基于三維技術(shù)的機械專業(yè)實踐教學(xué)的改革與實踐

張秀梅 王偉

[摘要]本文是以三維技術(shù)為中心，將機械專業(yè)一直沿用的傳統(tǒng)的二維實踐教學(xué)進(jìn)行改革，借助計算機和三維圖形軟件，將三維技術(shù)應(yīng)用到機械專業(yè)的實踐性教學(xué)，提高學(xué)生實踐能力。

[關(guān)鍵詞]三維技術(shù) 機械專業(yè) 實踐教學(xué)

前言

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，制造業(yè)已進(jìn)入數(shù)字化時代，三維技術(shù)應(yīng)用也越來越廣泛，其應(yīng)用已遍及機械設(shè)計以及制造相關(guān)行業(yè)。傳統(tǒng)的二維設(shè)計無法做到結(jié)構(gòu)分析、運動機構(gòu)分析和數(shù)控加工，不能真正做到生產(chǎn)的自動化，三維技術(shù)利用計算機提供的一個三維空間，設(shè)計人員可以直接在這個三維空間里建造物體的模型，表達(dá)自己的設(shè)計意圖，對幾何形體描述更真實、更準(zhǔn)確、更全面。隨著機械三維技術(shù)的廣泛應(yīng)用，相關(guān)行業(yè)也急需大量掌握此技術(shù)的人才。

作為培養(yǎng)社會所需要的應(yīng)用型人才的高等學(xué)校，實踐教學(xué)是其專業(yè)教學(xué)計劃中重要的組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高動手能力的重要平臺。

本文針對我校機械工程學(xué)院的實際情況，結(jié)合我?，F(xiàn)有條件和三維應(yīng)用軟件，在機械類實踐教學(xué)中，以三維設(shè)計為中心，以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目的，將機械專業(yè)一直沿用的傳統(tǒng)的二維實踐教學(xué)進(jìn)行全面的改革，借助計算機和三維圖形軟件（如Solidworks、Pro/Engineer等），將三維技術(shù)應(yīng)用到機械專業(yè)的實踐教學(xué)（如課程設(shè)計、專業(yè)綜合實驗、畢業(yè)設(shè)計等）中，一方面能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面也能提高年輕教師的科研能力。

一、機械專業(yè)實踐教學(xué)實施中存在的普遍問題

目前專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的課程設(shè)計內(nèi)容陳舊，其創(chuàng)新和改革不夠，在學(xué)生綜合分析、解決問題的能力培養(yǎng)上存在明顯欠缺，不能很好地適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的飛速發(fā)展要求。以機械原理課程設(shè)計和機械設(shè)計課程設(shè)計為例，機械原理課程設(shè)計的實施是先由指導(dǎo)教師指定一個具有代表性的題目（如：牛頭刨床主運動機構(gòu)）。然后學(xué)生按照教師指定好的人員組合和設(shè)計規(guī)范完成課程設(shè)計任務(wù)。這種方法雖然有許多優(yōu)點，學(xué)生也能按部就班地完成設(shè)計任務(wù)，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計算機技術(shù)的快速發(fā)展，這種方法已顯得較為落后，不能滿足社會對復(fù)合型人才發(fā)展的需要，也不能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性。課程設(shè)計過程中通常采用：圖解法輔助解析法來完成。用圖解法主要是對所研究機構(gòu)進(jìn)行運動和受力的分析，這種方法具有清晰、直觀等優(yōu)點，但也存在作圖復(fù)雜、工作量大、精度低、效率低等缺陷。而采用解析法主要是指導(dǎo)教師將已編好的計算程序交給學(xué)生，由學(xué)生上機輸入并調(diào)試程度，進(jìn)行計算，將計算結(jié)果與圖解法所得結(jié)果相比較，它只是起到對圖解法的結(jié)果進(jìn)行檢驗的作用，而且計算的結(jié)果是以數(shù)字的形式顯示，不清晰，不直觀。這樣做的結(jié)果，不僅工作量較大.使設(shè)計變得枯燥無味.而且也吸引不了學(xué)生對應(yīng)用計算機解決實際問題的興趣。

