基于SolidWorks软件的继续教育学生工程能力培养

刘 晶

（华东理工大学机械与动力工程学院,上海 200237）

随着先进成图技术的不断发展，三维造型软件逐渐受到机械、造船、航空各行业的青睐。目前UG、SolidWorks、CATIA、Pro/E、Inventor等三维设计软件被广泛应用于航空航天、机械、汽车、造船、交通、模具、医疗器械及家居等相关企业。与其他三维造型软件相比，SolidWorks三维设计软件具有简单易学、操作界面友好、功能强大等优点，该软件主要包括三维造型、曲线曲面功能、工程图及智能装配等模块。运用该软件进行三维计算机辅助设计，可快速有效地进行复杂零件和装配体的三维设计，提高企业的工作效率，降低设计过程中的错误率，提高产品质量。为了更好地将课堂所学知识与企业接轨，较多学校开设了SolidWorks等三维设计软件的相关课程，通过对SolidWorks三维设计软件的进行学习，可以提高学生的设计能力、工程实践能力及解决复杂问题的能力，将学生培养成为适应时代发展的应用型人才[1-8]。

2010年，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》提出，要优化知识结构，丰富社会实践，强化能力培养。通过SolidWorks三维设计及应用课程，可以工程实际案例为抓手，强化工程实践，优化知识层次，培养适应社会的应用型、技能型及复合型人才。掌握SolidWorks三维设计软件可以为后续的工作储备技能，在未来的工作中能更好地提高工作效率，提升工程质量，加快工程进度，这对学生职业能力的培养和职业素质的养成起着重要的支撑和促进作用。

1 基于SolidWorks软件的三维设计课程设置

继续教育是高等教育中的一部分，企业在职人员是继续教育学生的主要来源，他们进行继续学习主要是为了满足职业能力的需要，因此所学课程需与其相关行业紧密联系，注重培养学生的综合能力[9]。SolidWorks三维设计及应用课程主要是针对继续教育中机械专业的学生开设，学习此课程的目的是培养继续教育学生的三维设计能力和空间想象能力，提高继续教育学生的工程实践能力，以适应企业的快速发展，满足企业的工作需求。本门课程需要先修工程制图课程，将工程制图课程的读图能力、空间想象能力与该课程相结合，培养学生高效解决问题的能力。

此课程分为几何建模、工程图及装配等内容。其中，几何建模由简单形体建模和复杂形体建模两个部分组成，通过简单形体建模可以熟悉软件界面、软件基本命令及草图操作等内容。复杂建模部分以较为典型的轴套类零件、盘盖类零件、支架类零件和箱体类零件为案例，由易到难，依次建模，复杂建模以工程实际零件作为案例，一方面培养学生的读图能力、产品设计能力、分析问题能力及解决工程实际问题的能力，另一方面可以让学生通过实践对这4种典型零件的建模特点进行分析、归类和总结。工程图是工程人员经常使用的技术文件，通过对上述4类典型零件的几何建模后，可以快速生成其工程图并标注尺寸、表面粗糙度、形位公差等。工程图这部分内容将工程制图所学内容与软件有机结合，使学生将所学知识学以致用、融会贯通。装配体是由许多零部件组成，而装配图是一个机器设备或部件的主要技术文件，通过学习如何将各部分零件按照装配关系组装到一起并进行拆卸，可以培养学生的工程意识、综合应用能力和团队协作能力。通过SolidWorks软件进行装配，可以使学生更容易理解零件与零件之间的装配关系和拆卸顺序，也可以观察装配体爆炸视图等。SolidWorks软件是基于参数驱动的设计模式，故可以通过修改设计参数，不断完善设计方案，从而大幅提升设计效率。

2 案例教学法

结合继续教育学生的现状和SolidWorks三维设计课程的特点，需要基础与应用并重，对教学内容进行模块化设计，将教学内容分结构、分层次进行模块编排，从工程启发的角度，由浅入深、由易到难地进行设计。通过模块化设计，可以使学生更好地理解工程实践的实例。为了培养继续教育学生的SolidWorks三维设计及应用能力，可将课程分成以下5个模块：第一个模块是草图设计，为后续三维设计和虚拟装配奠定了基础；第二个模块是特征建模，是三维设计的基础；第三个模块是复杂建模，可以解决工程中比较复杂的零件建模问题；第四个模块是工程图，可以将三维设计的零部件模型直接生成二维工程图；第五个模块是智能装配，可以将所有零件通过智能装配约束进行装配，生成一个机器或部件。通过模块化设计，使学生充分掌握所学内容。

