翻過(guò)“三座大山”：Solidworks在通用技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

鄭三和

通用技術(shù)是以提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，以設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)、操作學(xué)習(xí)為主要特征的一門(mén)立足實(shí)踐、注重創(chuàng)造、體現(xiàn)科技與人文相統(tǒng)一的課程。[1]通用技術(shù)作為普通高中的一門(mén)必修課程，在不斷發(fā)展的過(guò)程中，也遇到了一些棘手的問(wèn)題，為了高效地解決這些問(wèn)題，筆者通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，提出應(yīng)用Solidworks 3D建模軟件予以解決，促進(jìn)學(xué)生多方面素質(zhì)的全面發(fā)展，從而提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

● 通用技術(shù)教學(xué)中存在的問(wèn)題

在高中通用技術(shù)教學(xué)實(shí)踐中，遇到的棘手問(wèn)題主要有：①空間幾何三視圖問(wèn)題。該部分內(nèi)容既是學(xué)科考查的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。該類(lèi)問(wèn)題非?？简?yàn)學(xué)生的空間幾何想象能力，而這種能力也是傳統(tǒng)教學(xué)難以培養(yǎng)和提升的。②結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析問(wèn)題。解答該類(lèi)問(wèn)題需要的是動(dòng)態(tài)的空間幾何想象能力，并且部分試題還需應(yīng)用數(shù)學(xué)幾何計(jì)算相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，才能準(zhǔn)確地判斷出該結(jié)構(gòu)各組成部分之間運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互作用及影響。③結(jié)構(gòu)受力分析問(wèn)題。解答該類(lèi)問(wèn)題既需要理解結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，又需要結(jié)合物理力學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析解答。

這三類(lèi)問(wèn)題關(guān)系密切、層層遞進(jìn)、環(huán)環(huán)相扣，猶如三座大山，緊緊挨在一起。如何翻過(guò)這“三座大山”呢？教師通常的解決方法是在黑板上多角度畫(huà)出立體形狀的軸測(cè)圖或制作實(shí)物模型。在當(dāng)前教學(xué)手段日益豐富的情況下，這些問(wèn)題能否通過(guò)技術(shù)手段解決呢？

● Solidworks軟件

SolidWorks軟件功能強(qiáng)大，易學(xué)易用，是基于Windows開(kāi)發(fā)的3D數(shù)字建模軟件，利用該軟件可以將通用技術(shù)中涉及空間幾何、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)受力分析的相關(guān)內(nèi)容建立3D數(shù)字模型，以投影的形式將模型的各個(gè)角度和細(xì)節(jié)、機(jī)構(gòu)中各個(gè)零部件的裝配過(guò)程展示出來(lái)，也可以利用軟件建立運(yùn)動(dòng)算例，模擬機(jī)構(gòu)各個(gè)零件的工作運(yùn)轉(zhuǎn)情況，還可以利用軟件的Simulation有限元分析仿真功能，模擬結(jié)構(gòu)受力時(shí)各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變情況。

● Solidworks在通用技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

1.Solidworks空間幾何三視圖教學(xué)

三視圖的教學(xué)是比較抽象并且難以理解的，它的技能性和操作性也是最強(qiáng)的，需要學(xué)生有較好的空間想象能力和較強(qiáng)的動(dòng)手能力。三視圖在工業(yè)設(shè)計(jì)中是表達(dá)與交流設(shè)計(jì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)方案的一種常用的工程技術(shù)語(yǔ)言，學(xué)生不但要學(xué)會(huì)識(shí)讀三視圖，而且還要學(xué)會(huì)繪制簡(jiǎn)單的三視圖，并且在今后的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，能夠運(yùn)用三視圖來(lái)表達(dá)自己的設(shè)計(jì)構(gòu)思，與他人交流設(shè)計(jì)方案，從而獲得全面的評(píng)價(jià)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。[2]同時(shí)，三視圖也是通用技術(shù)考試中的重點(diǎn)考查內(nèi)容。下面以考題為例（如圖1），簡(jiǎn)述如何利用Solidworks突破空間幾何三視圖教學(xué)難點(diǎn)。

該類(lèi)考題不但考查學(xué)生對(duì)三視圖的理解和繪制，而且測(cè)試了學(xué)生的空間想象能力以及立體圖繪制能力。講解這類(lèi)考題需要利用Solidworks建立三維數(shù)字模型從各個(gè)角度展示該立體模型：運(yùn)用Solidworks中的“拉伸凸臺(tái)/基體”功能，建立相應(yīng)比例的長(zhǎng)方體，如圖2（a）所示;運(yùn)用“拉伸切除”功能，切除相應(yīng)長(zhǎng)方體部分，如圖2（b）所示;運(yùn)用“參考幾何體”配合“拉伸切除”功能，切除相應(yīng)三角體部分，如圖2（c）所示;運(yùn)用“視圖定向”功能，選擇合適的角度將數(shù)字3D模型進(jìn)行展示，如圖2（d）所示。學(xué)生觀看數(shù)字3D模型之后，能對(duì)題目的立體圖形清晰明了，之后即可對(duì)照立體圖補(bǔ)畫(huà)出相應(yīng)的三條圖線。教師也可利用Solidworks的“從零件/裝配體制作工程圖”功能選擇合適的視圖，快速制作出該立體模型的三視圖以及正等軸測(cè)圖，且均以線框圖形式表達(dá)，如圖3所示。

