高职机械类课程教学三维化融合应用

徐卫国　张良

摘 要：高职机械类专业的课程三维化改革是发展趋势，本文以Solidworks为教学载体，阐述了三维软件在《机械制图》《机械设计基础》《机床夹具设计》等课程教学中的应用，提出了三维化课程教改中出现的问题和建议。

关键词：Solidworks 教学 应用 课程改革

Three-dimensional Integrated Application of Mechanical Courses in Higher Vocational Education

Xu Weiguo，Zhang Liang

Abstract：The three-dimensional reform of mechanical professional courses in higher vocational colleges is a development trend. This article uses Solidworks as the teaching carrier to explain the application of three-dimensional software in the teaching of “Mechanical Drawing”， “Mechanical Design Fundamentals”， “Machine Fixture Design” and other courses. The problems and suggestions in the teaching reform of the three-dimensional curriculum are discussed.

Key words：Solidworks， teaching， application， curriculum reform

1 三维软件的选用

三维软件种类繁多涵盖制图、造型、加工、分析等诸方面，表1里集中列出了常见三维软件。

AutoCAD主要用来制作二维图纸，三维非常少;CAXA为国产软件三维功能不错;UG适合模具设计，曲面功能、三维功能强大;Creo由PRO/E升级而来，参数化设计强大，适合做产品结构设计;CATIA用于汽车航空等行业，擅长高品质的曲面造型;SolidWork简单易用，符合大部分人操作习惯，普及程度高，包容性好，和其他软件的接口和协作做得好，渲染、仿真、模具设计等上手容易，有多种常用实用模块。以上软件每款软件都有其使用场景及特点，软件的学习逻辑关系都是一样的（见图1）：草图（绘制方法、规范化和引用）、零件设计（方法、流程和特征）、装配设计（方法和流程、约束）、工程制图（三维生成二维、生成规范性）。只要突破其中一两个，其余都可快速理解上手。

综合考虑三维软件的特点（行业习惯、产品特点、入门难易程度）和教学普适性需要，我们选用Solidworks作为教学软件，融合应用于相关课程。

2 三维软件在课程教学中的应用

2.1 在《机械制图》课程教学中的应用

《机械制图》注重培养学生空间思维和想象能力，以往教师用挂图、模型、板书等形式进行，尝试将橡皮泥、切萝卜等方式帮助学生理解，取得一定效果，但对于外形和内腔较复杂的形体，传统方法展示效果有限，Solidworks实体建模展示优势明显。例如相贯线一直是课程教学难点之一，讲解起来比较困难，我们用Solidworks把实体做出来，学生观察实体，既可快速掌握相贯的概念，又可直观了解相贯线形式，纠正错误画法，教学效果很好。

2.2 在《机械设计基础》课程教学中的应用

铰链四杆机构的设计是机械传动设计中的重点和难点之一。以往教学采用图解法和解析法分析各构件的速度、角速度和角加速度，但图解法的精度受制图精度的影响，解析法虽然求解精度较高但计算工作量较大。现通过铰链四杆机构的建模、运动仿真分析，建立铰链四杆机构的数学模型、利用Solidworks中Motion模块功能，在曲柄添加旋转电机（如设置电机转速15rpm，动画时间为5s），在四杆机构动画演示过程中，曲柄作整周转动，摇杆作摆动，进一步验证了曲柄摇杆机构的性质、曲柄滑块的存在条件、急回特性等知识点。在Motion分析中，选取摇杆分析其角加速度、计算运动算例，可得摇杆角加速度与时间关系（见图3）。通过Solidworks尺寸驱动能，改变四杆机构中各杆长度，可展示出在不同杆件长度组合下，四杆机构各从动杆角速度、角加速度等指标的变化规律，对比传统分析方法利用Solidworks的Motion功能分析更加简便，可大大提高理解和设计效率。

2.3 在《机床夹具设计》课程教学中的应用

机床夹具设计中的工件定位、基准、定位误差等知识点抽象，以六点定位原理为例，学生较难理解。利用Solidworks装配模块功能，给工件加上接触约束能很好理解定位原理（如图4）：以底平面为例，工件可沿X轴、Y轴移动和绕Z轴转动，却无法离开底平面（从侧视图看出，实体底面与定位平面重合），说明X轴、Y轴移动和绕Z轴转动三个自由度未被限制，其余三个已被限制。利用Solidworks軟件还可以清楚展示定位的各种概念（完全定位、不完全定位、过定位、欠定位等），我们把学生难以理解、教师难以讲解的抽象概念，利用三维软件制作出三维分析环境，直观形象地演示出复杂变化过程，学生通过肉眼直接观察和亲身体验，教学效果明显。

3 三维软件在教学中的问题及建议

3.1 重视三维轻视二维

学生对三维软件的学习兴趣，往往大于对二维软件的学习兴趣，一方面是三维软件的学习具有趣味性，而二维软件的学习相对比较简单，学生一般不愿花更多精力。二维绘图软件在机械结构设计过程和制造加工过程的作用不可替代，二维软件可直观将零件的工艺信息（如尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、热处理等）完整表达在图纸中，二维图的修改也要比三维图要方便和快捷，用三维软件（不出二维图纸）能很好做出一个三维实体，工艺信息和复杂图形表达却不容易做到，目前理想的做法合适二维和三维的结合和互补。

3.2 三维引入工程实践

机制专业的实习实践环节，目前采用的是师傅带徒弟的实习模式。采用生产现场讲解、参观等实践方式进行，由于企业现场的设备种类多、结构复杂，现场环境差，存在实习难度、效果、组织管理等问题。要加强三维软件（如VR技术、数字工厂虚拟仿真系统等）应用到实习实践环节的建设，让学生实习前，对生产现场对设备结构特点、运行情况深入了解，再到现场实践，有针对性的对设备进行学习，学生在虚拟环境下，提前进安全教育（安全通道、安全设备、紧急处理）。

基金项目：江阴职业技术学院重点教改课题“高职机械基础课程的三维化改革”（YJJG-18128）。

参考文献：

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