梁 建 偉

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)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(jì)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(jī)制的不斷優(yōu)化,對機(jī)械行業(yè)人才的要求也在不斷提高.高職院校在培養(yǎng)機(jī)械類專業(yè)人才的過程中應(yīng)不斷進(jìn)行教學(xué)改革,深入分析教學(xué)中存在的問題,結(jié)合專業(yè)課程特點(diǎn)及學(xué)生能力水平等因素,對課程的教學(xué)資源、教學(xué)手段、教學(xué)方式等進(jìn)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(jī)械類課程具有較強(qiáng)的專業(yè)性和實(shí)踐性.基礎(chǔ)課主要教授專業(yè)基礎(chǔ)知識,讓學(xué)生認(rèn)識基本的機(jī)械零部件、工具、量具等,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和職業(yè)認(rèn)同感,是專業(yè)課程的先導(dǎo)課程,主要面向?qū)I(yè)初學(xué)者,為專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).專業(yè)課和專業(yè)拓展課能使學(xué)生掌握更加專業(yè)和復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備的操作方法和技術(shù)技能,培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)和解決實(shí)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(shí)物圖片或文字?jǐn)⑹鰹橹?不易使學(xué)生清晰地認(rèn)識零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、配合關(guān)系和運(yùn)動規(guī)律,通過課本知識來理解和學(xué)習(xí)機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件也存在一些困難[1].這些課程對學(xué)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(xué)習(xí)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(xué)任務(wù),高職院校必須創(chuàng)新教學(xué)資源和教學(xué)方法.本文結(jié)合高職機(jī)械類課程教學(xué)中存在的問題,在課程教學(xué)過程中利用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件輔助教學(xué),以期提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,豐富教學(xué)資源,讓學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識和技能,提高課堂教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量.

1 機(jī)械類課程教學(xué)中存在的不足

1.1 在機(jī)械制圖教學(xué)方面

機(jī)械制圖課程一般在新生入學(xué)第一學(xué)期開設(shè),它作為整個機(jī)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(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)水平直接影響其后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果[3].該課程對學(xué)生空間想象能力的要求較高,學(xué)生一旦遇到無法突破的學(xué)習(xí)難點(diǎn),容易產(chǎn)生厭學(xué)心理,從而降低學(xué)習(xí)興趣.為了解決學(xué)生空間想象能力偏弱的問題,通常采用實(shí)物圖片或?qū)嵨锬Ｐ瓦M(jìn)行輔助教學(xué),這在一定程度上降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度,但仍存在一些局限,如實(shí)物圖片為二維教學(xué)資源,無法全方位地展示實(shí)物特征;教學(xué)模型無法做到人手一個,教學(xué)效果提升有限;教學(xué)模型種類繁多,且易損壞,模型存放和管理有難度;教學(xué)模型無法修改,教學(xué)內(nèi)容相對固化;實(shí)物圖片和教學(xué)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(xué)效率,無法取得理想的教學(xué)效果.

1.2 在平面連桿機(jī)構(gòu)教學(xué)方面

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

1.3 在課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)方面

機(jī)械行業(yè)中廣泛使用的Solidworks,UG 和PTC Creo等三維設(shè)計(jì)軟件具備三維建模、運(yùn)動學(xué)仿真、動力學(xué)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(xué)習(xí),在課程設(shè)計(jì)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(jì)軟件引入課程設(shè)計(jì)教學(xué)中.學(xué)生不僅可以學(xué)習(xí)先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)理念,還可利用三維設(shè)計(jì)軟件將二維平面圖轉(zhuǎn)變?yōu)槿S數(shù)字模型,并進(jìn)行數(shù)字樣機(jī)裝配和運(yùn)動仿真,運(yùn)用透明、隱藏、剖切、測量等功能清晰地觀察復(fù)雜裝配體的內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)、尺寸關(guān)聯(lián)和運(yùn)動特性等,從而驗(yàn)證課程設(shè)計(jì)的合理性.

2 Solidworks軟件在機(jī)械類課程教學(xué)中的應(yīng)用

Solidworks軟件是一款基于Windows平臺的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件,廣泛應(yīng)用在機(jī)械工程、電子、建筑等領(lǐng)域.該軟件具有三維建模、運(yùn)動仿真、結(jié)構(gòu)分析、標(biāo)準(zhǔn)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(jì)軟件具有人機(jī)界面友好、易學(xué)易用、功能簡潔、標(biāo)準(zhǔn)件和通用件模型庫豐富等特點(diǎn).其eDrawings模塊可安裝在手機(jī)上,方便查看三維模型文件.

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

2.1 在機(jī)械制圖課程教學(xué)中的應(yīng)用

在機(jī)械制圖課程中,為提高學(xué)生三維空間想象能力,更好地幫助學(xué)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(yùn)用Solidworks軟件創(chuàng)建三維實(shí)體模型教學(xué)資源,展示模型中各輪廓線條和模型的內(nèi)部特征.學(xué)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(xì)節(jié)[6].軟件還可以自動生成二維工程圖,可直觀地讓學(xué)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(xué)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(diǎn)知識,提高課程教學(xué)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(diǎn)時,單憑理論知識灌輸,無法令學(xué)生在腦海中構(gòu)建出實(shí)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(xué)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(xué)生建立實(shí)體輪廓與二維圖形線條的對應(yīng)關(guān)系,輕松突破該教學(xué)難點(diǎn).

