先进技术在“机械设计基础”教学中的应用

唐晓莲

摘 要：文章主要探索先进技术在“机械设计基础”教学实践中的应用目的、内容和步骤，以及对这种教学改革结果的总结。通过在教学中引入机械设计软件solidworks和教具学具fischertechnik，使学生可以在计算机中进行动画演示工作原理，验证基本特性，同时利用fischertechnik，动手组装各种常用机构和小型机械，加深了学生对机械基本理论的理解，提高了学生应用计算机软件的能力和实际动手能力。

关键词：solidworks；fischertechnik；机械设计基础；教具学具

“机械设计基础”是高职院校机械类专业的一门重要的技术基础课，是为后续的专业课程打基础的。课程的目的是使学生掌握各种常用机构、常用传动和通用零部件的工作原理、结构特点、使用维护以及基本的设计计算方法，培养学生的工程实践意识，初步的设计能力和机械创新能力。

传统的“机械设计基础”的理论教学主要是教师在课堂上利用模型、课件和黑板讲解理论知识，实践教学是课程过程中去参观机构、零件的陈列室，进行机构测绘、拆装减速器，课程结束时有一个2周的课程设计，老师布置设计题目，学生根据所学内容结合机械设计手册进行设计，结果以图纸和说明书呈现。这种教学组织过程也基本达到了课程教学的目的，但也有一些问题：现在的学生每天接触计算机和手机等工具，如果教学方法还停留在模型和板书等传统方法上，不与现代先进技术结合起来，就不能适应新时代技术的高速发展。学生大部分时间用于接受知识，理解原理，就是课程设计也主要是花大量时间进行理论计算和手工画图或用CAD画平面图，这使得学生在学习中觉得学习内容过时，学习过程枯燥，感受不到专业基础课程学习的有用性，也感受不到学习的乐趣。先进的设计方法应用少，应用计算机软件解决实际问题的能力差；学生的设计结果没有得到验证和直观的呈现，设计完了有些学生也不知道设计的是什么东西，有什么作用；设计成果没有连续性，无法得到进一步的成果。如何把先进的计算机辅助设计技术、现代加工技术和材料科学应用到“机械设计基础”的教学过程中，我们教研室的老师在对以往教学工作进行总结的基础上，引进了先进的教学软件solidworks和先进的教具学具fischertechnik，对“机械设计基础”课程的教学与实践进行了改革尝试，取得了良好的效果。

1 将机械设计软件solidworks引入“机械设计基础”课程的教学中

solidworks是基于Windows操作系统的机械设计软件，先进行机械零部件的三维实体设计，然后进行模拟装配及其三维实体机构运动模拟、干涉检查或进行机构的运动分析。solidworks的设计方案有很多，可以随时发现设计过程中的错误，及时改进以提高产品质量。产品设计的全过程都是可以实时编辑的，零件的结构设计、装配过程设计和生成的工程图之间是全部相关联的。solidworks可以自动生成工程图（包括平面图和立体图），而且工程图是前后联系的，改动图纸中的任一参数，三维模型、各个视图、装配体都会联动，自动更新。solidworks也提供了技术先进的工具，可以通过互联网进行协同工作。可以一个团队位于不同的地方，共同设计一个产品[1]。

1.1 实施目的

紧扣高职院校培养高级应用型人才的培养方案，培养基础扎实、理解能力强、应用新技术能力强的学生为目的，将功能强大的solidworks软件应用到“机械设计基础”的教学中，有利于理论教学与实践教学的有机结合，使学生易于理解所学的理论知识，建立工程实际的意识，从而提高学习效率，也为有自学需求的学生创造良好条件。

1.2 实施内容

在“机械设计基础”的教学中引入solidworks，就是应用solidworks将传统的理论教学和实践教学相结合，在每种机构或传动的理论知识传授过程中，用solidworks建立各种零件实体，组装成实际机构或传动模型，进行动画演示工作原理，验证基本特性，通过修改参数得到各类演化机构。

