新工科背景下三維造型融入機(jī)械設(shè)計(jì)課程的教學(xué)研究與實(shí)踐探索

紀(jì)斌　陳興燕　孫書蕾

［摘 要］新工科理念的提出為高校培養(yǎng)制造業(yè)人才指明了新方向。機(jī)械設(shè)計(jì)作為機(jī)械專業(yè)重要的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力方面具有舉足輕重的作用。文章基于新工科背景下機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，剖析了課程教學(xué)存在的問題，將SolidWorks三維造型融入機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)全過程，彌補(bǔ)了學(xué)生理論脫離實(shí)踐的問題，提高了課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力，加深了學(xué)生對(duì)行業(yè)的認(rèn)識(shí)，對(duì)培養(yǎng)滿足新工科需求的機(jī)械專業(yè)人才具有重要的意義。

［關(guān)鍵詞］新工科；機(jī)械設(shè)計(jì)；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；三維造型

［中圖分類號(hào)］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）08-0059-03

為了應(yīng)對(duì)新工業(yè)革命帶來的新一輪挑戰(zhàn)，積極響應(yīng)“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“中國(guó)教育現(xiàn)代化2035”“十四五”規(guī)劃等重大戰(zhàn)略要求，支持服務(wù)新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，聚焦破解關(guān)鍵核心技術(shù)“卡脖子”的問題，教育部高度重視制造業(yè)人才的培養(yǎng)，積極推出一系列政策和措施推動(dòng)新工科建設(shè)，鼓勵(lì)高等院校積極探索建設(shè)“新工科”的發(fā)展路徑。隨著“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”的形成，全國(guó)高校陸續(xù)掀起了探索新工科發(fā)展的熱潮。因此，培養(yǎng)滿足產(chǎn)業(yè)需求、工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型新興工程科技人才逐漸成為高校人才培養(yǎng)的新目標(biāo)。機(jī)械設(shè)計(jì)課程作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、車輛工程、機(jī)器人工程、飛行器制造工程、智能制造等新工科相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)平臺(tái)課，在專業(yè)人才培養(yǎng)方案課程體系中具有承前啟后的橋梁作用。機(jī)械設(shè)計(jì)課程作為一門綜合性、應(yīng)用性、實(shí)踐性比較強(qiáng)的設(shè)計(jì)性課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，與新工科對(duì)人才培養(yǎng)的要求不謀而合。筆者結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了機(jī)械設(shè)計(jì)課程的發(fā)展現(xiàn)狀和課程教學(xué)存在的問題，提出將三維造型課程融入機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)實(shí)踐中，以達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

一、新工科背景下機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

一部機(jī)器的質(zhì)量基本取決于設(shè)計(jì)質(zhì)量，而制造過程對(duì)機(jī)器質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用，本質(zhì)在于達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)所規(guī)定的質(zhì)量要求，因此，機(jī)器的設(shè)計(jì)階段是決定機(jī)器好壞的關(guān)鍵[2]。隨著機(jī)械類產(chǎn)品在設(shè)計(jì)方式和設(shè)計(jì)理念上的不斷創(chuàng)新，通過借助計(jì)算機(jī)和信息化等新型技術(shù)，可以更好地提高產(chǎn)品整體的工作性能及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能[3]。機(jī)械設(shè)計(jì)跟不上未來對(duì)產(chǎn)品的要求是我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)方面面臨的比較突出的問題。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)是以經(jīng)驗(yàn)和直覺為基礎(chǔ)，以現(xiàn)有的計(jì)算公式和設(shè)計(jì)手冊(cè)為主要手段，存在設(shè)計(jì)方法單一、缺乏靈活性和創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、產(chǎn)品綜合性能差等缺點(diǎn)。隨著新經(jīng)濟(jì)與新技術(shù)的發(fā)展，利用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的產(chǎn)品已無法滿足現(xiàn)代市場(chǎng)的需求。因此，需要打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的束縛，發(fā)展融入現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)、力學(xué)、信息科學(xué)和微電子學(xué)等學(xué)科的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)分析與設(shè)計(jì)方法的革新。同時(shí)要利用最新的技術(shù)取代經(jīng)驗(yàn)類比法，將設(shè)計(jì)分析定量化、系統(tǒng)化；利用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、自動(dòng)化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是提升我國(guó)現(xiàn)代設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段，也是推進(jìn)新工科高質(zhì)量建設(shè)的必經(jīng)之路。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)問題剖析

