基于CAD技術(shù)的《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革探索與實踐

孫克銳，葉炬鋒

（浙江同濟科技職業(yè)學(xué)院 機械與電氣工程系，浙江 杭州 311231）

0 前言

CAX泛指一切以計算機為輔助工具的各種應(yīng)用系統(tǒng)，包括 CAD、CAM、CAE、CAPP、CAS、CAT、CAI、CIMS等各項技術(shù)統(tǒng)稱。CAX技術(shù)是數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的基礎(chǔ)和核心，CAX技術(shù)的應(yīng)用可大幅提高制造業(yè)技術(shù)水平和效率[1-2]?！稒C械設(shè)計基礎(chǔ)》課程是高職機械類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，內(nèi)容包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、機械原理和機械設(shè)計等，該課程具有理論性、實踐性和知識綜合性特點，主要考察學(xué)生機械設(shè)計基本理論和實踐應(yīng)用能力。傳統(tǒng)的教學(xué)偏重按知識理論體系即一個個分散的知識點教學(xué)，項目化不突出，達不到訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用能力的目標。教學(xué)手段以多媒體、動畫仿真、教具為主，學(xué)生被動的接收知識。

1 《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革的必要性

在數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)與機械技術(shù)結(jié)合日益緊密的今天，機械工程人員工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力主要通過CAX技術(shù)實現(xiàn)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)以及社會發(fā)展的需要，此外，由于高職學(xué)生理論基礎(chǔ)普遍較弱，更傾向動手，再加上課時和硬件條件的限制如教具的數(shù)量、制造的成本高和周期長等，該課程只有在傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)上融合CAX技術(shù)主要是CAD技術(shù)，采用項目化教學(xué)，才能提高教學(xué)質(zhì)量和效率，培養(yǎng)學(xué)生的綜合工程能力、創(chuàng)新能力和工匠精神，有利于學(xué)生畢業(yè)后更快地適應(yīng)設(shè)計等相關(guān)崗位工作[3]。

2 基于CAD技術(shù)開展課程項目化改造的思路

通過實地調(diào)研企業(yè)機械設(shè)計崗位能力需求，發(fā)現(xiàn)作為設(shè)計人員既要有扎實的理論基礎(chǔ)又要具備工程綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力及熟練利用CAD、CAE技術(shù)輔助設(shè)計能力。另外，好的設(shè)計離不開設(shè)計人員追求完美、勇于創(chuàng)新并對自己的作品充滿敬畏之心的工匠精神。因此，《機械設(shè)計基礎(chǔ)》這門課程的教學(xué)既要培養(yǎng)學(xué)生機械設(shè)計系統(tǒng)知識又要培養(yǎng)學(xué)生利用CAD技術(shù)進行機械創(chuàng)新設(shè)計的實踐能力[4]。為實現(xiàn)上述目標，將課程內(nèi)容重新梳理，構(gòu)建單項訓(xùn)練和綜合訓(xùn)練交替結(jié)合的一個個項目，見表1.項目來源有企業(yè)實際項目、大學(xué)生科技競賽和根據(jù)教學(xué)需求設(shè)計的針對性課題等。

表1 《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程結(jié)構(gòu)項目化分解

3 CAD技術(shù)的項目化教學(xué)實施案例

以CAD設(shè)計仿真自行車停車庫的教學(xué)為案例，課題來自第十五屆浙江省大學(xué)生機械設(shè)計競賽，主要解決小區(qū)或公共區(qū)域停車難問題。該任務(wù)要求學(xué)生利用CAD技術(shù)設(shè)計自行車停車庫機械裝置并進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真。目標是訓(xùn)練學(xué)生利用CAD軟件進行機械裝置綜合設(shè)計能力、創(chuàng)新能力。項目實用性強、難度適中、學(xué)生興趣濃厚?？紤]到同學(xué)初次接觸機械系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)計工作量較大，采用4~5人一組，選出項目負責人，團隊合作完成項目。

3.1 問題導(dǎo)入

通過多媒體展示道路上停放的擁擠不堪的自行車圖片，引發(fā)學(xué)生對停車難問題的關(guān)注。

3.2 布置任務(wù)

