基于数字化设计的机械设计课程教学改革

左斌

摘要：针对现有机械设计课程中出现的学生主动性不强，设计内容如出一辙，手工绘图实用性不强，设计过程繁杂等问题，提出了以企业应用为主的教学改革。文章从教学方法、设计手段、教学效率等方面进行了改革探讨。经过六个班级的教学实践，学生的主动性得到了更好的发挥，数字化设计水平得到了提高，达到了教学改革目的。

关键词：机械设计；数字化设计；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）43-0137-03

机械设计课程是机电工程学院一门综合性比较强的专业技术课程，它是培养学生分析问题，解决问题的设计能力，学会运用所学的机械制图，工程力学，测量与公差等课程的专业知识来进行解决问题。设计的内容主要包括：机构方案的拟定，传动零件的参数选择，大小齿轮和大小轴的计算设计，绘制一根轴和一个齿轮的零件图和装配图，最后完成设计说明书的编写。通过这一课程的实施，使学生学会了解，掌握机械设计的基本步骤和设计思路，为后续专业课程的学习以及将来的工作奠定了理论基础。

一、机械设计课程设计现状及存在的问题

一直以来，本校机械设计课程设计还是傳统的沿用集中讲解模式。教师结合书本上内容，对学生进行零部件运动学和动力学的讲解，帮助学生解决设计计算过程中遇到的公式问题，同时还辅导学生如何查询表格，以及对表格的换算问题。根据计算结果验证零部件可靠性并完成二维零件的手工绘图，最后将所进行的所有内容写入说明书。这一教学过程存在的问题主要表现在以下几个方面。

（一）学生学习的主动性不强，设计内容如出一辙

学生在设计时缺乏实践背景，对减速器机构的结构、制造、工艺、装配以及应用缺乏认识，只能按照教材案例按部就班的进行公式选取，从手册中选取关键参数值，然后进行计算和绘图，很难将设计过程与实际应用联系起来。设计的公差和加工精度完全按照书本进行，缺乏实际的工程背景经验。学校也无这方面的测绘和实践教学活动，导致学生对减速箱的了解不是很深。另一方面，现在网络这么发达，学生很容易从网络中获得这方面的资料，甚至有些同学直接从网络上下载下来只做简单修改，就变成自己的课程设计内容。

（二）学生的手工绘图已经跟不上技术的发展，实用性不强

目前本校的课程设计还是采用手工绘图，因绘图板和绘图工具比较大，需将学生集中在统一的学习场所进行课程设计，虽然这种教学目的是让学生通过课程实践，了解减速强的基本结构，掌握一般的结构设计步骤和方法，锻炼学生的绘图能力，但学生间很容易相互抄袭，且在绘图上花费了大量的时间。这种方式已经不适用于现在企业和社会的需求，同时这种手工绘图效率低，不美观，后续修改和更新比较麻烦，且不易保存和更新。

（三）计算过程繁杂，花费大量时间

传统的机械设计课程设计还是采用手工计算，根据设计要求主要对各个零件进行强度计算分析，通过计算结果得出各个零件的几何尺寸，这种计算方法的计算工作量大，计算复杂，同时需要查询多个表格进行参数的选择。而高职院校学生的理论知识水平不高，对于这种设计计算需要花费更多的时间，这种繁杂的计算过程会让学生对该课程失去学习的兴趣，他们更倾向于实际动手能力的实践，或者以应用为主的课程设计计算。

二、机械设计课程改革的社会需求

在当前机械课程设计的教学改革下，不仅注重于理论创新，培养的学生也要符合企业需求，因此有必要对学生进行企业实践。在实践过程中，不仅加深了学生对结构的了解，也对学校所学的理论知识进行了巩固。

随着计算机的快速发展，现代企业的机构设计已经进入数字参数化设计阶段，在机械设计课程设计过程中应用先进的三维软件Inventor不仅有利于模拟企业的真实环境，而且有利于培养学生的设计思维和创新能力。利用三维软件先进行三维零件设计，再生成二维图纸，即符合实际设计需求，又能激发学生的设计兴趣。同时三维软件的参数化设计也方便日后的修改和创新，提高了设计效率。以3D软件设计的图纸也更利于保存和查阅。

随着社会需求的日益变化，企业在开发产品过程中不可能每次都对零件进行手工计算。为了节约设计成本，快速确定设计方案，提高设计效率，可将繁杂的计算过程变成小程序，这已成为现代企业的必然需求。

一方面，为了培养符合企业和社会需求的应用型人才，急需提高设计方案效率，缩短设计的周期。另一方面，随着市场竞争的日益激烈和用户需求的不断提高，产品更新换代速度越来越快，急需对现有机构进行改进和创新，所以提高设计效率是至关重要的。

三、提高教学质量，培养企业需求型人才的改革措施

机械设计课程设计是一门非常重要的以设计为主，同时结合机械设计，工程材料，工程力学和公差与配合等专业课程知识为基础的实践课程。该课程主要教学目标是使学生掌握设计的一般过程和步骤，其核心要素是培养符合现代企业需求的设计人才。

