SolidWorks软件在机械专业课程教学中融合应用研究

任云，周仙娥，唐伟峰

（海军航空大学 航空基础学院，山东 烟台264001）

0 引 言

新工科背景下，根据应用型本科高校对应用型人才的培养要求，课程教学应更注重课程理论知识与工程实践的结合，强调工程实践能力和创新能力的培养[1]。而机械类专业是一个理论性和实践性都很强的专业群，因此课程教学更应该注重知识的应用性，加强对学生实践能力和创新能力的培养，才能更好地为机械设计制造企业提供优秀的机械专业人才。

机械专业课程的基本特点是内容多、知识抽象、实践性强，而现代制造企业人才必备的三维计算机辅助设计技术能够很好地实现抽象机械的三维立体动态展示。结合人才培养需求和课程特点，提出在机械专业课程教学改革中，融入操作简便、界面友好、易学易用的三维参数化设计软件SolidWorks 作为辅助教学工具，实施教学，以期取得良好的教学效果。

结合应用型人才培养要求和机械专业特点，在课程教学改革中，笔者提出了3 个方面的改革举措：1）注重学生对理论知识的深入理解和应用，引入SolidWorks 软件作为教学辅助工具，增强课堂效果，强化知识深化；2）注重锻炼学生的工具使用技能，引入SolidWorks 软件作为学习辅助工具，提高学生利用工具进行设计实践应用的能力；3）注重培养学生的综合应用能力和创新实践能力，引入SolidWorks 软件作为综合应用工具，结合机械创新设计竞赛项目实操实训，提升学生的机械创新设计综合应用能力。

1 SolidWorks软件作为教学辅助工具，增强课堂效果，强化知识学习

在机械原理与机械设计课程教学中，结合不同阶段的课程内容特点和教学方法手段，引入SolidWorks 软件作为辅助教学工具，进行不同的教学应用，一方面可以实现抽象知识的形象化、生动化，深化学生对知识的理解，改善教学效果；另一方面可以引导学生利用辅助工具，参与理论知识的学习，提高知识的应用性效果。

1.1 SolidWorks在机械原理课程教学中的应用

在机械原理课程中，主要学习常用机构的组成、特性和运动学原理，大多数学生缺乏实践经验，不能很好地理解和掌握机构的运动原理，学习就变得枯燥乏味，也就难以达到学习效果。因此，在课程教学中，设计采用基于SolidWorks 软件的演示性教学，借助SolidWorks 软件制作各种机构的虚拟模型，并利用运动仿真工具创建相应的运动动画，模拟机构的真实运动情况，使教学过程变得形象化、生动化，可以激发学生的学习兴趣，更好地帮助学生有效地理解和学习知识，达到更好的教学效果。

下面以铰链四杆机构的类型判别为例，展示一下SolidWorks 软件在课程教学中的融合应用。图1（a）所示为一铰链四杆机构的机构运动简图，而铰链四杆机构有3 种基本类型：双曲柄机构、曲柄摇杆机构和双摇杆机构。在讲述铰链四杆机构的类型判别方法时，单单运用公式推导和图片来分析，学生听起来枯燥难懂。这时借助SolidWorks 软件把铰链四杆机构对应不同杆件为机架的情况画出三维装配模型，如图1（b）～图1（d），并在运动算例中给主动件设置旋转马达，让铰链四杆机构动起来，生成视频动画，课堂上借助动画演示来分析各种机构，就更加形象易懂了。通过这样的教学方式，学生能够更加直观地学习课程的理论知识，大大激发了学生的学习兴趣，调动起其参与学习的积极性，课堂教学效果得到了明显改善。

图1 铰链四杆机构的类型判别

1.2 SolidWorks在机械设计课程教学中的应用

在机械设计课程中，涉及到工程机械中各种常用连接、传动和轴系零部件的结构设计与力学分析，与工程实践联系密切，故主要采用任务驱动式教学法。结合工程实例合理设计项目任务，引导学生借助知识学习逐层完成结构设计任务，融入SolidWorks 技术，利用软件绘制零件的三维立体模型，随后校验零件的力学性能，对结构进行相应的修正定稿，最后由三维图生成二维图，图2 所示为某工程用减速器中输出轴的设计流程示例。通过这样的教学流程，使学生不仅全面地学习了机械零件的完整设计流程，而且逐步建立起利用三维参数化设计工具进行机械设计的设计理念，为后续的课程设计、创新设计、毕业设计等学习环节奠定一定的基础。

图2 输出轴的设计流程

2 作为学习辅助工具，强化实操应用，提高运用技能

为适应现代机械制造企业对人才必需技能的要求，锻炼学生对计算机辅助设计工具的应用能力，在机械专业课程实验和课程设计中，引入SolidWorks 软件作为辅助学习工具。在实验学习中，学生可以利用SolidWorks 软件进行建模、装配与运动仿真，帮助其直观形象地分析机构、零部件方案设计问题，提高实验学习的质量；在课程设计中，学生首次借助SolidWorks 软件完成某个简单机械装置的设计过程，较好地锻炼了其对理论知识和设计工具的应用能力。