在模块化设计过程中，通过案例教学法进行实践教学，不仅可以刺激学生的学习兴趣，还能提高学生的实践应用能力。案例教学法以案例为基础，主要鼓励学生独立思考，引导学生注重思考和过程学习，重视老师和学生、学生和学生的双向交流。

在学生学习了软件的基础知识后，将轴套类零件、盘盖类零件、支架类零件和箱体类零件4类典型零件作为案例，让学生阅读相关图纸并查阅相关资料，确定不同建模方案，并从中选出最优建模方案。在选择建模方案的过程中，可以通过师生讨论或者学生之间讨论的方式进行。通过讨论交流可以加深学生对前期所学制图知识的理解，然后运用三维先进成图软件解决工程实际问题。零件是组成机器或部件的最小单元，也是进行虚拟装配的基础，通过将这4种典型零件作为案例，可以帮助学生对各类零件的结构特点进行概括总结，使其后续在同类型建模过程中，可以快速准确地实现。

在进行三维建模时，需要熟悉尺寸驱动，通过对尺寸进行修改来观察模型的变化。以两个圆柱相贯为例，直立圆柱直径不变，改变水平圆柱的直径观察相贯线的变化趋势，如图1所示，通过三维模型可以帮助理解工程制图课的相贯线内容，强化学生的空间想象能力。

图1 相贯线的变化趋势

为了达到快速建模的目的，需要对零件对象进行形体分析，分析该零件的组成部分并总结各部分的主要形状特征及各部分之间的连接关系，找到主要形体和其他形体，以便于后续建模。建模时，需按照先主要形体后次要形体的顺序进行建模，先对外部结构建模，再对内部结构建模，同时还要注意各部分形体的组合方式。

在完成三维几何建模后，根据三维模型自动生成二维工程图文件，标注零件图中的设计尺寸、表面粗糙度及形位公差等参数，从而将软件的几何建模和工程图模块联系起来。出工程图的过程，也是检验三维建模设计是否准确的过程。通过工程图的尺寸可以看出设计过程中设计尺寸是否正确。如果设计尺寸出现错误，可以回到三维建模环境进行修改，模型更新后，工程图中的尺寸也会随之更新。

对于装配模块，选择多个零件的装配体工程实际案例，按照零件间的装配关系进行装配，结合爆炸图可以观察拆开后的各零件形状。此外，还可以动态查看装配体的所有运动，对运动的零部件进行干涉检查和间隙检测。通过SolidWorks三维设计软件能够在较短的时间内完成大型装配设计，同时也可以将装配好的装配体生成二维装配图文件。装配图文件能够清楚展示机器或部件内部的装配关系、工作原理、工作状况、传动路线，是装配、检验、安装时必要的技术文件。基于SolidWorks三维设计软件，可以将零件的几何建模、多个零件的装配及装配图联系起来，并快速实现。

对不同案例的三维设计过程录制视频进行混合式教学，并将视频提供给学生，可以方便继续教育的学生课后随时观看，合理地利用碎片化时间，对已学知识进行巩固与消化。这些视频可以为课程讲解提供有效的可视学习资料，学生不仅可以在课程教学阶段进行学习，还可以在课程结束后持续进行学习，达到终身学习的目的。

3 工程能力培养

继续教育学生由于具备一定的工作经验和工作常识，因此在SolidWorks软件环境下进行三维设计时，可以结合自身的工作经验进行设计。可以将课程所学的基础知识与工作中的问题相联系，为实际工作提供更好的解决方案。通过学习SolidWorks三维设计软件，不仅能够提高学生的空间想象能力，还有助于提高其解决复杂工程问题的能力。笔者结合课程，主要从以下6方面对工程能力进行培养。