目前本校该课程设计还停留在传统的减速器设计阶段，已不适应目前企业生产需求，与学生未来工作脱节。因此，在当前建设一流品质院校的背景下，需对机械设计课程设计的教学模式进行改革：让学生走进企业，到企业中去实践，了解减速器机构的实际生产制造，装配和工艺流程，然后再回到学校进行课程设计，企业实践为学生的设计基本功奠定了良好扎实的基础。学校教育不是让学生去适应现有教育模式，而是我们的教育要适应学生的学习需求，适应社会不断变化的需求。只有这样，才能培养出符合社会企业需求的人才，才能更好的为学生提供良好的就业条件，才能推动学校教学特色的改变。

机械设计课程的一般步骤是根据给定的已知条件进行运动学和动力学的计算，然后绘制零件图和总装配图，最后完成任务书。其主要工作内容如图1。

根据课程设计的主要工作内容，从教学方法、教学手段和教学效率三个方面进行教学改革，其具体内容如下。

（一）创新教学方法，发挥学生主体性

本校的机械设计课程设计与其他院校的设计题目类似，均是减速箱的设计，参考的书目是机械工业出版社出版的减速器设计实例精解课本。但随着科技的进步，教师的教学理念与教学方法也要更新，要将讲授为主的教学方法变为学生为主体的探究性学习。故在进行课程设计前对学生进行企业实践，教师可以按照课程设计要求和企业标准协同合作，共同制定企业实践大纲，让学生带着课程设计要求进行参观减速箱的制造与装配过程或通过与企业合作将减速箱的生产安装过程录制成视频，供在校学生观看，以加深学生对知识的理解。

这个阶段的改革是在课程设计之前，加强学生企业实践，既增强学生对设计机构的直观感受，又帮助学生更好地理解设计的原理和结构，从而进一步掌握机械设计过程与方法。由此，学生的主动性和积极性将被调动，主体性更好地被发挥，从而促进学习的有效性。具体可以按照表1进行考核，考核合格后在进行课程设计。

（二）改革设计手段，二维变三维

目前本校的机械设计课程还是以教师指导为主，学生参照课程设计案例按部就班地进行二维设计，如此，学生在设计过程中易缺乏相应的积极性和创新性。而随着CAD技术的发展，各种行业中三维软件已逐步取代二维设计，极大提高了设计的准确性与效率。与此同时我校《机械制图》已经采用三维软件Inventor进行教学改革，在学校老师和同学双方的共同努力下，已经取得了不错的学习效果，该课程也获得了苏州第三批高职院校优秀新课程。因此，可将三维软件引用到课程教学中，用三维软件来代替二维软件设计，全方面提高设计水平，进一步贴合企业需求。

这个阶段的改革是在课程设计中进行的，运用三维软件进行课程设计，既有助于学生直观的掌握零件结构，又帮助学生提高了设计的美观性，从而进一步提高设计效率。经过6个班级的试验，本次教学改革取得了不错的教学效果。图2为某学生低速轴的设计和计算步骤图，图3为某学生的减速箱三维总装图。Inventor软件的设计给轴类零件、齿轮类零件以及标准常用件的设计带来了快速的解决方案。既可以运用参数化的进行逐步建模，又可以对设计的零件进行系统理论计算。

（三）增设设计程序汇编，提高设计效率

将多种表格中的参数以数据库的形式存储于Excel中，结合编写的计算小程序共同进行机构零件強度的理论计算。具体做法：（1）将班级分成若干个小组，各个小组成员间合理分工编写；（2）通过小组成员间的相互协调合作将小程序汇总起来，变成一个计算器的程序；（3）最终每个小组进行相互讨论，确定出一个最实用的计算器形式的程序。从而为零件的改进提供了理论依据，以及为后续设计新零件时缩短设计中的计算时间，提高了课程设计的实训效率，从而学生可将更多的时间和精力用在机构零件设计和方案创新上。

通过将每个零部件的设计过程编写小程序，只需输入已知条件，便可得出零件的结构尺寸，避免了每次新设计零件的大量重复的不必要工作，从而为后续零件的改进提高了基础，以及为后续新零件的设计节约了设计计算时间，大大缩短了设计周期。

四、结论

本次机械设计课程设计的教学改革是以计算机辅助设计3D软件Inventor为机械设计课程设计的设计工具，搭建企业实践基地，运用设计计算程序汇编为载体，还是一个全新的课题，在教学方法、教学思路和教学步骤上有创新的空间。运用现代设计学理念对课程内容安排、授课方式、考核标准进行实例分析和验证。同时将此改革推广到机械专业其他学科中去，具有较强的理论和实践价值。

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Abstract：The enterprise application oriented teaching reform is proposed to solve the problems of the existing course of Mechanical Design，such as poor student initiative，similarity in the design content，weak practicability of the manual drawings and complex design process.This paper discusses the teaching reform from the perspectives of the teaching method，the design method and the teaching efficiency.After the reform is applied to the teaching practice of 6 classes，the result shows that the student initiative and the digital design level are improved，thereby realizing the purpose of the teaching reform.

Key words：Mechanical design；digital design；education reform