先進(jìn)技術(shù)在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”教學(xué)中的應(yīng)用

唐曉蓮

摘 要：文章主要探索先進(jìn)技術(shù)在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用目的、內(nèi)容和步驟，以及對(duì)這種教學(xué)改革結(jié)果的總結(jié)。通過在教學(xué)中引入機(jī)械設(shè)計(jì)軟件solidworks和教具學(xué)具fischertechnik，使學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行動(dòng)畫演示工作原理，驗(yàn)證基本特性，同時(shí)利用fischertechnik，動(dòng)手組裝各種常用機(jī)構(gòu)和小型機(jī)械，加深了學(xué)生對(duì)機(jī)械基本理論的理解，提高了學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件的能力和實(shí)際動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：solidworks；fischertechnik；機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；教具學(xué)具

“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”是高職院校機(jī)械類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，是為后續(xù)的專業(yè)課程打基礎(chǔ)的。課程的目的是使學(xué)生掌握各種常用機(jī)構(gòu)、常用傳動(dòng)和通用零部件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用維護(hù)以及基本的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)，初步的設(shè)計(jì)能力和機(jī)械創(chuàng)新能力。

傳統(tǒng)的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的理論教學(xué)主要是教師在課堂上利用模型、課件和黑板講解理論知識(shí)，實(shí)踐教學(xué)是課程過程中去參觀機(jī)構(gòu)、零件的陳列室，進(jìn)行機(jī)構(gòu)測(cè)繪、拆裝減速器，課程結(jié)束時(shí)有一個(gè)2周的課程設(shè)計(jì)，老師布置設(shè)計(jì)題目，學(xué)生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果以圖紙和說明書呈現(xiàn)。這種教學(xué)組織過程也基本達(dá)到了課程教學(xué)的目的，但也有一些問題：現(xiàn)在的學(xué)生每天接觸計(jì)算機(jī)和手機(jī)等工具，如果教學(xué)方法還停留在模型和板書等傳統(tǒng)方法上，不與現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)結(jié)合起來，就不能適應(yīng)新時(shí)代技術(shù)的高速發(fā)展。學(xué)生大部分時(shí)間用于接受知識(shí)，理解原理，就是課程設(shè)計(jì)也主要是花大量時(shí)間進(jìn)行理論計(jì)算和手工畫圖或用CAD畫平面圖，這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中覺得學(xué)習(xí)內(nèi)容過時(shí)，學(xué)習(xí)過程枯燥，感受不到專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的有用性，也感受不到學(xué)習(xí)的樂趣。先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用少，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件解決實(shí)際問題的能力差；學(xué)生的設(shè)計(jì)結(jié)果沒有得到驗(yàn)證和直觀的呈現(xiàn)，設(shè)計(jì)完了有些學(xué)生也不知道設(shè)計(jì)的是什么東西，有什么作用；設(shè)計(jì)成果沒有連續(xù)性，無法得到進(jìn)一步的成果。如何把先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、現(xiàn)代加工技術(shù)和材料科學(xué)應(yīng)用到“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的教學(xué)過程中，我們教研室的老師在對(duì)以往教學(xué)工作進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)了先進(jìn)的教學(xué)軟件solidworks和先進(jìn)的教具學(xué)具fischertechnik，對(duì)“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)與實(shí)踐進(jìn)行了改革嘗試，取得了良好的效果。

1 將機(jī)械設(shè)計(jì)軟件solidworks引入“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)中

solidworks是基于Windows操作系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，先進(jìn)行機(jī)械零部件的三維實(shí)體設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行模擬裝配及其三維實(shí)體機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬、干涉檢查或進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析。solidworks的設(shè)計(jì)方案有很多，可以隨時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤，及時(shí)改進(jìn)以提高產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過程都是可以實(shí)時(shí)編輯的，零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配過程設(shè)計(jì)和生成的工程圖之間是全部相關(guān)聯(lián)的。solidworks可以自動(dòng)生成工程圖（包括平面圖和立體圖），而且工程圖是前后聯(lián)系的，改動(dòng)圖紙中的任一參數(shù)，三維模型、各個(gè)視圖、裝配體都會(huì)聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)更新。solidworks也提供了技術(shù)先進(jìn)的工具，可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同工作?？梢砸粋€(gè)團(tuán)隊(duì)位于不同的地方，共同設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品[1]。

