基于數(shù)字化設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革

左斌

摘要：針對(duì)現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計(jì)課程中出現(xiàn)的學(xué)生主動(dòng)性不強(qiáng)，設(shè)計(jì)內(nèi)容如出一轍，手工繪圖實(shí)用性不強(qiáng)，設(shè)計(jì)過(guò)程繁雜等問(wèn)題，提出了以企業(yè)應(yīng)用為主的教學(xué)改革。文章從教學(xué)方法、設(shè)計(jì)手段、教學(xué)效率等方面進(jìn)行了改革探討。經(jīng)過(guò)六個(gè)班級(jí)的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生的主動(dòng)性得到了更好的發(fā)揮，數(shù)字化設(shè)計(jì)水平得到了提高，達(dá)到了教學(xué)改革目的。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；數(shù)字化設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）43-0137-03

機(jī)械設(shè)計(jì)課程是機(jī)電工程學(xué)院一門(mén)綜合性比較強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)課程，它是培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的設(shè)計(jì)能力，學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械制圖，工程力學(xué)，測(cè)量與公差等課程的專業(yè)知識(shí)來(lái)進(jìn)行解決問(wèn)題。設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括：機(jī)構(gòu)方案的擬定，傳動(dòng)零件的參數(shù)選擇，大小齒輪和大小軸的計(jì)算設(shè)計(jì)，繪制一根軸和一個(gè)齒輪的零件圖和裝配圖，最后完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的編寫(xiě)。通過(guò)這一課程的實(shí)施，使學(xué)生學(xué)會(huì)了解，掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的基本步驟和設(shè)計(jì)思路，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及將來(lái)的工作奠定了理論基礎(chǔ)。

一、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

一直以來(lái)，本校機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)還是傳統(tǒng)的沿用集中講解模式。教師結(jié)合書(shū)本上內(nèi)容，對(duì)學(xué)生進(jìn)行零部件運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的講解，幫助學(xué)生解決設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中遇到的公式問(wèn)題，同時(shí)還輔導(dǎo)學(xué)生如何查詢表格，以及對(duì)表格的換算問(wèn)題。根據(jù)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證零部件可靠性并完成二維零件的手工繪圖，最后將所進(jìn)行的所有內(nèi)容寫(xiě)入說(shuō)明書(shū)。這一教學(xué)過(guò)程存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（一）學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性不強(qiáng)，設(shè)計(jì)內(nèi)容如出一轍

學(xué)生在設(shè)計(jì)時(shí)缺乏實(shí)踐背景，對(duì)減速器機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、制造、工藝、裝配以及應(yīng)用缺乏認(rèn)識(shí)，只能按照教材案例按部就班的進(jìn)行公式選取，從手冊(cè)中選取關(guān)鍵參數(shù)值，然后進(jìn)行計(jì)算和繪圖，很難將設(shè)計(jì)過(guò)程與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)。設(shè)計(jì)的公差和加工精度完全按照書(shū)本進(jìn)行，缺乏實(shí)際的工程背景經(jīng)驗(yàn)。學(xué)校也無(wú)這方面的測(cè)繪和實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)減速箱的了解不是很深。另一方面，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)這么發(fā)達(dá)，學(xué)生很容易從網(wǎng)絡(luò)中獲得這方面的資料，甚至有些同學(xué)直接從網(wǎng)絡(luò)上下載下來(lái)只做簡(jiǎn)單修改，就變成自己的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。

（二）學(xué)生的手工繪圖已經(jīng)跟不上技術(shù)的發(fā)展，實(shí)用性不強(qiáng)

目前本校的課程設(shè)計(jì)還是采用手工繪圖，因繪圖板和繪圖工具比較大，需將學(xué)生集中在統(tǒng)一的學(xué)習(xí)場(chǎng)所進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，雖然這種教學(xué)目的是讓學(xué)生通過(guò)課程實(shí)踐，了解減速?gòu)?qiáng)的基本結(jié)構(gòu)，掌握一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟和方法，鍛煉學(xué)生的繪圖能力，但學(xué)生間很容易相互抄襲，且在繪圖上花費(fèi)了大量的時(shí)間。這種方式已經(jīng)不適用于現(xiàn)在企業(yè)和社會(huì)的需求，同時(shí)這種手工繪圖效率低，不美觀，后續(xù)修改和更新比較麻煩，且不易保存和更新。

（三）計(jì)算過(guò)程繁雜，花費(fèi)大量時(shí)間

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)還是采用手工計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)要求主要對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析，通過(guò)計(jì)算結(jié)果得出各個(gè)零件的幾何尺寸，這種計(jì)算方法的計(jì)算工作量大，計(jì)算復(fù)雜，同時(shí)需要查詢多個(gè)表格進(jìn)行參數(shù)的選擇。而高職院校學(xué)生的理論知識(shí)水平不高，對(duì)于這種設(shè)計(jì)計(jì)算需要花費(fèi)更多的時(shí)間，這種繁雜的計(jì)算過(guò)程會(huì)讓學(xué)生對(duì)該課程失去學(xué)習(xí)的興趣，他們更傾向于實(shí)際動(dòng)手能力的實(shí)踐，或者以應(yīng)用為主的課程設(shè)計(jì)計(jì)算。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)課程改革的社會(huì)需求