基于三維設(shè)計軟件如PROE等設(shè)計自行車停車庫機械裝置。要求：停車裝置以機械設(shè)計為主，空間利用率高、安全、便捷、易于維護。

3.3 任務(wù)分解

子任務(wù)1：市場調(diào)研。小組成員搜集資料、查閱文獻或?qū)嵉刈咴L，分析已有停車庫設(shè)計形式及特點。

子任務(wù)2：概念設(shè)計。小組成員根據(jù)市場需求，擬定設(shè)計任務(wù)書包括停車數(shù)量、占地面積、實現(xiàn)的功能、技術(shù)參數(shù)等，構(gòu)思停車庫整體結(jié)構(gòu)。

子任務(wù)3：方案設(shè)計。根據(jù)設(shè)計要求，擬定不同的設(shè)計方案，包括驅(qū)動模塊如電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動等，傳動方案如鏈傳動、齒輪傳動、蝸輪蝸桿等，末端執(zhí)行形式如圓柱形、六邊形等，本體支撐結(jié)構(gòu)等。通過CAD軟件對各方案進行初步系統(tǒng)設(shè)計。小組成員從可行性、安全性、可靠性、經(jīng)濟性、便捷性、可維護性等多角度評估各方案優(yōu)劣，選擇最優(yōu)方案。

子任務(wù)4：詳細設(shè)計?；谌S設(shè)計軟件采用自頂向下的設(shè)計模式，先搭建整體框架，再分解設(shè)計任務(wù)包括動力部分、傳動部分、執(zhí)行部分、支撐部分等，最后繪制總裝圖、零件圖。小組成員分工協(xié)作完成。

子任務(wù)5：運動學(xué)與動力學(xué)仿真。利用CAD軟件裝配分析功能和運動學(xué)模塊，對停車庫裝置進行裝配干涉分析、人機工程分析、運動學(xué)分析。利用CAD軟件動力學(xué)仿真模塊或?qū)I(yè)的CAE軟件，對機器展開動力學(xué)分析，優(yōu)化設(shè)計。

子任務(wù)6：編制設(shè)計說明書。小組成員分工完成各模塊設(shè)計說明書，最后匯總為完整說明書。

3.4 設(shè)計點評

采用階段性點評和終結(jié)性點評相結(jié)合的形式。在概念設(shè)計、方案設(shè)計和最終完成設(shè)計三個階段分別設(shè)置全班點評環(huán)節(jié)。各小組以PPT形式結(jié)合3D軟件動態(tài)仿真功能匯報階段性成果。各小組根據(jù)評價標準進行互評、教師評價，最后綜合評定成績。因受教學(xué)時數(shù)和硬件條件限制，不制作樣機。

4 課程教學(xué)考核模式

課程采用教、學(xué)、做一體化和項目化教學(xué)，考核方式分為理論、實操和過程性考核。理論考核學(xué)生機械設(shè)計基本理論掌握情況，以考試為主。過程性考核包括學(xué)習態(tài)度、項目考核，考核學(xué)生機械設(shè)計理論應(yīng)用于工程實踐能力、創(chuàng)新能力。過程性考核有利于及時掌握學(xué)生學(xué)習情況，改進教學(xué)。考核標準為項目完成質(zhì)量、團隊合作精神、工匠精神。各種考核占比分別為：學(xué)習態(tài)度30%、項目40%、考試30%.每個項目獨立考核，最后根據(jù)難易程度、工作量加權(quán)計入項目總成績。采用多元評價形式包括學(xué)生自評、互評、教師評價和企業(yè)專家評價，評價更全面、客觀。

5 結(jié)語

CAX技術(shù)應(yīng)用是制造業(yè)向信息化、智能化轉(zhuǎn)型升級的基礎(chǔ)，是機械工程人員必備的技能。從工程實踐應(yīng)用角度，重新構(gòu)建《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程結(jié)構(gòu)并設(shè)計關(guān)聯(lián)項目。基于CAX技術(shù)特別是CAD技術(shù)，依托項目組織教學(xué)，創(chuàng)新了《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程教學(xué)模式，提高了同學(xué)們工程實踐能力、創(chuàng)新能力，加深對機械工程技術(shù)人員角色認識，學(xué)生工匠精神得到進一步培養(yǎng)。