张毅杰,孔令琼,施 杰 ,邹 欢,管毓斌

(1. 云南农业大学 工程技术学院，云南 昆明 650201；2. 云南农业大学 水利水电与建筑学院，云南 昆明 650201)

机械设计基础课程体系包含两个重要的教学环节：一是“机械原理”和“机械设计”的理论教学，二是“机械原理”和“机械设计”的课程设计实践教学。SolidWorks是符合当今主流CAD技术发展潮流的基于Windows平台开发的三维CAD系统。据统计，美国机械行业就业中明确要求会熟练使用SolidWorks的就高达95%[1]。在国内包括清华大学在内的众多知名院校均已将SolidWorks应用于相关课程的教学中。随着云南农业大学工程技术学院(以下简称“学院”)机械类教学改革的不断深入，2013年起新增设了SolidWorks软件必修课，在此基础上围绕如何以SolidWorks为纽带，将较为松散、链接断点较多的机械设计基础课程体系下的理论教学和实践教学有机地结合，使学生在持续提升软件应用水平的同时，有效贯通机械设计的整个知识构架，以实现现代三维设计为中心的教学模式的转变是目前面临的重要课题。

一、SolidWorks在机械设计基础课程体系教学中的作用

(一)机械设计基础课程体系教学现状分析

1.理论教学现状

目前，机械原理教学偏重于分析推证，机械设计教学偏重于强度校核计算，教学手段以多媒体教学CAI为主。这种传统教学模式停留在强调基本概念和基本理论科学性的教育理念上，忽略了学生知识面的拓展、工程素质和能力的培养。另外，学院属于农科院校中的工科，学生理论基础较为薄弱，再加上教学学时大幅压缩，导致学生在面对内容繁杂、理论晦涩的教学内容时，缺乏学习热情，教学效果不佳。

2.实践教学现状

目前，学院“机械原理课程设计”主要是运用力学知识对机构进行运动和力分析以及对机械系统进行方案设计；“机械设计课程设计”主要是运用AutoCAD软件进行减速器的二维设计。两门课程设计安排在两个学期的期末单独进行。这种传统实践教学模式存在两个弊端：一是没能将现代先进的三维设计技术和手段应用到课程设计中，对于没有实践经验和力学基础薄弱的学生来说，极易感觉枯燥乏味，极易导致学生机械的模仿甚至盲目的抄袭；二是两门课程设计分开进行，间隔时间长，缺乏有机地关联，使学生难以构建整体设计理念和设计分析一体化的系统工程意识。

(二)SolidWorks在机械设计基础课程体系中的作用

1. SolidWorks在理论教学中的作用

传统的多媒体教学，虽然具有丰富的教学手段，但缺乏引领学生进入实际设计氛围的关键要素，无法实时动态再现机械设计全过程。而SolidWorks系统所具有的三维建模、运动分析、结构分析以及多种外挂插件等功能模块，可以动态显示方式使学生完全浸入到“情景—学习”的工程设计状态之中，而且SolidWorks的参数化实体建模可以实时实现设计意图，使课堂教学变得富于柔性且敏捷高效。将SolidWorks融入传统多媒体教学中，将极大丰富课堂教学手段，激发学生学习兴趣，提高教学效果。

2. SolidWorks在课程设计中的作用[2]

SolidWorks可以快捷地创建参数化机构和零件模型，通过SolidWorks Motion和SolidWorks Simulation模块可对机械设计方案进行动态仿真分析以及对关键零部件进行结构强度分析，结果以曲线和动画方式显现，使课程设计中遇到的运动学、动力学等复杂问题变得简单、直观和精确，极大地弥补了学生力学知识的薄弱和实践经验的不足，使学生在较短的学时里，能将更多的精力放在各种机械方案的对比分析和参数优化上，以及对整机的结构设计和装配设计上。以SolidWorks为课程设计实践平台有助于营造独立创新、自由探索的良好环境，提高学生设计的主动性。

二、基于SolidWorks的模块化案例法教学模式的应用研究

案例教学法是一种情景式教学方法[3]，通过工程案例模拟工程问题情境，帮助学生像企业工程师那样思考和解决问题。然而，用案例代替整个知识体系的理论学习显然是不科学的，必须探索如何将案例教学与其他理论教授方法密切结合，才能获得良好的教学效果。本文探讨了一种基于SolidWorks的模块化案例教学方法，以期为提高教学质量提供一种新思路。