（1）以机械行业需求为指导。在课程实践中，以机械行业的典型零件和装配体为例，将制图理论知识与先进成图软件应用相结合，通过实际案例强化培训，使学生具备对机械行业典型零部件进行产品设计的工程应用能力。学生所做的零件与装配部件案例分别如图2和图3所示。支架类零件和该零件的工程图分别如图4和图5所示，图5中标注了该零件的设计尺寸。在根据三维模型出工程图时，学生遇到的主要难题是使用SolidWorks软件出工程图时会出现切边有线的问

图2 零件案例

图3 装配部件案例

图4 支架类零件

图5 支架工程图

（2）以工程实际为抓手，提高学生学习兴趣。在学生具备基本的软件建模能力后，建议他们结合工作中所遇到的问题进行思考，并提出解决方案，提高学生分析问题和解决复杂问题的能力，将学习与实践并重。

（3）任务驱动培养学生。根据教学内容，从简单到复杂布置工程任务，将任务设计作为学习要素，以典型的扳手、支架和箱体类零件作为任务设计对象。将基本简单形体建模和复杂曲面建模融入任务对象中，从而使前后内容实现无缝衔接。

（4）根据先进成图技术特点，将整个软件分为草图、简单建模、复杂建模、工程图及智能装配5个部分，将工程案例与其联系起来，突出各部分模块的主要特点，将三维建模、智能装配及工程图出图串联起来，使学生可以灵活运用这些内容，具备基本的自主设计能力。

（5）重实践。上机实验环节对先进成图技术能力的培养至关重要，针对项目案例，让学生提前查阅相关资料，了解案例对象的产品特点和重难点，在进行上机实验时，教师需因材施教，针对不同学生的问题进行回答，同时针对普遍问题及时总结并提醒，使学生积累先进成图技术和经验。

（6）在培养学生工程能力时，将文化自信、家国情怀、科学精神、诚信品质等课程思政内容以润物细无声的形式贯穿于课程中，将大国工匠精神和案例融入学习中。这样使学生在掌握SolidWorks三维设计技术的同时，明确工程人才应该具备的职业操守和职业道德，从而提高学生的综合能力和整体素质。

4 效果评价

为了综合判定继续教育学生的三维设计能力，课程主要题。工程制图对于形体相切这种组合方式，明确指出相切位置不画线。因此在出工程图时，需要选中切边有线的视图，点击右键，选择“切线”，然后选择“切边不可见”。从以下3个方面进行评定：①平时作业，主要是督促学生按各个模块所学内容进行实践练习，通过对各个模块的作业进行评定，教师需在课堂上再次强化学生掌握不牢固的知识点；②调查问卷，让学生结合SolidWorks三维设计软件几大模块的特点，写出学习后的设计经验、设计心得及遇到的问题，来锻炼学生的综合能力；③期末考试，结合工程实际评定学生的先进成图能力，在考察学生的读图能力和空间想象能力的同时，还会考察其对先进成图能力的熟悉程度。

通过案例教学法与混合式教学相结合的方式，对继续教育学生的期末考试成绩进行统计，经与传统教学班比较后发现，案例教学法与混合式教学的班级优秀率更高。两个班级成绩对比的饼形图如图6所示，其中，图6（a）为传统班级的成绩百分比，图6（b）为案例教学法与混合式教学的班级成绩百分比，通过饼形图的数据可以看出，采用案例教学法与混合式教学后的班级中90～100分的优秀学生百分比明显高于传统班级中90～100分的优秀学生百分比，说明案例教学法与混合式教学更加适合继续教育学生。

图6 成绩对比图

5 结语

对继续教育学生的培养，需要将所学内容与所从事行业密切联系。SolidWorks三维设计及应用课程不仅能够培养学生的三维设计能力和工程能力，还能够将其所学的专业理论知识与工作实际相联系，以培养学生解决复杂工程问题的能力，提升学生的综合素质。目前SolidWorks三维设计软件是在很多行业使用广泛的一种先进成图工具，通过学习该软件可以辅助其他专业基础课，为后续的机械类课程设计及毕业设计提供坚实的基础。通过案例教学法与混合式教学相结合，学习三维设计软件，能够提高学生的学习兴趣，缩短产品研发周期，降低成本并提升工作质量。