新工科背景下三维造型融入机械设计课程的教学研究与实践探索

纪斌　陈兴燕　孙书蕾

［摘 要］新工科理念的提出为高校培养制造业人才指明了新方向。机械设计作为机械专业重要的设计基础课，在培养学生的工程实践能力和创新设计能力方面具有举足轻重的作用。文章基于新工科背景下机械设计的发展方向，剖析了课程教学存在的问题，将SolidWorks三维造型融入机械设计课程教学全过程，弥补了学生理论脱离实践的问题，提高了课程教学质量，培养了学生的实践与创新能力，加深了学生对行业的认识，对培养满足新工科需求的机械专业人才具有重要的意义。

［关键词］新工科；机械设计；创新设计；三维造型

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）08-0059-03

为了应对新工业革命带来的新一轮挑战，积极响应“中国制造2025”“互联网+”“中国教育现代化2035”“十四五”规划等重大战略要求，支持服务新经济、新产业的发展，聚焦破解关键核心技术“卡脖子”的问题，教育部高度重视制造业人才的培养，积极推出一系列政策和措施推动新工科建设，鼓励高等院校积极探索建设“新工科”的发展路径。随着“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”的形成，全国高校陆续掀起了探索新工科发展的热潮。因此，培养满足产业需求、工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新兴工程科技人才逐渐成为高校人才培养的新目标。机械设计课程作为机械设计制造及其自动化、车辆工程、机器人工程、飞行器制造工程、智能制造等新工科相关专业的基础平台课，在专业人才培养方案课程体系中具有承前启后的桥梁作用。机械设计课程作为一门综合性、应用性、实践性比较强的设计性课程，旨在培养学生的工程实践能力和创新设计能力，与新工科对人才培养的要求不谋而合。笔者结合自身的教学经验，总结了机械设计课程的发展现状和课程教学存在的问题，提出将三维造型课程融入机械设计课程教学实践中，以达到提高教学质量的目的。

一、新工科背景下机械设计的发展趋势

一部机器的质量基本取决于设计质量，而制造过程对机器质量起到了至关重要的作用，本质在于达到设计时所规定的质量要求，因此，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键[2]。随着机械类产品在设计方式和设计理念上的不断创新，通过借助计算机和信息化等新型技术，可以更好地提高产品整体的工作性能及结构的稳定性能[3]。机械设计跟不上未来对产品的要求是我国机械设计方面面临的比较突出的问题。传统的机械设计是以经验和直觉为基础，以现有的计算公式和设计手册为主要手段，存在设计方法单一、缺乏灵活性和创新性、设计周期长、产品综合性能差等缺点。随着新经济与新技术的发展，利用传统方法设计的产品已无法满足现代市场的需求。因此，需要打破传统设计方法的束缚，发展融入现代应用数学、力学、信息科学和微电子学等学科的现代设计方法，实现分析与设计方法的革新。同时要利用最新的技术取代经验类比法，将设计分析定量化、系统化；利用动态设计、可靠性设计、优化设计、并行设计、自动化设计等现代设计方法是提升我国现代设计水平和产品竞争力的有效手段，也是推进新工科高质量建设的必经之路。

二、机械设计课程教学问题剖析

（一）课程内容

机械设计课程研究的对象是机器的各类常用零部件，主要探讨零部件的类型、应用场合、工作情况、失效形式和设计准则。该课程的内容分布从结构上为总分的形式，总论部分简略地介绍了机器和零部件设计的基本概念和相关的基础理论，具体包括设计步骤、设计要求、设计准则和设计方法、强度理论、材料选择、摩擦磨损等。后续内容主要根据零件在机器中的作用分为连接、机械传动、轴系和其他零部件四大部分，围绕零部件应用、工作情况分析、失效和设计等相对固定的框架具体展开。每一章节都是新的内容，章节内容彼此孤立，无明显逻辑关系。同时，在对零部件进行设计分析的过程中，需要用到数学、力学、工程材料及成形技术、机械原理等相关的基础知识。图纸作为工程界的语言，贯穿整个设计过程，机械制图和互换性与测量技术是识图、读图和作图的基础。机械设计课程内容繁杂、知识涉及面广、理论推导困难、公式和图表多是机械设计课程的主要特点。