(一)机械原理课程教学新模式

1.机械原理模块化案例教学模式

将“机械原理”教学内容进行模块化，所有模块构筑了本课程的知识基础平台，在此平台上通过SolidWorks将各阶段性目标贯穿起来，模块化案例教学模式框架如图1所示。

2.机械原理模块化案例教学模式的实施

(1)教学内容安排

将目前40个学时的理论教学压缩至30个学时，余下的10个学时进行SolidWorks的模块化案例教学，二者交替进行，理论教学重点在于基本概念和方法的学习，案例教学重点在于使学生获得解决工程问题的思维方法和能力。具体安排如表1所示。

(2)案例教学的实施举例

现以发动机活塞—曲轴机构运动分析案例来说明案例教学的实施过程。实施过程分为3个关键环节：一是提出问题和课前准备。教师首先提出本案例机构的工作原理、机构组成及机构各构件运动方式等问题，学生提前带着问题通过认知实验和查阅资料来对内燃机构造有一个较全面地认识。二是课堂案例讨论与分析，在学生前期准备的基础上，以学生为中心，充分发言、提问，然后教师归纳总结并运用SolidWorks构建发动机活塞—曲轴机构三维模型，对机构进行运动分析，通过仿真结果回答学生之前讨论中的问题。三是课后实践与总结，学生要亲自实践本案例从零件建模、装配设计至运动分析全过程，并就SolidWorks的运动分析结果与运用教材上图解法的分析结果进行对比并写出总结报告。

表1 主要教学学时安排和案例选择

(二)机械设计课程教学新模式

1.机械设计模块化案例教学模式

现将“机械设计”知识体系模块化，将所涉及的知识点融入到基于SolidWorks的减速器设计案例中，其教学模式框架如图2所示。通过以减速器为主线的三维设计案例的教学使学生摆脱传统二维设计思想束缚，培养现代工程设计理念。

2.机械设计模块化案例教学模式的实施

(1)教学内容安排

学院机械设计理论教学为40学时，现穿插安排其中的8个学时进行基于SolidWorks的减速器案例教学，案例教学重点在于利用SolidWorks参数化建模功能和丰富的标准件库使学生快速掌握常用零部件的结构特点，以及引导学生运用SolidWorks Simulation对零部件进行强度分析。具体安排如表2所示。

表2 主要教学学时安排和案例选择

(2)案例教学的实施举例

下面以减速器装配设计为例说明案例教学的实施方法。案例教学开始之前，首先通过减速器拆装实验环节使学生对减速器结构有一个感性认识，并布置运用AutoCAD绘制减速器装配图的课前任务。然后，在案例教学课堂上，学生先就自己所完成的二维装配方案进行讨论，教师在学生讨论结束后，选取其中具有代表性的设计方案，运用SolidWorks参数化驱动功能快速建立其三维装配体模型，通过干涉检查找出装配体设计中的问题，通过装配体物理模拟观察各零部件之间的运动效果。最后，教师针对正确装配方案再运用SolidWorks的爆炸图功能，虚拟演示减速器的拆装过程，强化学生对减速器结构特点的掌握。经过这一案例展示，学生头脑中基于AutoCAD的二维传统设计理念会受到巨大冲击，会对运用现代三维设计手段的工程设计产生强烈的兴趣，从而激发学生课后主动学习机械设计知识的热情。

三、基于SolidWorks的机械设计基础课程设计的整合教学改革探讨

(一)课程设计整合的优势和可行性

长期以来学院所有机械和近机械类专业的机械设计基础课程设计都分为“机械原理”和“机械设计”课程设计两个部分进行，教学模式以理论计算和经验型二维设计为中心。知识要更新，设计手段要先进，传统的教学模式已不适应科学技术发展需要，机械设计基础课程设计的改革势在必行[4]。将两门课程设计进行整合，使学生能获得整机设计理念和系统训练，并以SolidWorks 为设计平台，凭借其参数化、智能化和强互动性等优势，使学生在计算机虚拟工程设计情境中，构建系统知识框架、培养创新思维和得到工程实践锻炼。目前，云南农业大学设置的第三学期为课程设计的整合提供了条件，第三学期为3周，正好可以将原来割裂开的1周机械原理课程设计和2周机械设计课程设计进行整合。另外，学院最新的教学计划中，SolidWorks软件课程学习安排在机械设计基础课程体系教学之前，再加上前述案例教学模式的强化作用，均为课程设计的整合奠定了基础。

(二)课程设计整合的实施过程和方法

1. 课程设计整合后的设计过程

将“机械原理”和“机械设计”课程设计有机融合为“机械基础综合课程设计”，其主要任务为基于SolidWorks系统进行机械系统运动方案和传动零部件工作能力的设计。其设计的一般过程如图3所示。