（1）建立“机械设计基础”理实一体化教室，在教室两边有计算机，教学中引入solidworks设计机械零件、构件。先绘制平面草图，选择拉伸、旋转、扫描、阵列等基本操作建立各种零件的实体模型，然后保存起来；打开solidworks的装配模块，将前面完成的零件添加进来，通过确定零件间的位置约束关系，组装成所需的机构，并检查相对运动的零件间是否有干涉或碰撞，如果出现干涉或碰撞，可以对零件的特征根据需要进行修改，直到满足机构的设计要求；然后对机构的工作过程用solidworks中的cosmosmotion插件进行动画制作，可以真实显现机构的装配过程及运动状态。

（2）在教学过程中开展形式多样的实例训练，比如介绍平面连杆机构后安排学生用solidworks进行零件建模，装配各种机构，进行机构运动关系的动画演示，从简单的曲柄摇杆机构开始，通过改变杆件的长度或选择不同构件作机架，演化成双曲柄机构和双摇杆机构，由浅入深，建立常用机构的各种三维模型，既形象直观再现了所学的理论知识，加深了理解，也为以后的毕业设计积累素材，为学生创新思维的发挥创造条件。

（3）开展学生第二課堂，增加学生的训练机会，既有利于提高计算机操作能力，又能巩固“机械设计基础”的基本理论。利用solidworks进行大量的三维实体零件建模，可以了解各种零件的具体结构、种类和参数。利用装配命令调用各种零件，按照一定的装配关系组装出所需的机构，可以理解零件的联接方式。机构的工作过程可以进行模拟演示。通过机构的模拟动画演示，可以清楚看见机构的运动过程，使抽象枯燥的机构、机器的基本理论和基本设计方法变得直观，容易理解。

（4）编写常用机构和传动的三维建模和动画设计的操作指南。学生在整个建模、装配和动画演示的过程中也会有自己的感受和好的操作建议，可以连同操作步骤一起记录下来整理成操作指南。这个过程可以提高学生的逻辑思维能力及文字表达能力，为后面写出高质量的说明书和毕业论文打下基础。

（5）建立网络教学平台，老师和学生可以把设计好的机构模型和动画演示上传到平台上，配上适当的文字说明，大家可以进行交流和共享，继续探索机械知识的奥秘，提高大家学习软件建模的积极性。

1.3 实施方案

将机械设计软件solidworks引入“机械设计基础”课程教学的实施方案如图1所示。

2 以慧鱼创意组合模型（fischertechnik）的教具学具为操作平台，培养学生的动手能力、理论联系实际能力和创造性思维

慧鱼创意组合模型（fischertechnik）来源于德国，是德国发明家Arthur Fischer博士在其专利“六面拼接体”的基础上发明的。一般的高等院校都会用它来建立机械创新实验室，展示机械的运动原理和运动的可能性，训练学生的动手能力，作为机械创新教育的一个平台。

慧鱼创意组合模型的主要零部件的材料是高质量的尼龙塑胶，成型精度高，耐磨，学生可以进行多次组合拆装，不影响联接的可靠性和稳定性；零件的联接方式主要采用燕尾槽，使零件的每一个平面都可拼接，真正实现了随心所欲的组合。它由各种型号和规格的零件组成，类似于积木；零件的种类很多，几乎包括了机械课程和日常生活中的所有零件。通过对各类模型的认识和组装，从而可以熟悉并掌握各类设備和自动化装置的常用结构和工作原理[2]。

2.1 实施目的

无论是课堂上老师PPT演示机构运动的Flash动画，还是学生自己应用三维软件绘制的三维实体以及机构运动原理的动态动画演示，这些都只是有助于学生理解和验证所学的机械原理，都只停留在思维想象的空间，学生并没有直接接触到零件和机构，并不理解工程实际的情况。在教学中引入可以动手的教具和学具，就把学生的理论知识具体化，动手做出来，真正做到理论与实践相结合。

