基于三维技术的机械专业实践教学的改革与实践

2014-02-22张秀梅王伟

知识力量·教育理论与教学研究 2013年21期

张秀梅王伟

[摘要]本文是以三维技术为中心，将机械专业一直沿用的传统的二维实践教学进行改革，借助计算机和三维图形软件，将三维技术应用到机械专业的实践性教学，提高学生实践能力。

[关键词]三维技术机械专业实践教学

前言

随着计算机技术的快速发展，制造业已进入数字化时代，三维技术应用也越来越广泛，其应用已遍及机械设计以及制造相关行业。传统的二维设计无法做到结构分析、运动机构分析和数控加工，不能真正做到生产的自动化，三维技术利用计算机提供的一个三维空间，设计人员可以直接在这个三维空间里建造物体的模型，表达自己的设计意图，对几何形体描述更真实、更准确、更全面。随着机械三维技术的广泛应用，相关行业也急需大量掌握此技术的人才。

作为培养社会所需要的应用型人才的高等学校，实践教学是其专业教学计划中重要的组成部分，是培养学生创新意识和实践能力的重要环节，是理论联系实际、培养学生掌握科学方法和提高动手能力的重要平台。

本文针对我校机械工程学院的实际情况，结合我校现有条件和三维应用软件，在机械类实践教学中，以三维设计为中心，以培养应用型人才为目的，将机械专业一直沿用的传统的二维实践教学进行全面的改革，借助计算机和三维图形软件（如Solidworks、Pro/Engineer等），将三维技术应用到机械专业的实践教学（如课程设计、专业综合实验、毕业设计等）中，一方面能够提高学生的学习兴趣，另一方面也能提高年轻教师的科研能力。

一、机械专业实践教学实施中存在的普遍问题

目前专业基础课和专业课的课程设计内容陈旧，其创新和改革不够，在学生综合分析、解决问题的能力培养上存在明显欠缺，不能很好地适应现代制造业的飞速发展要求。以机械原理课程设计和机械设计课程设计为例，机械原理课程设计的实施是先由指导教师指定一个具有代表性的题目（如：牛头刨床主运动机构）。然后学生按照教师指定好的人员组合和设计规范完成课程设计任务。这种方法虽然有许多优点，学生也能按部就班地完成设计任务，但随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的快速发展，这种方法已显得较为落后，不能满足社会对复合型人才发展的需要，也不能充分调动学生学习的主动性和创造性。课程设计过程中通常采用：图解法辅助解析法来完成。用图解法主要是对所研究机构进行运动和受力的分析，这种方法具有清晰、直观等优点，但也存在作图复杂、工作量大、精度低、效率低等缺陷。而采用解析法主要是指导教师将已编好的计算程序交给学生，由学生上机输入并调试程度，进行计算，将计算结果与图解法所得结果相比较，它只是起到对图解法的结果进行检验的作用，而且计算的结果是以数字的形式显示，不清晰，不直观。这样做的结果，不仅工作量较大.使设计变得枯燥无味.而且也吸引不了学生对应用计算机解决实际问题的兴趣。

相似的情况还出在机械设计课程设计中，题目单一，重复率高，学生相互抄袭的现象比较普遍，也挫伤了一部分学生的学习积极性。机械设计课程设计基本上沿用同一设计题目：“双级或单级圆柱齿轮减速器设计” 它涵盖了“机械设计”课程中大部分内容，该设计题目对培养学生掌握通用零部件、机械传动装置或简单机械的设计方法，培养学生应用现代设计方法和手段解决工程实际问题的能力是极其有效的。为了避免学生之间的相互抄袭，不少学校提出了多套课程设计的题目。尽管多套题目可以避免学生之间的相互抄袭，但是设计手段仍然不够现代化。学生设计的成果仍是二维平面图纸，但是二维视图表达，无法预防干涉情况的发生。

二、基于三维技术的机械专业实践教学方法和手段

（一）采用案例式教学

教学案例的使用可以追溯到1870年前后的哈佛法学院，第一次世界大战后被哈佛商学院采用，现在已经推广到多个学科。在实践教学中采用案例式教学，能很好地将三维技术与机械行业的专业知识结合起来。通过以机械原理中曲柄滑块、曲柄摇杆机构等典型四杆机构为案例，在机械原理课程设计中进行机构运动分析的教学；以机械设计课程中的零件，如：轴、键等典型零件为案例，进行零件强度校核的教学。由于在实践教学中的这些机构比较抽象，在课程的教学中引入案例教学法使学生从感性认识逐步上升为理性认识，再通过课程设计和实验回归于实践，这一过程符合认知的一般规律。

（二）加强实践环节力度

1）在专业课程的实践教学过程中，如：机械原理、机械设计、数控编程等课程，布置相应的题目，让学生利用三维软件进行练习，尤其是在相关课程的课程设计环节，应强调学生利用三维软件完成相关设计。在毕业设计环节，在题目的设置和设计任务中，要求学生利用相关三维软件完成设计。

2）积极组织学生参加各种机械专业类的三维竞赛：大学生机械创新设计大赛、全国三维数字化创新大赛等。

3）我院不仅在机械CAD/CAM课程的教学中增加了学生实际操作的时间。还在课程结束之后，还专门安排一周的上机实践环节，利用三维软件进行实练操作，以加强和提高学生实践水平能力。

（三）建设基于三维技术的机械专业实践教学团队

三维技术所涉及的相关课程及其专业知识非常丰富，要提高三维技术教学质量，一支高素质的教师队伍是必不可少的。为此，我院成立了三维技术教学团队，团队成员既要有教学经验丰富的，也要有多年从事工程实践的、还要有熟练掌握计算机技术的年轻教师。团队成员不仅从事专业课程的教学，同时也要对三维技术的应用有较多的研究。

三、基于三维技术的机械专业实践教学的改革实践

在机械专业学生必须进行的课程设计的实施过程中，第一步，在设计手段方面的结合先进的计算机辅助设计三维软件，对课程设计内容和形式进行一定的创新；第二步，在前面的基础上，增加课程设计的题目数量。

以机械原理课程设计中牛头刨床为例来介绍一下在实践教学中利用三维技术（如SolidWorks）进行设计。

1）参数化构件库的建立及实体装配

为了实现构件的快速建模和避免重复性工作，建立一些常用构件的三维参数化模板库，用户可以在特征模板中查询和调用各种构件模型。在这一部分，主要完成各杆件进行三维建模，完成模型库。

2）装配信息的提取与转化

在SolidWorks环境中，装配好的机构并不能直接用于机构分析，必须提取出装配体的配合特征信息，并将其转化为机构分解与分析所需要的拓扑信息和结构数据。

3）结构分解及型转化单元的分析模型

识别出结构分解所需要的信息后，将机构分解为机架、主动件和有序单元组（虚拟单构件、双杆组、约束单构件）。

4）运动分析与仿真的实现

机构分解完成后，通过设置主动件的运动参数，从而实现对整个机构的运动分析。通过定义机构的约束、运动和可选的力，从而对机构进行仿真，得出该机构的性能。最终结果的表现形式有多种，有直观的动画显示、也有仿真的曲线图和文本文件。

在熟练使用计算机辅助设计三维软件进行机构分析的基础上，可以增加多杆机构的运动分析。