三維建模軟件SolidWorks 在高職機械基礎教學中的應用

李 昭，胡 楊

（益陽職業技術學院，湖南 益陽 413055）

《機械基礎》課程是高職學校機電一體化技術專業的一門專業必修課程，對于機械類、近機類學生學習專業課程起到承上啟下的重要作用，其涵蓋了《理論力學》《機械設計》《機械原理》《金屬熱處理》等多門課程的綜合知識。其覆蓋面廣、綜合性強、重難點多，需要高職學生長時間集中精力去進行思考和記憶。各院校進行了一定的教學設計和課程改革來安排進行學生實訓實操。但是實驗設備的更新速度和數量畢竟是有限的，難以滿足全部的教學需求，這就需要教師探索新的教學方法[1]。

隨著“1+X”證書試點工作在職業院校的全面鋪開，產教融合理念的深入推廣，高職學生想要更好地適應社會發展的需求，就需要更好地理解專業知識，熟練掌握專業技能[2]。而三維建模軟件SolidWorks 能讓學生形成對機械元件和設備結構的立體認知，能將材料力學中受力問題抽象的概念具體化、可視化，且能模擬多種傳動裝置的運行，提供給學生零件裝配的三維空間。在《機械基礎》課程當中引入SolidWorks 軟件進行教學，有利幫助學生克服學習上的重難點，加深學生對課程基礎理論的理解，還可以激發學生的創新思維。

1 《機械基礎》課程教法國內現狀分析

1.1 教師授課中最常用講授法、演示法、混合式教學法進行教學

《機械基礎》課程涵蓋廣，課時有限。為保證教學完整性，大多采用傳統課本與教學PPT 結合的講授式教學法。對于難理解的知識點會通過動畫、視頻等來展示其原理構造。同時，任課老師也利用職教云網絡平臺添加課程設計，將相關動畫視頻關聯進知識點，但學生課前課后的使用率很低，教學效果并不理想。

1.2 部分院校開設了實訓室開展理實一體教學

傳統的實驗教學主要是利用相關實訓室設備，如拆裝減速器裝配體來進行實踐。這類實訓存在前期投入大、后期維護費用高，且開展過程中教師難以在有限的時間內細致地指導大批的學生，容易存在學生操作不當從而受傷等問題。且在實訓實操與理論課堂分開教授，時間和空間跨度較大，教學目標難以達成。

1.3 虛擬仿真教學開始進入大眾視野

虛擬仿真教學又稱為模擬教學，是基于多種先進技術為一體的新型教學方式，通過仿真軟件模擬生產生活中的真實場景，讓學生在虛擬場景中進行探究和學習，加深學生對知識的理解和運用。針對檢索中虛擬仿真技術與機械類課程結合的文獻進行簡要分析：在應用課程方面，虛擬仿真教學主要應用于《機械制圖》《機械原理》《機械基礎》《機械工程控制基礎》《液壓傳動》等機械設計類課程；在軟件應用方面，機械類課程使用虛擬仿真軟件主要有UG、LabVIEW、Inventor、Solidworks、ADAMS 等軟件。虛擬仿真教學還具有激發學生學習興趣、滿足實踐教學要求、豐富教師教學手段、有利于產學研一體等多種優點。

2 機械基礎課程調研與分析

本次調查對象為益陽職業技術學院開設《機械基礎》課程的全體機電、工機專業的大二、大三學生。對于大二學生，他們已經學習過部分《機械基礎》課程，而大三學生已經在前一年的學習中完成了該課程的學習，并且部分同學已經有過實習經歷。對不同年級的同學進行問卷調查、數據分析，得到以下結論。

2.1 學生學習興趣較低，課堂參與度較低

《機械基礎》課程作為機械類專業的必修課程之一，是學習其他專業課程的基礎。但由于教師在教授該門課程時，主要采用傳統的講授法，即使在課堂上采用了豐富的動畫和資料。學生在后期的學習中也難以維持學習的興趣。且實訓室雖有減速器實物可供學生進行拆裝與學習，但是實訓器材有限，易出現同一時間存在多個班級申請實訓室上課的情況，因此現有的實訓器材不能滿足教學環節。一些知識點缺乏配套的實訓器材，無法讓學生實現在學中做，做中學。學生無法對其進行直觀的認知，從而失去學習興趣，學習效果下降。

