Solidworks在高職機械類課程教學中的應(yīng)用

梁 建 偉

(石家莊職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系,河北 石家莊050800)

0 引言

裝備制造產(chǎn)業(yè)作為我國經(jīng)濟體系中的重要組成部分,隨著市場需求的變化、技術(shù)水平的提高和管理機制的不斷優(yōu)化,對機械行業(yè)人才的要求也在不斷提高.高職院校在培養(yǎng)機械類專業(yè)人才的過程中應(yīng)不斷進行教學改革,深入分析教學中存在的問題,結(jié)合專業(yè)課程特點及學生能力水平等因素,對課程的教學資源、教學手段、教學方式等進行改革及創(chuàng)新,提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,以適應(yīng)新業(yè)態(tài)、新技術(shù)、新發(fā)展的需要.

機械類課程具有較強的專業(yè)性和實踐性.基礎(chǔ)課主要教授專業(yè)基礎(chǔ)知識,讓學生認識基本的機械零部件、工具、量具等,培養(yǎng)學生的學習興趣和職業(yè)認同感,是專業(yè)課程的先導課程,主要面向?qū)I(yè)初學者,為專業(yè)課程的學習奠定基礎(chǔ).專業(yè)課和專業(yè)拓展課能使學生掌握更加專業(yè)和復雜的機電設(shè)備的操作方法和技術(shù)技能,培養(yǎng)其自主學習和解決實際工程問題的能力.但原有的課程資源多以二維平面圖形、實物圖片或文字敘述為主,不易使學生清晰地認識零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、配合關(guān)系和運動規(guī)律,通過課本知識來理解和學習機械結(jié)構(gòu)及零部件也存在一些困難[1].這些課程對學生的空間想象能力、思維能力和理解能力都提出了較高要求.高職院校生源包括普高生、職高生、中職生和技校生等,學習能力差異較大,且基礎(chǔ)薄弱[2],其空間想象能力、邏輯思維能力不足.為了滿足人才培養(yǎng)的需要,高質(zhì)高效地完成課堂教學任務(wù),高職院校必須創(chuàng)新教學資源和教學方法.本文結(jié)合高職機械類課程教學中存在的問題,在課程教學過程中利用Solidworks三維設(shè)計軟件輔助教學,以期提高學生的學習積極性,豐富教學資源,讓學生更好地掌握相關(guān)知識和技能,提高課堂教學效率和教學質(zhì)量.

1 機械類課程教學中存在的不足

1.1 在機械制圖教學方面

機械制圖課程一般在新生入學第一學期開設(shè),它作為整個機械專業(yè)課程體系的基礎(chǔ),起著承上啟下和貫徹始終的作用,學生對該課程的學習水平直接影響其后續(xù)專業(yè)課程的學習效果[3].該課程對學生空間想象能力的要求較高,學生一旦遇到無法突破的學習難點,容易產(chǎn)生厭學心理,從而降低學習興趣.為了解決學生空間想象能力偏弱的問題,通常采用實物圖片或?qū)嵨锬Ｐ瓦M行輔助教學,這在一定程度上降低了學生的學習難度,但仍存在一些局限,如實物圖片為二維教學資源,無法全方位地展示實物特征;教學模型無法做到人手一個,教學效果提升有限;教學模型種類繁多,且易損壞,模型存放和管理有難度;教學模型無法修改,教學內(nèi)容相對固化;實物圖片和教學模型均無法靈活地展現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu).這些都在一定程度上影響課堂教學效率,無法取得理想的教學效果.

1.2 在平面連桿機構(gòu)教學方面

在平面連桿機構(gòu)教學中,原有的教學資源很難表達機構(gòu)的動態(tài)運動規(guī)律.平面連桿機構(gòu)是機械設(shè)計基礎(chǔ)課程中的入門知識和重點內(nèi)容,在整個課程中占有重要地位,且學生畢業(yè)后從事平面連桿機構(gòu)設(shè)計工作的概率也較大.利用平面簡圖、機構(gòu)模型和動畫資源等進行平面連桿機構(gòu)教學,存在以下不足:教學資源陳舊、固化,參數(shù)無法修改,無法創(chuàng)造性地進行教學;課程中涉及機構(gòu)、運動副、自由度等概念性知識,且多用符號表達,對于初學者而言過于抽象,理解難度大;學生對照靜態(tài)的機構(gòu)實物圖片,難以理解機構(gòu)的工作原理,導致繪制機構(gòu)運動簡圖困難,課堂教學效率低;靜態(tài)機構(gòu)運動簡圖無法直觀驗證機構(gòu)的運動特性和合理性[4].