（一）課程內(nèi)容

機(jī)械設(shè)計(jì)課程研究的對(duì)象是機(jī)器的各類常用零部件，主要探討零部件的類型、應(yīng)用場(chǎng)合、工作情況、失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。該課程的內(nèi)容分布從結(jié)構(gòu)上為總分的形式，總論部分簡(jiǎn)略地介紹了機(jī)器和零部件設(shè)計(jì)的基本概念和相關(guān)的基礎(chǔ)理論，具體包括設(shè)計(jì)步驟、設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)方法、強(qiáng)度理論、材料選擇、摩擦磨損等。后續(xù)內(nèi)容主要根據(jù)零件在機(jī)器中的作用分為連接、機(jī)械傳動(dòng)、軸系和其他零部件四大部分，圍繞零部件應(yīng)用、工作情況分析、失效和設(shè)計(jì)等相對(duì)固定的框架具體展開。每一章節(jié)都是新的內(nèi)容，章節(jié)內(nèi)容彼此孤立，無明顯邏輯關(guān)系。同時(shí)，在對(duì)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析的過程中，需要用到數(shù)學(xué)、力學(xué)、工程材料及成形技術(shù)、機(jī)械原理等相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。圖紙作為工程界的語(yǔ)言，貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程，機(jī)械制圖和互換性與測(cè)量技術(shù)是識(shí)圖、讀圖和作圖的基礎(chǔ)。機(jī)械設(shè)計(jì)課程內(nèi)容繁雜、知識(shí)涉及面廣、理論推導(dǎo)困難、公式和圖表多是機(jī)械設(shè)計(jì)課程的主要特點(diǎn)。

（二）學(xué)生學(xué)情

機(jī)械設(shè)計(jì)課程的開課對(duì)象通常為大三學(xué)生，通過大一、大二兩個(gè)學(xué)年對(duì)學(xué)科基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本具備了學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)課程的基礎(chǔ)理論。然而，大三學(xué)生缺少了初入大學(xué)時(shí)的熱情也是現(xiàn)如今高年級(jí)學(xué)生普遍存在的現(xiàn)象。一方面，由于大學(xué)前兩年主修的是通識(shí)類課程，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)專業(yè)認(rèn)識(shí)不夠、定位不清晰，缺乏學(xué)習(xí)熱情。此外，高等數(shù)學(xué)、物理、理論力學(xué)等學(xué)科課程學(xué)習(xí)難度大，一定程度上打擊了部分學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心和積極性。另一方面，機(jī)械設(shè)計(jì)課程本身的理論性與實(shí)踐性比較強(qiáng)，學(xué)生缺乏工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，無法將枯燥的理論知識(shí)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐，在一定程度上打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致學(xué)生的知識(shí)獲得感不足。然而，作為信息時(shí)代的青年大學(xué)生，動(dòng)手能力強(qiáng)、思維活躍，在獲取信息和計(jì)算機(jī)應(yīng)用上又具備一定的條件和優(yōu)勢(shì)，因此能夠充分融合線上線下資源開展學(xué)習(xí)。

（三）教學(xué)資源

機(jī)械設(shè)計(jì)課程作為一門傳統(tǒng)課程，其教學(xué)資源相對(duì)穩(wěn)定，教材選擇性廣，與教材配套的教學(xué)PPT圖文并茂，輔助教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備基本滿足傳統(tǒng)的教學(xué)需求。在教輔方面，系統(tǒng)完整的資源庫(kù)、案例庫(kù)相對(duì)較少，特別是融入新理念、新方法的配套資源欠缺，與教材配套的習(xí)題相對(duì)較少且缺乏創(chuàng)新性。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的資源已然跟不上信息化、智能化的需求，因此，如何幫助學(xué)生解決從理論到實(shí)踐，從抽象到具體，從平面思維到立體思維的轉(zhuǎn)變也是建設(shè)課程資源和培養(yǎng)新工科人才迫切需要解決的問題。

（四）教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)械設(shè)計(jì)課程的教材主要選用經(jīng)典教材，工程案例偏少，附圖主要是二維圖形，內(nèi)容沒有及時(shí)更新，反應(yīng)學(xué)科領(lǐng)域新理論、新技術(shù)的內(nèi)容欠缺，且未能較好地融入現(xiàn)代設(shè)計(jì)的理念。在課堂教學(xué)方面，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在“互聯(lián)網(wǎng)+”新教育形式、“新工科”“課程思政”等新教育理念的推動(dòng)下，高校教師在課堂教學(xué)改革上雖然開展了一些研究，也嘗試引入了新的教學(xué)模式，但傳統(tǒng)教學(xué)方式的影響根深蒂固，導(dǎo)致教學(xué)改革難以發(fā)生質(zhì)的改變。教學(xué)學(xué)時(shí)縮減、教學(xué)內(nèi)容未能合理設(shè)置、配套實(shí)踐環(huán)節(jié)總學(xué)時(shí)占比低等因素，導(dǎo)致學(xué)生主體地位不突出，學(xué)習(xí)成果達(dá)成度不理想。因此，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度和獲得感，培養(yǎng)與時(shí)代接軌的工程人才依然是工科院校面臨的挑戰(zhàn)。