2.2 學生學習基礎差，學習效果不佳

該校高職學生大多是單招進的學校，力學基礎較差，且認知能力不足，對課堂中所學知識的理解常停留在字面意思，難以形成自己的理解。因此，對理論性強、內容抽象復雜的《機械基礎》課程，學生經常出現畏難情緒，覺得課程理論學習與后期工作實踐的關聯性不強，便不予重視。在課堂上只是被動地聽取教師講授的知識，缺少對于知識的理解，通常是知其然不知其所以然，很難融入課堂學習氛圍中。而課后多數同學對學習缺乏主動性和積極性，對布置的作業只完成不思考，容易產生消極的學習態度。

2.3 課程設計理論和實踐聯系不緊密

從調查問卷中篩選出已經在企業有過實習經驗的同學的數據，普遍認為以前實習或者正在實習的崗位所涉及的知識與《機械基礎》中包含的知識關聯性不強。機電專業學生實習所在崗位多為自動化程度高的設備維修調試員，從工作崗位來看應該是與該課程高度相關的崗位。據分析，現階段應用于《機械基礎》教學的教學項目多為二級減速器。教學項目與崗位工作內容存在較大差距，關聯性不強，學生對于知識的遷移運用能力較差。

2.4 課程教學重難點集中

《機械基礎》包含三個篇章。第一篇為工程力學，內容包括靜力學基本概念及受力分析、平面匯交力系、力矩和平面力偶系、平面一般力系、軸向拉伸和壓縮、扭轉、彎曲、動荷應力和交變應力；第二篇為機構及機械零件，內容包括平面機構的運動簡圖、平面連桿機構、凸輪機構和其他常用機構、調速和平衡、機械零件設計概論、螺紋聯接和螺旋傳動、帶傳動和鏈傳動、齒輪傳動和輪系、軸及其聯接、軸承、彈簧；第三篇為液壓傳動，內容包括液壓傳動的基礎知識、液壓元件、典型液壓系統[3]。通過對調查問卷的整理分析，得出該?！稒C械基礎》課程學習困難主要集中在以第一第二兩個篇章：分別是靜力學中的扭轉、彎曲章節；第二篇中平面連桿機構以及以后章節。具體分析得出三點原因：第一，學生空間想象力缺乏，無法理解平面機構運動規律；第二，對機構的受力分析掌握不牢，無法理解應力概念；第三，缺乏實物認知，對于機械傳動沒有直觀感受，更不用提去進行參數計算。

3 三維建模SolidWorks 的功能

3.1 三維建模實現零件立體化

Solid Works 軟件通過“平面草圖”進行“拉伸”“拉伸切除”“旋轉”“旋轉切除”“掃描”等操作形成立體圖。這樣，以往機械基礎教材或者是課件中的平面圖，通過軟件的加工，馬上變得立體且有質感，學生可以更直觀形象的進行觀察和學習。比如說，需要學生重點掌握的軸、鍵、軸承、齒輪等零件，通過Solid Works 軟件的立體化，能讓學生清晰的觀察出這些零件及零件細微結構的特點。并且在建模的時候可以讓學生去查找參數，更完整地讓學生體驗到設計的過程。

3.2 力學仿真計算實現受力情況可視

SolidWorks Simulation 是與SolidWorks 完全集成的設計分析系統。它提供了快速的方案來進行應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優化分析，憑借著快速解算器的強有力支持，使用戶能夠使用個人計算機快速解決大型問題。SolidWorks Simulation 提供了多種捆綁包，可滿足各項分析需要。它的操作簡單快捷。只需要導入已經繪制好的零件，對其進行預處理即可進行求解得到計算所需要的結果。預處理包括：定義分析類型、材料屬性、載荷及約束，并將模型化為有限元單元。在分析結果及報告中，學生能直觀地看到零件的應力集中程度及形變大小。

3.3 運動算列實現運動仿真

Solid Works 有個運動算例的功能，能為機構提供運動仿真的途徑。教師可以利用運動算例制作一些簡單的動畫和視頻等。如連桿機構的運動，通過改變四個桿件的長度條件，可使學生直觀地了解曲柄搖桿機構、雙曲柄機構及雙搖桿機構的運動特性，增強學生對機構的認知[4]。