2.Solidworks結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析教學(xué)

結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的內(nèi)容隱含于《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》的第一單元“結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)”中，該部分教學(xué)要求學(xué)生能對(duì)常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，能夠?qū)κ挛锏慕Y(jié)構(gòu)動(dòng)手改造和革新，提出合理化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)不僅是事物存在的一種形式，而且對(duì)事物的功能和作用產(chǎn)生直接影響，結(jié)構(gòu)的改變可能導(dǎo)致功能的變化。[3]分析一個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，可以更好地了解這個(gè)結(jié)構(gòu)的功能，還可以設(shè)計(jì)適合該結(jié)構(gòu)工作運(yùn)轉(zhuǎn)的連接件。通用技術(shù)對(duì)該部分內(nèi)容學(xué)生學(xué)習(xí)情況的考查主要有兩種形式：選擇題，即在幾個(gè)結(jié)構(gòu)中選擇出符合題目對(duì)工作運(yùn)轉(zhuǎn)要求的結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)題，即在分析理解的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)工作運(yùn)轉(zhuǎn)所需的連接件。下面以考題為例（如圖4），簡(jiǎn)述利用如何Solidworks突破結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析教學(xué)難點(diǎn)。

動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)不利用靜態(tài)結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)的是，學(xué)生需要理解結(jié)構(gòu)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)方式，即各個(gè)組成部分是如何連接和運(yùn)動(dòng)的，對(duì)學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思維和理念提出了更高的要求。利用Solidworks建立該搗碎機(jī)的數(shù)字模型，可以從各個(gè)角度展示搗碎機(jī)各個(gè)零部件之間的連接方式及其運(yùn)動(dòng)軌跡。首先，利用SolidWorks建立各個(gè)零件的數(shù)字3D模型，再進(jìn)入“裝配體”模式，將搗碎機(jī)組裝完成，如圖5所示。接著，可以在Solidworks中對(duì)該模型生成運(yùn)動(dòng)算例，并選擇合適的視圖方位展示搗碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

3.Solidworks結(jié)構(gòu)受力分析教學(xué)

結(jié)構(gòu)受力分析是《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》第一單元第一節(jié)“常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)”中的知識(shí)點(diǎn)。該部分內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生了解結(jié)構(gòu)與力的關(guān)系，學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)受力的分析方法，能夠簡(jiǎn)單分析結(jié)構(gòu)是如何承受力的。通用技術(shù)介紹了構(gòu)件的五種主要受力狀態(tài)：受拉、受壓、受彎曲、受剪切和受扭轉(zhuǎn)?？荚囍行枰獙W(xué)生判斷結(jié)構(gòu)各個(gè)組成構(gòu)件的受力狀態(tài)。下面以考題為例（如圖6），簡(jiǎn)述利用如何Solidworks突破結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析教學(xué)難點(diǎn)。

學(xué)生首先要理解結(jié)構(gòu)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)情況，才能進(jìn)行受力分析，必要時(shí)需要結(jié)合物理力學(xué)的知識(shí)進(jìn)行解答。首先，利用SolidWorks建立各個(gè)構(gòu)件的數(shù)字模型，再進(jìn)入“裝配體”模式，將機(jī)械手組裝完成，如圖7所示。接著，打開(kāi)Simulation有限元分析插件，對(duì)建立好的機(jī)械手模型設(shè)置相應(yīng)的材料參數(shù)、約束和網(wǎng)格劃分，進(jìn)行有限元模擬仿真，即可模擬出在力F作用下，機(jī)械手夾緊工件時(shí)各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變情況。

● 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用Solidworks軟件來(lái)輔助和優(yōu)化通用技術(shù)課程，可以有效地改善通用技術(shù)在講解空間幾何三視圖問(wèn)題、結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析問(wèn)題和結(jié)構(gòu)受力分析問(wèn)題時(shí)效率低下的情況。運(yùn)用該軟件能將具體形象與抽象概念相結(jié)合，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，有助于發(fā)展學(xué)生的觀察能力、形象思維能力，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解鞏固，為提高通用技術(shù)教學(xué)質(zhì)量和效率提供了一個(gè)切實(shí)可行的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：人民教育出版社，2017.

[2]劉啟華.高中通用技術(shù)三視圖教學(xué)的幾點(diǎn)體會(huì)[J].教育教學(xué)研究，2011，7（09）：110-111.

[3]顧建軍.技術(shù)與設(shè)計(jì)2[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2012.