2.1 SolidWorks在课程实验中的应用

在机械原理和机械设计课程部分实验中，引入SolidWorks 软件实现对机构设计方案问题、轴系装置装配问题等进行三维建模和虚拟仿真，帮助学生更加直观形象地查找问题、发现问题和解决问题，提升其对机械设计问题的分析解决能力。例如，在平面机构运动分析实验中，教师借助一些存在方案设计问题的机构设计实例，引导学生自主完成机构方案问题分析，借助SolidWorks 软件创建机构的三维立体模型，并通过运动仿真模拟其运动情况，查找问题所在，进而提出合理的改进方案，对机构模型进行改进设计。通过这样的实验过程，很好地锻炼了学生分析解决工程实际问题的能力和对设计工具的应用能力。

2.2 SolidWorks在机械设计课程设计中的应用

机械设计课程设计是机械专业课程教学体系中一个重要的实践环节，是对学生的机械设计实操技能和创新能力的一次全面训练[2]，对其进行后续专业课程的学习、毕业设计乃至走上工作岗位都有着重要的影响。将SolidWorks 三维参数化设计软件融入本课程的教学中，结合SolidWorks 软件虚拟设计的优势，开展机械设计课程设计的教学，可以大大激发学生的学习兴趣，提升其设计实践能力[3]。

下面以某带式输送机传动装置的设计为例，其设计流程如图3 所示。在课题进行的前期，利用机械设计基础的相关设计理论完成传动装置的方案确定、传动参数计算分配、总体结构设计，零件结构设计，然后融入SolidWorks 软件实施零件和装配体的三维建模、强度校核和工程图输出等任务。

通过SolidWorks 软件与机械设计课程设计相融合的教学实施，不仅使学生对机械设计基础课程的知识进行了实践应用，而且使学生较为全面地学习了SolidWorks软件的零部件建模、虚拟装拆、工程图输出等各种功能，为后续的创新设计和毕业设计打下基础。

3 作为实践应用工具，辅助解决问题，提升学员综合能力

“新工科”人才培养的第一要求就是要具有创新意识[4]。为培养机械专业学生的创新实践精神和现代化设计理念，结合机械创新设计技能大赛设计机械创新设计项目，将三维参数化设计软件SolidWorks 融入项目中，开展机械创新设计活动，实现以赛促学的现代化设计实践训练和以赛促创的创新思维训练，提升学生的创新设计综合应用能力，为后续毕业设计和岗位任职奠定良好的能力基础。

图4 势能驱动车设计流程简图

下面将结合我校学生参加的全国大学生工程训练综合能力竞赛之子项目势能驱动车赛项来展开分析SolidWorks 软件在机械创新设计中的融合应用，其设计流程如图4 所示。首先综合运用机械设计相关理论知识进行项目方案分析和设计、结构设计，然后借助SolidWorks软件实现零部件的三维建模、机器的虚拟装配（如图5）、机器的运动仿真、零部件的3D 打印（如图6）、二维工程图的输出，最后完成势能小车的组装调试。

图5 势能驱动车的虚拟装配建模

图6 部分3D 打印零部件

通过机械创新设计经历，一方面能够帮助学生全面学习和了解机械产品的创新设计过程，拓宽知识面，提升其分析和解决工程问题的综合应用能力和创新探索精神；另一方面能够强化学生对计算机辅助设计理念的理解，锻炼其对计算机辅助设计工具的运用能力，为后续毕业设计和工作实践打下坚实的基础。

4 教学实践效果分析

经过教学实践，利用SolidWorks 软件辅助机械专业课程教学，实现融合式教学模式，既提升了学生对机械课程学习的效果，又锻炼了学生工具使用能力，取得了良好的教学效果。主要体现在以下3 个方面。

1）学生对理论知识的深入理解和应用能力大大提高。在机械专业课程的课堂教学中融入SolidWorks 软件，使原来枯燥的理论学习变得形象生动，激发了学生的学习兴趣，课堂效果大大改观，知识的学习和应用更加有效。课程考核中，应用分析类题型的得分明显提高，说明学生分析和解决工程实际问题的能力大大提高了。

2）学生对计算机辅助设计工具的应用能力明显提升。在机械课程实验实操、课程设计和创新设计中引入SolidWorks 软件作为辅助学习工具，使学生不仅全面掌握了三维建模、虚拟装拆、动画仿真、工程图输出等各种软件功能，而且深入学习了设计软件与3D 打印机、数控加工机床等加工设备的对接转化应用，很好地锻炼了学生对计算机辅助设计软件的应用能力。其效果体现在近几年毕业设计绘图质量的大幅提高。

3）学生对知识的综合应用能力和创新实践能力得到了较好的提升。SolidWorks 软件的融入，帮助学生全面完成了从“方案设计→结构设计→三维建模与装配→运动仿真→3D 打印加工→作品成型”的机械设计全过程，既展示了学生对所学知识的综合应用能力，也锻炼了学生的创新实践能力，提高了设计效率和设计质量，近几年的竞赛成绩有了明显提高。