三、融入三維造型的機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)研究與實(shí)踐

機(jī)械設(shè)計(jì)課程研究的對(duì)象是實(shí)體，利用三維造型軟件構(gòu)建實(shí)體模型并應(yīng)用到教學(xué)全過程。這樣不但可以實(shí)現(xiàn)課程的有效融合，還能加深學(xué)生對(duì)工程問題的理解，提高學(xué)生的課堂參與度，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。目前，機(jī)械類專業(yè)使用的三維造型軟件主要有SolidWorks、UG、Pro/ENGINEER、CATIA等，其中SolidWorks相對(duì)容易操作，獲得了眾多高校師生的青睞。利用SolidWorks進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一種適應(yīng)科技發(fā)展的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，產(chǎn)品的零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、仿真分析等產(chǎn)品開發(fā)環(huán)節(jié)都涵蓋其中，而將SolidWorks三維造型融入機(jī)械設(shè)計(jì)課程的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)同樣是教學(xué)改革的一種手段。

（一）配置基于SolidWorks的機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)資源

配置實(shí)體視頻資源可以加深學(xué)生對(duì)研究對(duì)象的理解。首先，利用SolidWorks構(gòu)建包括螺紋連接、鍵連接、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、滾動(dòng)軸承、軸等與教學(xué)內(nèi)容匹配的實(shí)體模型庫(kù)。其次，制作SolidWorks三維動(dòng)畫并配以機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)旁白，構(gòu)建視頻資源庫(kù)。最后，對(duì)于裝配分析和力分析這類比較難的知識(shí)點(diǎn)則單獨(dú)構(gòu)建資源庫(kù)服務(wù)課堂教學(xué)。將機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)與SolidWorks軟件制作的實(shí)體動(dòng)畫等課程資源應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中，幫助學(xué)生更好地理解工程知識(shí)，形成工程思維。

（二） 融入SolidWorks的機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)實(shí)踐

培養(yǎng)滿足新工科要求的人才，應(yīng)充分發(fā)揮以學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)的作用，在堅(jiān)持以學(xué)習(xí)成果獲得為目標(biāo)的同時(shí)，需注重拓寬學(xué)生的視野。在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”這一新的教育生態(tài)環(huán)境下，課程教學(xué)正逐漸從傳統(tǒng)模式向線上線下相結(jié)合的新模式轉(zhuǎn)變。通過整合傳統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)資源，利用各類教學(xué)平臺(tái)輔助教學(xué)，從而引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度，進(jìn)而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。有了網(wǎng)絡(luò)與教學(xué)平臺(tái)的支撐，在整個(gè)教學(xué)過程中，各類資源的應(yīng)用和融入也變得簡(jiǎn)單方便。

1.SolidWorks貫穿理論教學(xué)全過程

一次完整的課堂教學(xué)應(yīng)該包含課前預(yù)習(xí)—課中教學(xué)—課后復(fù)習(xí)三個(gè)階段。在課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，將前期制作的基于SolidWorks的課程資源發(fā)布在雨課堂、清華在線等平臺(tái)上，讓學(xué)生觀看視頻，并總結(jié)收獲。區(qū)別于MOOC視頻，此類課程資源主題明確，學(xué)生在觀看的過程中不同于傳統(tǒng)的聽課方式，而更像在看一部紀(jì)錄片，進(jìn)而更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如在講解螺紋連接的類型之前，將螺栓連接、雙頭螺柱連接、螺釘連接和緊定螺釘連接的預(yù)習(xí)視頻分享給學(xué)生，讓學(xué)生提前發(fā)現(xiàn)不同類型的螺紋連接的特點(diǎn)，了解其結(jié)構(gòu)差異、連接場(chǎng)合。在課堂教學(xué)過程中，教師可以充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，引導(dǎo)學(xué)生談?wù)勈斋@。如螺栓這類標(biāo)準(zhǔn)件在SolidWorks的設(shè)計(jì)庫(kù)中就有不同的結(jié)構(gòu)類型。教師可以利用這些資源拓寬學(xué)生的工程視野，而非局限于課本固有的類型。同時(shí)，通過這種方式能夠幫助部分識(shí)圖能力較弱的學(xué)生更好地理解教材中的裝配圖中的連接裝配關(guān)系，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心。在課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以利用這些資源對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行查缺補(bǔ)漏。