3.4 零件裝配適用于多種工作場景

裝配體中可以將兩個或多個零件按照一定的約束關系進行虛擬配合。在裝配體內，可以完成許多功能，如：產品結構進行驗證。通過裝配體分析設計的不足以及查找設計中的錯誤。例如，進行干涉檢查，查找裝配體中存在的干涉設計問題?？梢詫Ξa品進行統計和計算。例如，計算產品總質量和產品中的零件數量并生成零件表?？梢陨僧a品的真實效果圖，提供“概念產品”，為客戶進行產品功能分析、結構演示提供直觀效果?？梢詫Ξa品進行運動分析和動態仿真，描繪運動部件的特點及運動軌跡?？梢陨僧a品的模擬動畫，生成產品的爆炸圖，演示產品的裝配過程或維修過程，易于設計產品維修手冊和使用說明[5]。

4 SolidWorks 在課程中的應用

根據調查問卷得到的結論，選取學生反應較難的部分章節進行教學案例的選取和資源重構。

4.1 直梁彎曲結構分析

直梁彎曲是指桿件在受到垂直于軸線方向的載荷作用時，其軸線由直線變成曲線的變形形式，這種發生彎曲變形的桿件叫做直梁。在教學環節，針對不同的粱的種類進行分類建模，懸臂梁、簡支梁等。而在教材中，該部分內容僅以文字和平面圖的方式呈現且描述較為簡略，學生對于不同類型的受力和變形特點的理解不夠徹底。因此，選用SolidWorks軟件創建模型，利用SolidWorks Simulation 對其進行結構件分析生成算例，通過對粱進行預處理，定義其材料屬性為普通碳鋼、載荷及約束，并將模型化為有限元單元最后進行運算，即可以直觀方式得出直梁彎曲的特征和規律，同時可以進入零件改變直梁長度、載荷分布及位置等參數以探究提高直梁抗彎能力的方法。

4.2 齒輪傳動仿真

在此章節，選用二級減速器作為教學案例較為常見。二級減速器包含了齒輪傳動、鍵連接、螺栓連接等《機械基礎》課程包含的內容。齒輪傳動由主動輪、從動輪和機架組成，是利用齒輪副輪齒間的嚙合來傳遞運動和動力的一種裝置。該部分內容涉及較多的理論參數和受力分析，該章節的學習一直是學生學習的難點，也是課程標準里的重點內容。利用SolidWorks軟件生成大齒輪、小齒輪模型、并組建裝配體，添加約束。新建算例不僅能得到齒輪運行的運動仿真圖，還能通過simulation 插件得到齒輪嚙合時的應力應變分析圖。在模型設計過程中，更改設計加速器中各個參數的數值，引出齒輪主要參數和幾何尺寸計算問題；通過應力分析功能可直觀分析齒輪傳動的受力情況，以探究影響齒輪強度變化的主要因素、齒輪失效形式和設計準則[6]。

4.3 自動化生產線工作環境的三維模型打造

為推進理實一體化教學，促進崗賽證融通，該校機電專業設置了自動化生產線實訓室。該設備包含帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等多種傳動機構，能將工件、機械手臂作為教學載體將力學計算、受力模型、自由度等知識穿插其中。但由于設備不足、時間緊張等問題，往往不能使每位同學都能進行實物操作。因此，將自動化生產線作為教學載體，利用SolidWorks 軟件引入課程中，通過建模和仿真，創造虛擬操作環境，學生可在此環境中觀察自動化生產線的結構。同時鼓勵學生以小組形式自行測量和查找資料完成不同工作站點的三維模型設計。并組建完成站點的組裝，增強學生動手能力的同時，還能培養學生對知識進行綜合運用的能力，為學生建立起工作崗位與理論知識的橋梁，有利于學生明確學習目標。

5 結語

將三維設計軟件Solidworks 應用于《機械基礎》課程教學，實現了從力學分析的可視化操作、單個零件的參數化設計、機構運動以及傳動系統的組合模型搭建。課程教學引入三維設計軟件，不僅豐富了教師的授課資源，還極大程度地增加了學生在課堂中的動手實操環節，提升了學生學習的興趣。通過三維立體的模型進行課堂演示，將抽象難以理解的知識變得形象、具體和生動起來,從而達到提高學生學習效果的作用。