（二）學生学情

机械设计课程的开课对象通常为大三学生，通过大一、大二两个学年对学科基础课程的学习，学生基本具备了学习机械设计课程的基础理论。然而，大三学生缺少了初入大学时的热情也是现如今高年级学生普遍存在的现象。一方面，由于大学前两年主修的是通识类课程，导致学生对专业认识不够、定位不清晰，缺乏学习热情。此外，高等数学、物理、理论力学等学科课程学习难度大，一定程度上打击了部分学生学习的自信心和积极性。另一方面，机械设计课程本身的理论性与实践性比较强，学生缺乏工程实践的经验，无法将枯燥的理论知识应用到生产实践，在一定程度上打击了学生的学习兴趣，导致学生的知识获得感不足。然而，作为信息时代的青年大学生，动手能力强、思维活跃，在获取信息和计算机应用上又具备一定的条件和优势，因此能够充分融合线上线下资源开展学习。

（三）教学资源

机械设计课程作为一门传统课程，其教学资源相对稳定，教材选择性广，与教材配套的教学PPT图文并茂，辅助教学的实验设备基本满足传统的教学需求。在教辅方面，系统完整的资源库、案例库相对较少，特别是融入新理念、新方法的配套资源欠缺，与教材配套的习题相对较少且缺乏创新性。随着科学技术的进步，传统的资源已然跟不上信息化、智能化的需求，因此，如何帮助学生解决从理论到实践，从抽象到具体，从平面思维到立体思维的转变也是建设课程资源和培养新工科人才迫切需要解决的问题。

（四）教学现状

机械设计课程的教材主要选用经典教材，工程案例偏少，附图主要是二维图形，内容没有及时更新，反应学科领域新理论、新技术的内容欠缺，且未能较好地融入现代设计的理念。在课堂教学方面，随着信息技术的发展，在“互联网+”新教育形式、“新工科”“课程思政”等新教育理念的推动下，高校教师在课堂教学改革上虽然开展了一些研究，也尝试引入了新的教学模式，但传统教学方式的影响根深蒂固，导致教学改革难以发生质的改变。教学学时缩减、教学内容未能合理设置、配套实践环节总学时占比低等因素，导致学生主体地位不突出，学习成果达成度不理想。因此，如何提高学生的学习参与度和获得感，培养与时代接轨的工程人才依然是工科院校面临的挑战。

三、融入三维造型的机械设计课程教学研究与实践

机械设计课程研究的对象是实体，利用三维造型软件构建实体模型并应用到教学全过程。这样不但可以实现课程的有效融合，还能加深学生对工程问题的理解，提高学生的课堂参与度，有助于培养学生的工程应用能力和创新设计能力。目前，机械类专业使用的三维造型软件主要有SolidWorks、UG、Pro/ENGINEER、CATIA等，其中SolidWorks相对容易操作，获得了众多高校师生的青睐。利用SolidWorks进行机械产品设计是一种适应科技发展的现代设计方法，产品的零件设计、装配设计、仿真分析等产品开发环节都涵盖其中，而将SolidWorks三维造型融入机械设计课程的理论教学、实验教学和课程设计等环节同样是教学改革的一种手段。

（一）配置基于SolidWorks的机械设计课程教学资源

配置实体视频资源可以加深学生对研究对象的理解。首先，利用SolidWorks构建包括螺纹连接、键连接、带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、滚动轴承、轴等与教学内容匹配的实体模型库。其次，制作SolidWorks三维动画并配以机械设计对应的知识点旁白，构建视频资源库。最后，对于装配分析和力分析这类比较难的知识点则单独构建资源库服务课堂教学。将机械设计知识与SolidWorks软件制作的实体动画等课程资源应用到实际教学中，帮助学生更好地理解工程知识，形成工程思维。

（二） 融入SolidWorks的机械设计课程教学实践

培养满足新工科要求的人才，应充分发挥以学生为中心、教师为主导的作用，在坚持以学习成果获得为目标的同时，需注重拓宽学生的视野。在“互联网+教育”这一新的教育生态环境下，课程教学正逐渐从传统模式向线上线下相结合的新模式转变。通过整合传统与网络资源，利用各类教学平台辅助教学，从而引导学生独立学习，提高学生的学习参与度，进而达到提高教学质量的目的。有了网络与教学平台的支撑，在整个教学过程中，各类资源的应用和融入也变得简单方便。

