例[J].高教學刊，2020（33）：6-10.

[7］ 章培培，王東生.新工科背景下《機械設計》金課教學方法探析[J].銅陵學院學報，2021，20（3）：123-125.

［責任編輯：黃緊德］