在當(dāng)前機(jī)械課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革下，不僅注重于理論創(chuàng)新，培養(yǎng)的學(xué)生也要符合企業(yè)需求，因此有必要對(duì)學(xué)生進(jìn)行企業(yè)實(shí)踐。在實(shí)踐過(guò)程中，不僅加深了學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)的了解，也對(duì)學(xué)校所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行了鞏固。

隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字參數(shù)化設(shè)計(jì)階段，在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用先進(jìn)的三維軟件Inventor不僅有利于模擬企業(yè)的真實(shí)環(huán)境，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維和創(chuàng)新能力。利用三維軟件先進(jìn)行三維零件設(shè)計(jì)，再生成二維圖紙，即符合實(shí)際設(shè)計(jì)需求，又能激發(fā)學(xué)生的設(shè)計(jì)興趣。同時(shí)三維軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)也方便日后的修改和創(chuàng)新，提高了設(shè)計(jì)效率。以3D軟件設(shè)計(jì)的圖紙也更利于保存和查閱。

隨著社會(huì)需求的日益變化，企業(yè)在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品過(guò)程中不可能每次都對(duì)零件進(jìn)行手工計(jì)算。為了節(jié)約設(shè)計(jì)成本，快速確定設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)效率，可將繁雜的計(jì)算過(guò)程變成小程序，這已成為現(xiàn)代企業(yè)的必然需求。

一方面，為了培養(yǎng)符合企業(yè)和社會(huì)需求的應(yīng)用型人才，急需提高設(shè)計(jì)方案效率，縮短設(shè)計(jì)的周期。另一方面，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈和用戶需求的不斷提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度越來(lái)越快，急需對(duì)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，所以提高設(shè)計(jì)效率是至關(guān)重要的。

三、提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)企業(yè)需求型人才的改革措施

機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是一門(mén)非常重要的以設(shè)計(jì)為主，同時(shí)結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)，工程材料，工程力學(xué)和公差與配合等專業(yè)課程知識(shí)為基礎(chǔ)的實(shí)踐課程。該課程主要教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握設(shè)計(jì)的一般過(guò)程和步驟，其核心要素是培養(yǎng)符合現(xiàn)代企業(yè)需求的設(shè)計(jì)人才。

目前本校該課程設(shè)計(jì)還停留在傳統(tǒng)的減速器設(shè)計(jì)階段，已不適應(yīng)目前企業(yè)生產(chǎn)需求，與學(xué)生未來(lái)工作脫節(jié)。因此，在當(dāng)前建設(shè)一流品質(zhì)院校的背景下，需對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式進(jìn)行改革：讓學(xué)生走進(jìn)企業(yè)，到企業(yè)中去實(shí)踐，了解減速器機(jī)構(gòu)的實(shí)際生產(chǎn)制造，裝配和工藝流程，然后再回到學(xué)校進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，企業(yè)實(shí)踐為學(xué)生的設(shè)計(jì)基本功奠定了良好扎實(shí)的基礎(chǔ)。學(xué)校教育不是讓學(xué)生去適應(yīng)現(xiàn)有教育模式，而是我們的教育要適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，適應(yīng)社會(huì)不斷變化的需求。只有這樣，才能培養(yǎng)出符合社會(huì)企業(yè)需求的人才，才能更好的為學(xué)生提供良好的就業(yè)條件，才能推動(dòng)學(xué)校教學(xué)特色的改變。

機(jī)械設(shè)計(jì)課程的一般步驟是根據(jù)給定的已知條件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，然后繪制零件圖和總裝配圖，最后完成任務(wù)書(shū)。其主要工作內(nèi)容如圖1。

根據(jù)課程設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容，從教學(xué)方法、教學(xué)手段和教學(xué)效率三個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革，其具體內(nèi)容如下。

（一）創(chuàng)新教學(xué)方法，發(fā)揮學(xué)生主體性

本校的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)與其他院校的設(shè)計(jì)題目類似，均是減速箱的設(shè)計(jì)，參考的書(shū)目是機(jī)械工業(yè)出版社出版的減速器設(shè)計(jì)實(shí)例精解課本。但隨著科技的進(jìn)步，教師的教學(xué)理念與教學(xué)方法也要更新，要將講授為主的教學(xué)方法變?yōu)閷W(xué)生為主體的探究性學(xué)習(xí)。故在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)前對(duì)學(xué)生進(jìn)行企業(yè)實(shí)踐，教師可以按照課程設(shè)計(jì)要求和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同合作，共同制定企業(yè)實(shí)踐大綱，讓學(xué)生帶著課程設(shè)計(jì)要求進(jìn)行參觀減速箱的制造與裝配過(guò)程或通過(guò)與企業(yè)合作將減速箱的生產(chǎn)安裝過(guò)程錄制成視頻，供在校學(xué)生觀看，以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