1.SolidWorks贯穿理论教学全过程

一次完整的课堂教学应该包含课前预习—课中教学—课后复习三个阶段。在课前预习环节，将前期制作的基于SolidWorks的课程资源发布在雨课堂、清华在线等平台上，让学生观看视频，并总结收获。区别于MOOC视频，此类课程资源主题明确，学生在观看的过程中不同于传统的听课方式，而更像在看一部纪录片，进而更能激发学生的学习兴趣。如在讲解螺纹连接的类型之前，将螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接和紧定螺钉连接的预习视频分享给学生，让学生提前发现不同类型的螺纹连接的特点，了解其结构差异、连接场合。在课堂教学过程中，教师可以充分发挥主导作用，引导学生谈谈收获。如螺栓这类标准件在SolidWorks的设计库中就有不同的结构类型。教师可以利用这些资源拓宽学生的工程视野，而非局限于课本固有的类型。同时，通过这种方式能够帮助部分识图能力较弱的学生更好地理解教材中的装配图中的连接装配关系，增强学生的学习信心。在课后复习环节，学生可以利用这些资源对学习内容进行查缺补漏。

2.SolidWorks在实验环节的应用

机械设计课程作为一门实践性较强的课程，配套有一定的实验学时。如对带传动、链传动、齿轮传动等不同传动类型的性能测定、轴系结构的设计、机械综合等实验。但在教学过程中不难发现，实验效果并不理想，与预期目标存在差异。比如对于一些驗证性的实验，由于设备陈旧导致灵敏度不够，存在检测数据不精确的现象。利用SolidWorks的零件设计、装配设计和仿真分析等功能，可以增设一些仿真实验。比如在做带传动性能测定实验时，由于皮带使用时间久，容易发生变形，导致检测结果不准确，然而，通过SolidWorks建模进行带传动运动仿真分析，可对实验结果进行补充完善。在做设计性实验时，如轴系的设计，由于设计过程本身就是一项创新活动，加上实验条件的限制，导致部分学生创新设计的方案没有与实体匹配，导致最后装配不出来。利用SolidWorks辅以装配，形成对比试验，能够使实验效果更佳，更具有说服力。模拟仿真实验可以丰富实验教学方式，从而反哺理论学习，帮助学生达到学以致用的目的。

3.基于SolidWorks的机械设计课程设计

机械设计课程设计是将理论知识应用于实践的过程，通过这一环节，学生可以初步掌握简单机械的设计方法和步骤，是培养学生设计技能的重要环节。减速器广泛存在于各类机器中，是一类典型的传动系统。由于其组成零件类型比较完整，因此是用于综合训练的不二选择。传统的课程设计要求学生完成设计计算，并绘制出典型零件的零件图和减速器装配图。学生由于缺乏工程经验，设计出的作品不够精细，因此无法直接应用到实际。当加入SolidWorks建模、装配以后，学生可以充分了解设计中的零件，然后进行计算、建模、装配，从而发现理论设计与实际装配之间存在的问题，及时完善设计，真正达到培养学生工程知识应用的目的，同时帮助学生与行业接轨，转变陈旧的、按部就班的设计思路。

四、结语

基于SolidWorks三维造型的机械设计课程教学实现了理论课程与应用课程的融合。学生在学习的过程中不但能够学习设计理论知识，还能够利用SolidWorks把设计结果呈现出来，这是对三维造型课程的又一次应用与提升。同时，利用SolidWorks实体造型功能将各类零件实体模型带入课堂，实现了从抽象到具体的转变，在一定程度上解决了学生脱离工程实际，无法将理论学习与工程应用相联系的问题，使得课程学习更具吸引力。在实践环节，将SolidWorks用在具体机械装置的设计中，不但培养了学生新的设计思维，使学生明白学以致用的道理，而且加深了学生对专业、对课程以及对未来行业的了解，形成工程思维，提升工程实践能力。基于SolidWorks三维造型的机械设计课程，使得学生对理论知识的掌握和工程应用能力都得到了提升，为机械专业培养满足行业要求的新工科人才打下了基础。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 叶民，孔寒冰，张炜. 新工科：从理念到行动[J].高等工程教育研究，2018（1）：24-31.

[2] 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2019：6.

[3］ 杜东平.浅谈现代机械设计方法与未来机械设计[J].中国设备工程，2019（12）：168-170.

[4］ 刘军，张涛.基于新工科背景的机械设计课程创新[J].机械设计，2020，37（S2）：268-270.

[5］ 熊宗团. 三维CAD 技术在机械设计中的运用分析[J].科技创新导报，2019，16（12）：117.

[6］ 常思江，卫东华.“新工科”背景下专业课程“金课”建设探索：以南京理工大学武器发射工程专业为例[J].高教学刊，2020（33）：6-10.

[7］ 章培培，王东生.新工科背景下《机械设计》金课教学方法探析[J].铜陵学院学报，2021，20（3）：123-125.

［责任编辑：黄紧德］