相似的情況還出在機械設(shè)計課程設(shè)計中，題目單一，重復(fù)率高，學(xué)生相互抄襲的現(xiàn)象比較普遍，也挫傷了一部分學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。機械設(shè)計課程設(shè)計基本上沿用同一設(shè)計題目：“雙級或單級圓柱齒輪減速器設(shè)計” 它涵蓋了“機械設(shè)計”課程中大部分內(nèi)容，該設(shè)計題目對培養(yǎng)學(xué)生掌握通用零部件、機械傳動裝置或簡單機械的設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法和手段解決工程實際問題的能力是極其有效的。為了避免學(xué)生之間的相互抄襲，不少學(xué)校提出了多套課程設(shè)計的題目。盡管多套題目可以避免學(xué)生之間的相互抄襲，但是設(shè)計手段仍然不夠現(xiàn)代化。學(xué)生設(shè)計的成果仍是二維平面圖紙，但是二維視圖表達(dá)，無法預(yù)防干涉情況的發(fā)生。

二、基于三維技術(shù)的機械專業(yè)實踐教學(xué)方法和手段

（一）采用案例式教學(xué)

教學(xué)案例的使用可以追溯到1870年前后的哈佛法學(xué)院，第一次世界大戰(zhàn)后被哈佛商學(xué)院采用，現(xiàn)在已經(jīng)推廣到多個學(xué)科。在實踐教學(xué)中采用案例式教學(xué)，能很好地將三維技術(shù)與機械行業(yè)的專業(yè)知識結(jié)合起來。通過以機械原理中曲柄滑塊、曲柄搖桿機構(gòu)等典型四桿機構(gòu)為案例，在機械原理課程設(shè)計中進(jìn)行機構(gòu)運動分析的教學(xué)；以機械設(shè)計課程中的零件，如：軸、鍵等典型零件為案例，進(jìn)行零件強度校核的教學(xué)。由于在實踐教學(xué)中的這些機構(gòu)比較抽象，在課程的教學(xué)中引入案例教學(xué)法使學(xué)生從感性認(rèn)識逐步上升為理性認(rèn)識，再通過課程設(shè)計和實驗回歸于實踐，這一過程符合認(rèn)知的一般規(guī)律。

（二）加強實踐環(huán)節(jié)力度

1）在專業(yè)課程的實踐教學(xué)過程中，如：機械原理、機械設(shè)計、數(shù)控編程等課程，布置相應(yīng)的題目，讓學(xué)生利用三維軟件進(jìn)行練習(xí)，尤其是在相關(guān)課程的課程設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)強調(diào)學(xué)生利用三維軟件完成相關(guān)設(shè)計。在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，在題目的設(shè)置和設(shè)計任務(wù)中，要求學(xué)生利用相關(guān)三維軟件完成設(shè)計。

2）積極組織學(xué)生參加各種機械專業(yè)類的三維競賽：大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、全國三維數(shù)字化創(chuàng)新大賽等。

3）我院不僅在機械CAD/CAM課程的教學(xué)中增加了學(xué)生實際操作的時間。還在課程結(jié)束之后，還專門安排一周的上機實踐環(huán)節(jié)，利用三維軟件進(jìn)行實練操作，以加強和提高學(xué)生實踐水平能力。

（三）建設(shè)基于三維技術(shù)的機械專業(yè)實踐教學(xué)團(tuán)隊

三維技術(shù)所涉及的相關(guān)課程及其專業(yè)知識非常豐富，要提高三維技術(shù)教學(xué)質(zhì)量，一支高素質(zhì)的教師隊伍是必不可少的。為此，我院成立了三維技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊，團(tuán)隊成員既要有教學(xué)經(jīng)驗豐富的，也要有多年從事工程實踐的、還要有熟練掌握計算機技術(shù)的年輕教師。團(tuán)隊成員不僅從事專業(yè)課程的教學(xué)，同時也要對三維技術(shù)的應(yīng)用有較多的研究。