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(jī)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

在學(xué)習(xí)平面連桿機(jī)構(gòu)時,首先接觸的是機(jī)構(gòu)、運(yùn)動副、自由度等概念性知識,在沒有見過實(shí)物的前提下,學(xué)生理解起來有一定的困難.例如在圖3中,齒輪具有兩種機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖表達(dá)符號,分別表示齒輪的兩個方位,在沒有實(shí)物對比的情況下,初學(xué)者往往難以理解和記憶.為了使學(xué)習(xí)者快速理解和記憶齒輪的表達(dá)符號,可在Solidworks軟件的Toolbox標(biāo)準(zhǔn)零件庫中快速調(diào)取兩個齒輪模型,并進(jìn)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(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號所表達(dá)的含義.

圖3 齒輪的兩種符號表達(dá)與三維模型對比

再例如圖4,教師運(yùn)用Solidworks軟件創(chuàng)建固定鉸鏈和活動鉸鏈的三維實(shí)體模型,并分別與其機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號對比,制作簡單的運(yùn)動動畫,直觀地向?qū)W生展示兩個運(yùn)動副的實(shí)際結(jié)構(gòu)、裝配情況和運(yùn)動邏輯.學(xué)生通過三維實(shí)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(yùn)動副的類型,提高學(xué)習(xí)效率.

圖4 運(yùn)動副的圖形符號、三維模型和動態(tài)模型表達(dá)

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

圖5 戶外橢圓機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖和三維模型

在繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖時,也可以利用Solidworks軟件的草圖功能進(jìn)行機(jī)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(yùn)動副的屬性為其添加邏輯約束,再通過鼠標(biāo)拖動實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的動態(tài)展示,可直觀地看到各構(gòu)件的運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動軌跡.草圖中,各構(gòu)件尺寸可以任意修改,以驗(yàn)證不同長度組合的機(jī)構(gòu)展現(xiàn)出的不同運(yùn)動特性.學(xué)生通過簡單的交互操作,對平面連桿機(jī)構(gòu)的認(rèn)識更直觀,更容易理解其運(yùn)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(xué)生快速理解、掌握相關(guān)知識.

圖6 鼠標(biāo)拖動實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖動態(tài)展示

2.3 在機(jī)械課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的運(yùn)用

二級圓柱齒輪減速器是機(jī)械課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)中常用的設(shè)計(jì)對象.在減速器設(shè)計(jì)過程中,傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)內(nèi)容見圖7的虛線框部分.設(shè)計(jì)過程中,以軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械傳動設(shè)計(jì)、連接件設(shè)計(jì)和其他零件設(shè)計(jì)為切入點(diǎn),按照不同環(huán)節(jié)細(xì)分,采取逐層遞進(jìn)的方式,達(dá)到基礎(chǔ)教學(xué)目標(biāo).

圖7 圓柱齒輪減速裝置教學(xué)流程

借助Solidworks軟件的輔助設(shè)計(jì)功能,學(xué)生可自主決定采用“自頂向下”或者“自底向上”的設(shè)計(jì)模式來完成課程設(shè)計(jì),提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率.設(shè)計(jì)過程中,學(xué)生可以深入了解所設(shè)計(jì)的機(jī)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(jì)更合理,并減少尺寸計(jì)算錯誤.還可按照零部件的邏輯運(yùn)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(yùn)動規(guī)律是否符合設(shè)計(jì)要求及零部件在運(yùn)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(shí)時調(diào)整,為學(xué)生提供更直觀的圖像信息.

例如,在采用“自底向上”設(shè)計(jì)模式時,首先,通過計(jì)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(biāo)準(zhǔn)件庫中直接選型調(diào)用,并進(jìn)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(jìn)行整機(jī)裝配和零件干涉檢查,以減少各零件配合尺寸錯誤,設(shè)計(jì)的二級圓柱齒輪減速器傳動機(jī)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(jì)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(jì).

圖8 減速器中高速軸工程圖和三維模型圖

圖9 在Toolbox標(biāo)準(zhǔn)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(jī)構(gòu)裝配圖

在機(jī)械課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中,采用Solidworks軟件與設(shè)計(jì)實(shí)踐相結(jié)合,可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情,使課程設(shè)計(jì)不再枯燥乏味.設(shè)計(jì)成品能可視化地展現(xiàn)在學(xué)生面前,在給學(xué)生帶來成就感,增強(qiáng)學(xué)生自信心和職業(yè)認(rèn)同感的同時,也能提高學(xué)生自身的專業(yè)素質(zhì)和課程設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量.

3 結(jié)語

在機(jī)械類課程教學(xué)中,應(yīng)用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件可將教學(xué)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(xué)習(xí)的難度和對學(xué)生的能力要求,有利于提高課堂效率和課程教學(xué)質(zhì)量.高職院校應(yīng)與時俱進(jìn),充分承擔(dān)起教育科研、教育創(chuàng)新的重任,助力機(jī)械類課程教學(xué)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(jì)對專業(yè)人才的需求.