1.3 在課程設(shè)計實訓教學方面

機械行業(yè)中廣泛使用的Solidworks,UG 和PTC Creo等三維設(shè)計軟件具備三維建模、運動學仿真、動力學仿真、有限元分析等功能,在高職院校往往作為一門專業(yè)課程學習,在課程設(shè)計中很少應(yīng)用或者不能系統(tǒng)應(yīng)用.現(xiàn)階段,教育技術(shù)、教育理念應(yīng)緊跟行業(yè)新技術(shù)發(fā)展,將三維設(shè)計軟件引入課程設(shè)計教學中.學生不僅可以學習先進的機械設(shè)計理念,還可利用三維設(shè)計軟件將二維平面圖轉(zhuǎn)變?yōu)槿S數(shù)字模型,并進行數(shù)字樣機裝配和運動仿真,運用透明、隱藏、剖切、測量等功能清晰地觀察復雜裝配體的內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)、尺寸關(guān)聯(lián)和運動特性等,從而驗證課程設(shè)計的合理性.

2 Solidworks軟件在機械類課程教學中的應(yīng)用

Solidworks軟件是一款基于Windows平臺的三維計算機輔助設(shè)計軟件,廣泛應(yīng)用在機械工程、電子、建筑等領(lǐng)域.該軟件具有三維建模、運動仿真、結(jié)構(gòu)分析、標準零件庫、模型渲染、有限元分析等功能.Solidworks相較于其他三維設(shè)計軟件具有人機界面友好、易學易用、功能簡潔、標準件和通用件模型庫豐富等特點.其eDrawings模塊可安裝在手機上,方便查看三維模型文件.

教師運用Solidworks軟件,不僅能進行三維實體建模和虛擬樣機裝配,還可進行運動和動力學仿真模擬、干涉檢查和有限元分析等.雖然該軟件是機械三維設(shè)計課程的教學內(nèi)容,但是其強大的功能給其他機械類課程教學帶來了巨大的幫助,而機械三維設(shè)計課程的最終目的也是培養(yǎng)學生運用三維設(shè)計軟件進行機械零部件設(shè)計的能力[5],這些課程是相輔相成的.Solidworks軟件自主探索的人機交互體驗和三維模型帶來的視覺沖擊會給學生留下深刻的印象,有利于提高學生學習的興趣.

2.1 在機械制圖課程教學中的應(yīng)用

在機械制圖課程中,為提高學生三維空間想象能力,更好地幫助學生理解空間形體與平面投影之間的對應(yīng)關(guān)系,教師可運用Solidworks軟件創(chuàng)建三維實體模型教學資源,展示模型中各輪廓線條和模型的內(nèi)部特征.學生使用軟件的旋轉(zhuǎn)、縮放、透視、剖切等模型查看功能,可以全方位地觀察模型各部分的細節(jié)[6].軟件還可以自動生成二維工程圖,可直觀地讓學生建立起空間形體與平面投影之間的內(nèi)在聯(lián)系,有利于提高學生的空間想象力.

圖1為兩個表面平齊與不平齊的畫法示例,可以看出,通過在Solidworks軟件建立零件三維模型,能清晰地展示物體的外形特征和二維圖形線條的對應(yīng)關(guān)系,輕松突破課程重難點知識,提高課程教學質(zhì)量.

圖2為圓柱直徑變化時,相貫線產(chǎn)生的位置和形狀變化情況.在講解此類知識點時,單憑理論知識灌輸,無法令學生在腦海中構(gòu)建出實體模型.而利用Solidworks軟件在同一空間中構(gòu)建出圖2的4個三維模型,可幫助學生直觀地看到在豎直方向圓柱體直徑變化時,兩圓柱體相貫線的變化情況.同時,利用自動生成的二維工程圖,可輔助學生建立實體輪廓與二維圖形線條的對應(yīng)關(guān)系,輕松突破該教學難點.

圖2 圓柱體直徑變化時相貫線的變化情況

2.2 在平面連桿機構(gòu)教學中的應(yīng)用

在學習平面連桿機構(gòu)時,首先接觸的是機構(gòu)、運動副、自由度等概念性知識,在沒有見過實物的前提下,學生理解起來有一定的困難.例如在圖3中,齒輪具有兩種機構(gòu)運動簡圖表達符號,分別表示齒輪的兩個方位,在沒有實物對比的情況下,初學者往往難以理解和記憶.為了使學習者快速理解和記憶齒輪的表達符號,可在Solidworks軟件的Toolbox標準零件庫中快速調(diào)取兩個齒輪模型,并進行簡單裝配,選取相應(yīng)的視圖方位,直觀地展示兩種齒輪機構(gòu)運動簡圖符號所表達的含義.

圖3 齒輪的兩種符號表達與三維模型對比

再例如圖4,教師運用Solidworks軟件創(chuàng)建固定鉸鏈和活動鉸鏈的三維實體模型,并分別與其機構(gòu)運動簡圖符號對比,制作簡單的運動動畫,直觀地向?qū)W生展示兩個運動副的實際結(jié)構(gòu)、裝配情況和運動邏輯.學生通過三維實體模型與教材中圖形符號的對比,能快速識別關(guān)鍵特征,判斷運動副的類型,提高學習效率.