1.1 實(shí)施目的

緊扣高職院校培養(yǎng)高級(jí)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)方案，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、理解能力強(qiáng)、應(yīng)用新技術(shù)能力強(qiáng)的學(xué)生為目的，將功能強(qiáng)大的solidworks軟件應(yīng)用到“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的教學(xué)中，有利于理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生易于理解所學(xué)的理論知識(shí)，建立工程實(shí)際的意識(shí)，從而提高學(xué)習(xí)效率，也為有自學(xué)需求的學(xué)生創(chuàng)造良好條件。

1.2 實(shí)施內(nèi)容

在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的教學(xué)中引入solidworks，就是應(yīng)用solidworks將傳統(tǒng)的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，在每種機(jī)構(gòu)或傳動(dòng)的理論知識(shí)傳授過程中，用solidworks建立各種零件實(shí)體，組裝成實(shí)際機(jī)構(gòu)或傳動(dòng)模型，進(jìn)行動(dòng)畫演示工作原理，驗(yàn)證基本特性，通過修改參數(shù)得到各類演化機(jī)構(gòu)。

（1）建立“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”理實(shí)一體化教室，在教室兩邊有計(jì)算機(jī)，教學(xué)中引入solidworks設(shè)計(jì)機(jī)械零件、構(gòu)件。先繪制平面草圖，選擇拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、陣列等基本操作建立各種零件的實(shí)體模型，然后保存起來；打開solidworks的裝配模塊，將前面完成的零件添加進(jìn)來，通過確定零件間的位置約束關(guān)系，組裝成所需的機(jī)構(gòu)，并檢查相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件間是否有干涉或碰撞，如果出現(xiàn)干涉或碰撞，可以對(duì)零件的特征根據(jù)需要進(jìn)行修改，直到滿足機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求；然后對(duì)機(jī)構(gòu)的工作過程用solidworks中的cosmosmotion插件進(jìn)行動(dòng)畫制作，可以真實(shí)顯現(xiàn)機(jī)構(gòu)的裝配過程及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（2）在教學(xué)過程中開展形式多樣的實(shí)例訓(xùn)練，比如介紹平面連桿機(jī)構(gòu)后安排學(xué)生用solidworks進(jìn)行零件建模，裝配各種機(jī)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的動(dòng)畫演示，從簡(jiǎn)單的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)開始，通過改變桿件的長(zhǎng)度或選擇不同構(gòu)件作機(jī)架，演化成雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)，由淺入深，建立常用機(jī)構(gòu)的各種三維模型，既形象直觀再現(xiàn)了所學(xué)的理論知識(shí)，加深了理解，也為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)積累素材，為學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)揮創(chuàng)造條件。

（3）開展學(xué)生第二課堂，增加學(xué)生的訓(xùn)練機(jī)會(huì)，既有利于提高計(jì)算機(jī)操作能力，又能鞏固“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的基本理論。利用solidworks進(jìn)行大量的三維實(shí)體零件建模，可以了解各種零件的具體結(jié)構(gòu)、種類和參數(shù)。利用裝配命令調(diào)用各種零件，按照一定的裝配關(guān)系組裝出所需的機(jī)構(gòu)，可以理解零件的聯(lián)接方式。機(jī)構(gòu)的工作過程可以進(jìn)行模擬演示。通過機(jī)構(gòu)的模擬動(dòng)畫演示，可以清楚看見機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，使抽象枯燥的機(jī)構(gòu)、機(jī)器的基本理論和基本設(shè)計(jì)方法變得直觀，容易理解。

（4）編寫常用機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)的三維建模和動(dòng)畫設(shè)計(jì)的操作指南。學(xué)生在整個(gè)建模、裝配和動(dòng)畫演示的過程中也會(huì)有自己的感受和好的操作建議，可以連同操作步驟一起記錄下來整理成操作指南。這個(gè)過程可以提高學(xué)生的邏輯思維能力及文字表達(dá)能力，為后面寫出高質(zhì)量的說明書和畢業(yè)論文打下基礎(chǔ)。