2. 课程设计整合后的实施举例

由于将原来分开的两门课程设计整合为一，因此，设计题目的选择至关重要，应尽可能选择来源于工程实际、知识综合性较强、有一定的创新空间以及较易通过SolidWorks软件表达设计意图的课题。下面以蜂窝煤成形机为例说明综合课程设计的实施方法。

首先，教师布置题目、给出设计数据并进行功能分析。然后，进行合理的分组和分工，要求学生团队合作，大量查阅资料，最终提出至少两种以上的传动系统总体设计方案，并通过SolidWorks Motion进行运动方案的验证；进行各级减速传动的设计计算，并运用SolidWorks Simulation对主要零部件包括齿轮、轴和皮带等的工作能力进行分析。最后，给出最佳运动设计方案，并运用SolidWorks工程图模块转换出减速传动系统二维装配图和齿轮、轴的零件图并编写设计说明书。

四、基于SolidWorks的机械设计基础课程体系教学的改革建议

为了更切实有效地提高SolidWorks在机械设计基础课程体系教学中的应用效果，笔者提出深入改革的几点建议。

(一)SolidWorks 3D数字化教学模型库的创建

利用SolidWorks附属的Toolbox插件包以及其他3D共享数字化模型库资源，创建机械设计基础课程体系教学模型库，形成以SolidWorks 3D数字化模型与实物模型优势互补的课堂与实践教学素材库，可更好地激发学生学习兴趣和拓展知识面，提高教学效率和质量。

(二)增设SolidWorks 开放实验课程并组织编写具有农科院校特色的综合课程设计指导书

设置“典型机构运动仿真”和“减速器装配设计与结构分析”开放实验。实验内容为运用SolidWorks系统对典型机构进行建模与运动仿真，对减速器进行装配设计及主要零部件的结构分析。开放实验为选修实验，学生可利用业余时间在学院机房自主完成。组织相关专业教师编写具有农科院校特色的综合课程设计指导书，并且设计题目突出专业特色，以适应不同专业开展课程设计教学的需要。

(三)基于SolidWorks系统的案例教学与科研成果相结合

科研促进教学内容的创新，科研成果是最鲜活的教学案例，如能将学院不断涌现的科研成果通过SolidWorks系统提炼转化为适合学生接受的教学案例库，将是教学与科研相互促进的切实体现。

(四)以SolidWorks系统为平台将CAD/CAE/CAM技术全面融入整个机械类课程体系教学中

以SolidWorks系统为平台，将现代三维设计、分析和制造理念全面融入机械制图、工程力学、互换性与技术测量、工程材料、机械制造基础机械类系列课程教学过程中。构建全新的基于三维技术的机械类系列课程教学体系是学院今后教学改革的重要课题。

现代意义上的机械设计已经根本离不开计算机了[5]，更离不开凝炼现代设计理念的三维设计软件系统，因此，以诸如SolidWorks这类三维设计软件为平台的机械设计基础课程体系的教学改革势在必行。本文提出了新的教学模式和方法将在今后的教学实践中不断地改进和优化。

[参考文献]

[1]邓春晓，胡德平.SolidWorks对工科学校机械专业教学的重大影响——有感于SolidWorks 2001plus的教学[J].机械，2004(11)：32-37.

[2]黄小龙.虚拟样机技术在“机械原理课程设计”教学中的应用[J].中国电力教育，2013(4)：102-103，109.

[3]陈潭，程瑛.Seminar 教学法,案例教学法及其课堂教学模型构建[J].湖南师范大学教育科学学报，2004(4)：57-59.

[4]王立存，张国进，徐元，等.机械基础课程教学内容与课程体系综合设计研究与应用[J].重庆工商大学学报：自然科学版，2013(6)：79-82.

[5]张策.机械原理与机械设计[M].第2版.北京：机械工业出版社，2011.

[6]刘会英.机械基础综合课程设计[M].第2版.北京：机械工业出版社，2011.

[7]单鸿波，王晓红，金怡，等.3D 模型库在机械基础课程教学实践中的应用[J].东华大学学报：自然科学版，2011(4)：535-540.

[8]贾士义.案例教学法的课堂教学组织透视[J].忻州师范学院学报，2010(4)：120-123.

[9]吴雪峰，薛铜龙.基于卓越工程师培养计划的“机械设计”课程设计改革[J].中国电力教育，2013(13)：107-108.