這個(gè)階段的改革是在課程設(shè)計(jì)之前，加強(qiáng)學(xué)生企業(yè)實(shí)踐，既增強(qiáng)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的直觀感受，又幫助學(xué)生更好地理解設(shè)計(jì)的原理和結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步掌握機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程與方法。由此，學(xué)生的主動(dòng)性和積極性將被調(diào)動(dòng)，主體性更好地被發(fā)揮，從而促進(jìn)學(xué)習(xí)的有效性。具體可以按照表1進(jìn)行考核，考核合格后在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。

（二）改革設(shè)計(jì)手段，二維變?nèi)S

目前本校的機(jī)械設(shè)計(jì)課程還是以教師指導(dǎo)為主，學(xué)生參照課程設(shè)計(jì)案例按部就班地進(jìn)行二維設(shè)計(jì)，如此，學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中易缺乏相應(yīng)的積極性和創(chuàng)新性。而隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，各種行業(yè)中三維軟件已逐步取代二維設(shè)計(jì)，極大提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與效率。與此同時(shí)我?！稒C(jī)械制圖》已經(jīng)采用三維軟件Inventor進(jìn)行教學(xué)改革，在學(xué)校老師和同學(xué)雙方的共同努力下，已經(jīng)取得了不錯(cuò)的學(xué)習(xí)效果，該課程也獲得了蘇州第三批高職院校優(yōu)秀新課程。因此，可將三維軟件引用到課程教學(xué)中，用三維軟件來(lái)代替二維軟件設(shè)計(jì)，全方面提高設(shè)計(jì)水平，進(jìn)一步貼合企業(yè)需求。

這個(gè)階段的改革是在課程設(shè)計(jì)中進(jìn)行的，運(yùn)用三維軟件進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，既有助于學(xué)生直觀的掌握零件結(jié)構(gòu)，又幫助學(xué)生提高了設(shè)計(jì)的美觀性，從而進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)效率。經(jīng)過(guò)6個(gè)班級(jí)的試驗(yàn)，本次教學(xué)改革取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。圖2為某學(xué)生低速軸的設(shè)計(jì)和計(jì)算步驟圖，圖3為某學(xué)生的減速箱三維總裝圖。Inventor軟件的設(shè)計(jì)給軸類零件、齒輪類零件以及標(biāo)準(zhǔn)常用件的設(shè)計(jì)帶來(lái)了快速的解決方案。既可以運(yùn)用參數(shù)化的進(jìn)行逐步建模，又可以對(duì)設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行系統(tǒng)理論計(jì)算。

（三）增設(shè)設(shè)計(jì)程序匯編，提高設(shè)計(jì)效率

將多種表格中的參數(shù)以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ)于Excel中，結(jié)合編寫(xiě)的計(jì)算小程序共同進(jìn)行機(jī)構(gòu)零件強(qiáng)度的理論計(jì)算。具體做法：（1）將班級(jí)分成若干個(gè)小組，各個(gè)小組成員間合理分工編寫(xiě)；（2）通過(guò)小組成員間的相互協(xié)調(diào)合作將小程序匯總起來(lái)，變成一個(gè)計(jì)算器的程序；（3）最終每個(gè)小組進(jìn)行相互討論，確定出一個(gè)最實(shí)用的計(jì)算器形式的程序。從而為零件的改進(jìn)提供了理論依據(jù)，以及為后續(xù)設(shè)計(jì)新零件時(shí)縮短設(shè)計(jì)中的計(jì)算時(shí)間，提高了課程設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)效率，從而學(xué)生可將更多的時(shí)間和精力用在機(jī)構(gòu)零件設(shè)計(jì)和方案創(chuàng)新上。

通過(guò)將每個(gè)零部件的設(shè)計(jì)過(guò)程編寫(xiě)小程序，只需輸入已知條件，便可得出零件的結(jié)構(gòu)尺寸，避免了每次新設(shè)計(jì)零件的大量重復(fù)的不必要工作，從而為后續(xù)零件的改進(jìn)提高了基礎(chǔ)，以及為后續(xù)新零件的設(shè)計(jì)節(jié)約了設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)間，大大縮短了設(shè)計(jì)周期。

四、結(jié)論

本次機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)3D軟件Inventor為機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)工具，搭建企業(yè)實(shí)踐基地，運(yùn)用設(shè)計(jì)計(jì)算程序匯編為載體，還是一個(gè)全新的課題，在教學(xué)方法、教學(xué)思路和教學(xué)步驟上有創(chuàng)新的空間。運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)學(xué)理念對(duì)課程內(nèi)容安排、授課方式、考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)例分析和驗(yàn)證。同時(shí)將此改革推廣到機(jī)械專業(yè)其他學(xué)科中去，具有較強(qiáng)的理論和實(shí)踐價(jià)值。

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Abstract：The enterprise application oriented teaching reform is proposed to solve the problems of the existing course of Mechanical Design，such as poor student initiative，similarity in the design content，weak practicability of the manual drawings and complex design process.This paper discusses the teaching reform from the perspectives of the teaching method，the design method and the teaching efficiency.After the reform is applied to the teaching practice of 6 classes，the result shows that the student initiative and the digital design level are improved，thereby realizing the purpose of the teaching reform.

Key words：Mechanical design；digital design；education reform