（5）建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，老師和學(xué)生可以把設(shè)計(jì)好的機(jī)構(gòu)模型和動(dòng)畫演示上傳到平臺(tái)上，配上適當(dāng)?shù)奈淖终f明，大家可以進(jìn)行交流和共享，繼續(xù)探索機(jī)械知識(shí)的奧秘，提高大家學(xué)習(xí)軟件建模的積極性。

1.3 實(shí)施方案

將機(jī)械設(shè)計(jì)軟件solidworks引入“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程教學(xué)的實(shí)施方案如圖1所示。

2 以慧魚創(chuàng)意組合模型（fischertechnik）的教具學(xué)具為操作平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力和創(chuàng)造性思維

慧魚創(chuàng)意組合模型（fischertechnik）來源于德國，是德國發(fā)明家Arthur Fischer博士在其專利“六面拼接體”的基礎(chǔ)上發(fā)明的。一般的高等院校都會(huì)用它來建立機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，展示機(jī)械的運(yùn)動(dòng)原理和運(yùn)動(dòng)的可能性，訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力，作為機(jī)械創(chuàng)新教育的一個(gè)平臺(tái)。

慧魚創(chuàng)意組合模型的主要零部件的材料是高質(zhì)量的尼龍塑膠，成型精度高，耐磨，學(xué)生可以進(jìn)行多次組合拆裝，不影響聯(lián)接的可靠性和穩(wěn)定性；零件的聯(lián)接方式主要采用燕尾槽，使零件的每一個(gè)平面都可拼接，真正實(shí)現(xiàn)了隨心所欲的組合。它由各種型號(hào)和規(guī)格的零件組成，類似于積木；零件的種類很多，幾乎包括了機(jī)械課程和日常生活中的所有零件。通過對(duì)各類模型的認(rèn)識(shí)和組裝，從而可以熟悉并掌握各類設(shè)備和自動(dòng)化裝置的常用結(jié)構(gòu)和工作原理[2]。

2.1 實(shí)施目的

無論是課堂上老師PPT演示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的Flash動(dòng)畫，還是學(xué)生自己應(yīng)用三維軟件繪制的三維實(shí)體以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理的動(dòng)態(tài)動(dòng)畫演示，這些都只是有助于學(xué)生理解和驗(yàn)證所學(xué)的機(jī)械原理，都只停留在思維想象的空間，學(xué)生并沒有直接接觸到零件和機(jī)構(gòu)，并不理解工程實(shí)際的情況。在教學(xué)中引入可以動(dòng)手的教具和學(xué)具，就把學(xué)生的理論知識(shí)具體化，動(dòng)手做出來，真正做到理論與實(shí)踐相結(jié)合。

2.2 實(shí)施內(nèi)容

（1）建立慧魚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，就是利用慧魚模型組合包系列建立工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，它也是創(chuàng)新教育的一個(gè)全新平臺(tái)。把fischertechnik的各種組合包和資料放置在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的教室四周，把每期學(xué)生的經(jīng)典作品也放置在四周，若教室空間有限，也可以把慧魚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建立在教室附近，這樣學(xué)生課堂上和課后都可以進(jìn)行動(dòng)手拆裝，也可以按圖搭建各種培訓(xùn)模型和工業(yè)模型，了解零件的組合方式。

（2）隨著理論教學(xué)的進(jìn)行，依次把fischertechnik的各種機(jī)械構(gòu)件的名稱、結(jié)構(gòu)、參數(shù)介紹給學(xué)生，如齒輪、連桿、鏈條、履帶、齒輪軸、齒條、蝸輪、蝸桿、曲軸、萬向節(jié)、減速器、輪齒箱等，當(dāng)學(xué)生用solidworks進(jìn)行零件建模，機(jī)構(gòu)裝配，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的動(dòng)畫演示以后，讓學(xué)生用fischertechnik組建各種常用機(jī)構(gòu)和常用傳動(dòng)，再次用實(shí)物來驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)原理和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性。

（3）在熟悉各種機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)和通用零件的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以選擇不同的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)、搭建各種簡(jiǎn)單機(jī)械，比較不同方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)特性，從而選擇最優(yōu)方案，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