2.SolidWorks在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

機(jī)械設(shè)計(jì)課程作為一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，配套有一定的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。如對(duì)帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等不同傳動(dòng)類型的性能測(cè)定、軸系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)械綜合等實(shí)驗(yàn)。但在教學(xué)過程中不難發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)效果并不理想，與預(yù)期目標(biāo)存在差異。比如對(duì)于一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，由于設(shè)備陳舊導(dǎo)致靈敏度不夠，存在檢測(cè)數(shù)據(jù)不精確的現(xiàn)象。利用SolidWorks的零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和仿真分析等功能，可以增設(shè)一些仿真實(shí)驗(yàn)。比如在做帶傳動(dòng)性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于皮帶使用時(shí)間久，容易發(fā)生變形，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，然而，通過SolidWorks建模進(jìn)行帶傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真分析，可對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充完善。在做設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，如軸系的設(shè)計(jì)，由于設(shè)計(jì)過程本身就是一項(xiàng)創(chuàng)新活動(dòng)，加上實(shí)驗(yàn)條件的限制，導(dǎo)致部分學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方案沒有與實(shí)體匹配，導(dǎo)致最后裝配不出來。利用SolidWorks輔以裝配，形成對(duì)比試驗(yàn)，能夠使實(shí)驗(yàn)效果更佳，更具有說服力。模擬仿真實(shí)驗(yàn)可以豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，從而反哺理論學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生達(dá)到學(xué)以致用的目的。

3.基于SolidWorks的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的過程，通過這一環(huán)節(jié)，學(xué)生可以初步掌握簡(jiǎn)單機(jī)械的設(shè)計(jì)方法和步驟，是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)技能的重要環(huán)節(jié)。減速器廣泛存在于各類機(jī)器中，是一類典型的傳動(dòng)系統(tǒng)。由于其組成零件類型比較完整，因此是用于綜合訓(xùn)練的不二選擇。傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)要求學(xué)生完成設(shè)計(jì)計(jì)算，并繪制出典型零件的零件圖和減速器裝配圖。學(xué)生由于缺乏工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出的作品不夠精細(xì)，因此無法直接應(yīng)用到實(shí)際。當(dāng)加入SolidWorks建模、裝配以后，學(xué)生可以充分了解設(shè)計(jì)中的零件，然后進(jìn)行計(jì)算、建模、裝配，從而發(fā)現(xiàn)理論設(shè)計(jì)與實(shí)際裝配之間存在的問題，及時(shí)完善設(shè)計(jì)，真正達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生工程知識(shí)應(yīng)用的目的，同時(shí)幫助學(xué)生與行業(yè)接軌，轉(zhuǎn)變陳舊的、按部就班的設(shè)計(jì)思路。

四、結(jié)語(yǔ)

基于SolidWorks三維造型的機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)實(shí)現(xiàn)了理論課程與應(yīng)用課程的融合。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中不但能夠?qū)W習(xí)設(shè)計(jì)理論知識(shí)，還能夠利用SolidWorks把設(shè)計(jì)結(jié)果呈現(xiàn)出來，這是對(duì)三維造型課程的又一次應(yīng)用與提升。同時(shí)，利用SolidWorks實(shí)體造型功能將各類零件實(shí)體模型帶入課堂，實(shí)現(xiàn)了從抽象到具體的轉(zhuǎn)變，在一定程度上解決了學(xué)生脫離工程實(shí)際，無法將理論學(xué)習(xí)與工程應(yīng)用相聯(lián)系的問題，使得課程學(xué)習(xí)更具吸引力。在實(shí)踐環(huán)節(jié)，將SolidWorks用在具體機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)中，不但培養(yǎng)了學(xué)生新的設(shè)計(jì)思維，使學(xué)生明白學(xué)以致用的道理，而且加深了學(xué)生對(duì)專業(yè)、對(duì)課程以及對(duì)未來行業(yè)的了解，形成工程思維，提升工程實(shí)踐能力。基于SolidWorks三維造型的機(jī)械設(shè)計(jì)課程，使得學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和工程應(yīng)用能力都得到了提升，為機(jī)械專業(yè)培養(yǎng)滿足行業(yè)要求的新工科人才打下了基礎(chǔ)。

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