三、基于三維技術(shù)的機械專業(yè)實踐教學(xué)的改革實踐

在機械專業(yè)學(xué)生必須進(jìn)行的課程設(shè)計的實施過程中，第一步，在設(shè)計手段方面的結(jié)合先進(jìn)的計算機輔助設(shè)計三維軟件，對課程設(shè)計內(nèi)容和形式進(jìn)行一定的創(chuàng)新；第二步，在前面的基礎(chǔ)上，增加課程設(shè)計的題目數(shù)量。

以機械原理課程設(shè)計中牛頭刨床為例來介紹一下在實踐教學(xué)中利用三維技術(shù)（如SolidWorks）進(jìn)行設(shè)計。

1）參數(shù)化構(gòu)件庫的建立及實體裝配

為了實現(xiàn)構(gòu)件的快速建模和避免重復(fù)性工作，建立一些常用構(gòu)件的三維參數(shù)化模板庫，用戶可以在特征模板中查詢和調(diào)用各種構(gòu)件模型。在這一部分，主要完成各桿件進(jìn)行三維建模，完成模型庫。

2）裝配信息的提取與轉(zhuǎn)化

在SolidWorks環(huán)境中，裝配好的機構(gòu)并不能直接用于機構(gòu)分析，必須提取出裝配體的配合特征信息，并將其轉(zhuǎn)化為機構(gòu)分解與分析所需要的拓?fù)湫畔⒑徒Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

3）結(jié)構(gòu)分解及型轉(zhuǎn)化單元的分析模型

識別出結(jié)構(gòu)分解所需要的信息后，將機構(gòu)分解為機架、主動件和有序單元組（虛擬單構(gòu)件、雙桿組、約束單構(gòu)件）。

4）運動分析與仿真的實現(xiàn)

機構(gòu)分解完成后，通過設(shè)置主動件的運動參數(shù)，從而實現(xiàn)對整個機構(gòu)的運動分析。通過定義機構(gòu)的約束、運動和可選的力，從而對機構(gòu)進(jìn)行仿真，得出該機構(gòu)的性能。最終結(jié)果的表現(xiàn)形式有多種，有直觀的動畫顯示、也有仿真的曲線圖和文本文件。

在熟練使用計算機輔助設(shè)計三維軟件進(jìn)行機構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，可以增加多桿機構(gòu)的運動分析。

從長遠(yuǎn)目標(biāo)來看，可以逐步設(shè)定多種類型的設(shè)計題目：有的是已知工藝參數(shù)讓學(xué)生自己選擇傳動方案和工作機構(gòu)的類型；有的是已知傳動方案和工作機構(gòu)的類型，反求機構(gòu)參數(shù)；有的是已知兩個傳動方案，讓學(xué)生就兩個方案進(jìn)行綜合評價；還有的是借助于CAI軟件進(jìn)行運動仿真等。

四、結(jié)語

通過利用三維技術(shù)對機械專業(yè)實踐教學(xué)的改革，一方面，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣并能提高學(xué)生的創(chuàng)新能力：

1.加深了學(xué)生對機械專業(yè)課程基本內(nèi)容的理解。通過計算機進(jìn)行運動的仿真，學(xué)生看到了各種機構(gòu)的運動形態(tài)，建立起具體生動的運動變換概念，同時也促進(jìn)了他們對機構(gòu)的特性參數(shù)如曲柄條件、急回特性、壓力角等的理解。

2.有利于培養(yǎng)學(xué)生多方面的能力。學(xué)生可以按照給定的運動變換要求，設(shè)計出眾多的機構(gòu)方案，對每個方案可以進(jìn)行分析，驗證其運動變換功能，也可就不同方案進(jìn)行比較。這不但加深了學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，鍛煉了各方面的能力，同時也增強了學(xué)生的主動設(shè)計意識，成為機構(gòu)設(shè)計的決策者。

另一方面，也可以提高教師的教學(xué)經(jīng)驗和科研能力。

*項目基金：2011年湖北省教育科學(xué)規(guī)劃研究課題（課題編號：2011B304）

[參考文獻(xiàn)]

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[3]張秀梅.三本院校機械專業(yè)實踐教學(xué)體系探索研究[J].教育理論與教學(xué)研究，2013（9）：68-69

（作者單位：武昌工學(xué)院 機械工程學(xué)院 ）