（4）學(xué)習(xí)編程軟件，通過編程把機(jī)械零件、電氣元件、氣動(dòng)零件、傳感器、可編程控制器、電腦等整合成創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)。布置課程設(shè)計(jì)題目，通過動(dòng)手組裝模型、連線、編程、調(diào)試、運(yùn)行程序、控制模型動(dòng)作等各段學(xué)習(xí)后，掌握fischertechnik的設(shè)計(jì)與控制。

（5）老師和學(xué)生可以把搭建好的常用機(jī)構(gòu)和小型機(jī)械拍成圖片和視頻上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上，配上適當(dāng)?shù)奈淖终f明，進(jìn)一步完善網(wǎng)上教學(xué)資源，與大家交流和共享，引領(lǐng)大家對(duì)機(jī)械知識(shí)的探討，激發(fā)大家對(duì)機(jī)械創(chuàng)新的興趣，鼓勵(lì)學(xué)生把有關(guān)機(jī)械方面的想法變成現(xiàn)實(shí)。

2.3 實(shí)施方案

慧魚創(chuàng)意組合模型（fischertechnik）的教學(xué)實(shí)施方案。

3 應(yīng)用情況及實(shí)施效果

通過把機(jī)械設(shè)計(jì)軟件solidworks引入“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的教學(xué)環(huán)節(jié)，使理論與實(shí)踐教學(xué)緊密聯(lián)系，不再區(qū)分，教學(xué)內(nèi)容變得生動(dòng)形象，可操作性強(qiáng)。通過軟件再現(xiàn)“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程里的零件結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)組裝和機(jī)械原理，使學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論掌握得扎實(shí)，學(xué)習(xí)的興趣變得濃厚，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件的能力明顯提高，自信心明顯增強(qiáng)，不少學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)探究性學(xué)習(xí)，他們?cè)谡n程學(xué)習(xí)小結(jié)中寫道：“‘機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程讓我有機(jī)會(huì)體驗(yàn)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的魅力，使我對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了興趣，激發(fā)了我的學(xué)習(xí)熱情?！?/p>

老師和學(xué)生在應(yīng)用fischertechnik的教具和學(xué)具過程中，通過簡(jiǎn)單模型、復(fù)雜模型、自主創(chuàng)新模型的搭建與拆解，增強(qiáng)了實(shí)際動(dòng)手能力，知道機(jī)器的組裝方式和拆裝步驟，不再害怕拆裝實(shí)際機(jī)器，敢于對(duì)機(jī)器進(jìn)行拆裝、分析組成和故障診斷與維護(hù)，在此基礎(chǔ)上鼓勵(lì)學(xué)生拆解手機(jī)、計(jì)算機(jī)和自行車，真正做到學(xué)為我用[3]。

通過4年的教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)在教學(xué)中應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)能提高學(xué)生學(xué)習(xí)“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的興趣，對(duì)提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力也有很好效果。從連續(xù)4屆機(jī)械專業(yè)的學(xué)生反饋情況來看，這些學(xué)生的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)，計(jì)算機(jī)操作能力明顯高于未引入先進(jìn)技術(shù)對(duì)教學(xué)進(jìn)行改革的學(xué)生，由于擁有可操作性的載體，學(xué)生第二課堂和機(jī)械創(chuàng)新興趣小組開展得風(fēng)生水起，卓有成效，在學(xué)校的各項(xiàng)比賽中都名列前茅。更為可喜的是班級(jí)里一部分同學(xué)形成了濃厚的學(xué)術(shù)討論氛圍，愿意結(jié)合所學(xué)的知識(shí)，積極探索，查找資料，認(rèn)真鉆研，進(jìn)行一些小發(fā)明創(chuàng)造，有6名學(xué)生還因此獲得了實(shí)用新型專利。結(jié)合每?jī)赡暌淮蔚娜珖髮W(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，很多學(xué)生積極參與，先班級(jí)選拔，后學(xué)校內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)，每次都有學(xué)生闖入全國大賽，為學(xué)院爭(zhēng)光。

[參考文獻(xiàn)]

[1]胡仁喜，劉昌麗.solidworks2013機(jī)械設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2]鄧昭銘，張瑩.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].2版.北京：北京高等教育出版社，2000.

[3]毛茂林，王培俊，羅大兵.慧魚創(chuàng)意模型實(shí)驗(yàn)教程[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.