圖4 運動副的圖形符號、三維模型和動態(tài)模型表達

在進行平面機構(gòu)運動簡圖教學時,需要學生根據(jù)機構(gòu)的具體運動情況確定構(gòu)件數(shù)目、運動副的類型和相對位置,繪制出機構(gòu)的運動簡圖,以簡明表示機構(gòu)組成和各構(gòu)件之間的相對運動關(guān)系.這個過程的關(guān)鍵是學生能否直觀地看到機構(gòu)的運動情況,而不是單純地僅靠理解和想象.如圖5,為了讓學生更順利地繪制出機構(gòu)的運動簡圖,可運用Solidworks創(chuàng)建戶外橢圓機的三維實體模型,并按實際構(gòu)件間的約束進行裝配,然后進行機構(gòu)運動仿真,這樣學生就可以在三維空間內(nèi)全方位地觀察機構(gòu)的運動情況,掌握其運動規(guī)律,從而快速地繪制出其機構(gòu)運動簡圖.

圖5 戶外橢圓機機構(gòu)運動簡圖和三維模型

在繪制機構(gòu)運動簡圖時,也可以利用Solidworks軟件的草圖功能進行機構(gòu)簡圖的動態(tài)展示.如圖6,將草圖構(gòu)件制作成“塊”,根據(jù)運動副的屬性為其添加邏輯約束,再通過鼠標拖動實現(xiàn)機構(gòu)運動簡圖的動態(tài)展示,可直觀地看到各構(gòu)件的運動規(guī)律和運動軌跡.草圖中,各構(gòu)件尺寸可以任意修改,以驗證不同長度組合的機構(gòu)展現(xiàn)出的不同運動特性.學生通過簡單的交互操作,對平面連桿機構(gòu)的認識更直觀,更容易理解其運動特性.這種從靜態(tài)圖形到動態(tài)圖形的轉(zhuǎn)化,能夠幫助學生快速理解、掌握相關(guān)知識.

圖6 鼠標拖動實現(xiàn)機構(gòu)運動簡圖動態(tài)展示

2.3 在機械課程設(shè)計實訓教學中的運用

二級圓柱齒輪減速器是機械課程設(shè)計實訓中常用的設(shè)計對象.在減速器設(shè)計過程中,傳統(tǒng)的實訓課程教學內(nèi)容見圖7的虛線框部分.設(shè)計過程中,以軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械傳動設(shè)計、連接件設(shè)計和其他零件設(shè)計為切入點,按照不同環(huán)節(jié)細分,采取逐層遞進的方式,達到基礎(chǔ)教學目標.

圖7 圓柱齒輪減速裝置教學流程

借助Solidworks軟件的輔助設(shè)計功能,學生可自主決定采用“自頂向下”或者“自底向上”的設(shè)計模式來完成課程設(shè)計,提高設(shè)計質(zhì)量和效率.設(shè)計過程中,學生可以深入了解所設(shè)計的機械裝置中各零部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系和尺寸關(guān)聯(lián),使結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理,并減少尺寸計算錯誤.還可按照零部件的邏輯運動關(guān)系,為相配合的零部件添加裝配約束,通過拖動模型的方式,檢查零部件的運動規(guī)律是否符合設(shè)計要求及零部件在運動狀態(tài)下是否會發(fā)生干涉碰撞,然后按照數(shù)據(jù)參數(shù)實時調(diào)整,為學生提供更直觀的圖像信息.

例如,在采用“自底向上”設(shè)計模式時,首先,通過計算確定各零件的原始尺寸,并繪制零件圖,見圖8.其次,根據(jù)零件圖繪制零件三維模型,軸承、螺栓、齒輪、帶輪等零件可以在Toolbox標準件庫中直接選型調(diào)用,并進行參數(shù)配置,見圖9.再次,在完成軸、齒輪等核心零件建模后,進行整機裝配和零件干涉檢查,以減少各零件配合尺寸錯誤,設(shè)計的二級圓柱齒輪減速器傳動機構(gòu)裝配圖見圖10.最后,根據(jù)核心零部件的外形尺寸設(shè)計其他零部件,如箱體、軸承端蓋等,最終完成減速器的整體設(shè)計.

圖8 減速器中高速軸工程圖和三維模型圖

圖9 在Toolbox標準件庫中調(diào)用并配置齒輪模型

圖10 二級圓柱齒輪減速器傳動機構(gòu)裝配圖

在機械課程設(shè)計實訓教學中,采用Solidworks軟件與設(shè)計實踐相結(jié)合,可激發(fā)學生學習的興趣和熱情,使課程設(shè)計不再枯燥乏味.設(shè)計成品能可視化地展現(xiàn)在學生面前,在給學生帶來成就感,增強學生自信心和職業(yè)認同感的同時,也能提高學生自身的專業(yè)素質(zhì)和課程設(shè)計的效率與質(zhì)量.

3 結(jié)語

在機械類課程教學中,應(yīng)用Solidworks三維設(shè)計軟件可將教學資源由二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S、由抽象轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^、由靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)、由固化轉(zhuǎn)變?yōu)閰?shù)化,這在一定程度能降低知識學習的難度和對學生的能力要求,有利于提高課堂效率和課程教學質(zhì)量.高職院校應(yīng)與時俱進,充分承擔起教育科研、教育創(chuàng)新的重任,助力機械類課程教學改革,培養(yǎng)高質(zhì)量的技術(shù)技能型人才,滿足區(qū)域經(jīng)濟對專業(yè)人才的需求.