2.2 实施内容

（1）建立慧鱼创新实验室，就是利用慧鱼模型组合包系列建立工程技术实验室，它也是创新教育的一个全新平台。把fischertechnik的各种组合包和资料放置在“机械设计基础”的教室四周，把每期学生的经典作品也放置在四周，若教室空间有限，也可以把慧鱼创新实验室建立在教室附近，这样学生课堂上和课后都可以进行动手拆装，也可以按图搭建各种培训模型和工业模型，了解零件的组合方式。

（2）随着理论教学的进行，依次把fischertechnik的各种机械构件的名称、结构、参数介绍给学生，如齿轮、连杆、链条、履带、齿轮轴、齿条、蜗轮、蜗杆、曲轴、万向节、减速器、轮齿箱等，当学生用solidworks进行零件建模，机构装配，机构运动关系的动画演示以后，让学生用fischertechnik组建各种常用机构和常用传动，再次用实物来验证运动原理和机构运动特性。

（3）在熟悉各种机构、传动和通用零件的基础上，学生可以选择不同的方案进行设计、搭建各种简单机械，比较不同方案的结构特点和运动特性，从而选择最优方案，达到优化设计的目的。

（4）学习编程软件，通过编程把机械零件、电气元件、气动零件、传感器、可编程控制器、电脑等整合成创新设计系统。布置课程设计题目，通过动手组装模型、连线、编程、调试、运行程序、控制模型动作等各段学习后，掌握fischertechnik的设计与控制。

（5）老师和学生可以把搭建好的常用机构和小型机械拍成图片和视频上传到网络教学平台上，配上适当的文字说明，进一步完善网上教学资源，与大家交流和共享，引领大家对机械知识的探讨，激发大家对机械创新的兴趣，鼓励学生把有关机械方面的想法变成现实。

2.3 实施方案

慧鱼创意组合模型（fischertechnik）的教学实施方案。

3 应用情况及实施效果

通过把机械设计软件solidworks引入“机械设计基础”的教学环节，使理论与实践教学紧密联系，不再区分，教学内容变得生动形象，可操作性强。通过软件再现“机械设计基础”课程里的零件结构、机构组装和机械原理，使学生的基础知识和基本理论掌握得扎实，学习的兴趣变得浓厚，应用计算机软件的能力明显提高，自信心明显增强，不少学生由被动学习转为主动探究性学习，他们在课程学习小结中写道：“‘机械设计基础课程让我有机会体验计算机设计的魅力，使我对设计产生了兴趣，激发了我的学习热情。”

老师和学生在应用fischertechnik的教具和学具过程中，通过简单模型、复杂模型、自主创新模型的搭建与拆解，增强了实际动手能力，知道机器的组装方式和拆装步骤，不再害怕拆装实际机器，敢于对机器进行拆装、分析组成和故障诊断与维护，在此基础上鼓励学生拆解手机、计算机和自行车，真正做到学为我用[3]。

通过4年的教学实践，我们发现在教学中应用先进技术能提高学生学习“机械设计基础”课程的兴趣，对提高学生的综合设计能力也有很好效果。从连续4届机械专业的学生反馈情况来看，这些学生的“机械设计基础”的基础知识扎实，计算机操作能力明显高于未引入先进技术对教学进行改革的学生，由于拥有可操作性的载体，学生第二课堂和机械创新兴趣小组开展得风生水起，卓有成效，在学校的各项比赛中都名列前茅。更为可喜的是班级里一部分同学形成了浓厚的学术讨论氛围，愿意结合所学的知识，积极探索，查找资料，认真钻研，进行一些小发明创造，有6名学生还因此获得了实用新型专利。结合每两年一次的全国大学生机械创新设计大赛，很多学生积极参与，先班级选拔，后学校内部竞争，每次都有学生闯入全国大赛，为学院争光。

[参考文献]

[1]胡仁喜，刘昌丽.solidworks2013机械设计从入门到精通[M].北京：北京机械工业出版社，2013.

[2]邓昭铭，张莹.机械设计基础[M].2版.北京：北京高等教育出版社，2000.

[3]毛茂林，王培俊，罗大兵.慧鱼创意模型实验教程[M].成都：西南交通大学出版社，2010.