单位文秘网 2021-07-23 08:08:05 点击: 次
摘 要:针对机械工程及相关专业的计算机辅助设计课程传统教学效果不佳的现状,对于占重点课时的设计实践部分,使用易学易用的三维软件Solidworks作为设计工具,对基于科研项目的案例教学法应用到课程中的具体实施方法进行了探索。实践结果表明,学生的学习积极性、主动性都有较大的提高,分析问题和解决问题的能力得到较好的锻炼,教学效果良好。
关键词:案例教学;计算机辅助设计;Solidworks
中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1672-7800(2012)002-0166-03
基金项目:教育部特色专业建设项目(TS10222);上海理工大学“计算机辅助设计技术”精品课程建设项目
作者简介:熊敏(1978-),女,湖南永州人,硕士,上海理工大学机械工程学院讲师,研究方向为计算机辅助设计、计算机辅助工程及结构优化等;仲梁维(1962-),男,山东淄博人,上海理工大学机械工程学院教授,研究方向为计算机辅助智能设计制造、机械快速设计及敏捷制造系统、产品数据管理系统(PDM)、企业信息化、虚拟样机技术等。
0 引言
19世纪70年代美国哈佛大学法学院院长兰德尔(C•C•langclell)首先提出案例教学法(国外称为个案研究,即Case Study)。这种教学法是为了培养和提高学习者知识能力的一种教学方法,将已经发生或将来可能发生的问题作为个案形式让学习者去分析和研究,并提出各种解决问题的方案,从而提高学习者解决实际问题能力。20世纪20年代,哈佛商学院开始运用案例教学法,而我国在近年来才开始了案例教学的应用,尚没有成熟的经验与理论可供借鉴。目前为止,国内外运用案例教学法主要集中在法学、军事学、教育学、管理学等学科,在工程实际领域的教学方面运用甚少,文献[2]、[3]和[4]分别对案例教学法在机械原理课程、机械设计课程和机械优化设计教学中的应用进行了探讨。计算机辅助设计这门课程强调提高学生综合的应用能力,培养学生发现问题,对问题进行独立思考、独立分析进而独立解决。基于以上原因,在计算机辅助设计课程的教学中,选取三维设计软件Solidworks作为课程的应用软件,并结合案例教学法进行了实践教学,从而提高学生的实际应用能力。
1 计算机辅助设计课程设置
计算机辅助设计(Computer Aided Design), 简称CAD,属于机械工程及其相关专业的专业主干课程,课程内容覆盖多个领域, 包括理论和实践两大部分。计算机硬件技术、计算机软件工程、计算方法、现代设计方法、人工智能与专家系统、图形图像处理、计算机接口技术、集成系统分析、工业产品造型设计、可靠性设计等为理论部分;三维造型与几何建模、有限元分析、优化设计、运动与仿真等为产品设计实践部分。按传统的课程讲述方法,在上这门课时, 学生与教师交流较少,往往是教师讲得枯燥, 学生听着乏味, 课程结束后, 对CAD 究竟研究什么问题、实际该如何应用等问题还是摸不到头绪, 就更谈不上把计算机应用于在自己的设计实践中了。因此, 对计算机辅助设计这门课进行设置上的改进。对于机械大类专业的学生,理论部分在课程内首先介绍,然后重点课时用作培养学生综合利用现代计算机知识和传统机械设计理论进行现代化机械产品设计的能力,使学生具有利用计算机辅助设计软件进行机械零部件三维设计的技能和工程设计分析的能力。因此,在课程实践部分采用案例教学法进行教学。
2 三维设计软件Solidworks的选用
对于三维设计软件,目前国内外主要有来自美国PTC公司的高端PRO/E, 美国UGS公司的高端UG和中端Solidedge,法国Dassault公司的高端CATIA和中端Solidworks,以及Autodesk公司的Inventor。其中,Solidworks软件易学、易用、界面友好、操作过程直观、简单、企业中应用广泛、功能强大;可以涉及到包括三维造型与几何建模、工程图、有限元分析及优化设计、仿真等产品设计的整个流程。因此,课程选用Solidworks软件作为辅助三维设计软件。
3 案例教学法在课程中的实施
课程在介绍软件使用过程中就以案例为引导, 以问题为动力, 逐步深入、全面展开, 使学生的学习始终处于交流、协商和探究的过程中。教师在案例教学法的使用过程中, 尽量运用多种形式启发 学生独立思考, 对案例所提供的材料和问题进行分析研究, 提出见解, 做出判断和决策, 藉以提高学生分析问题和解决问题能力。
课程案例以实际科研合作项目为基础,比如选择给某车辆动力公司开发研制过的、机械类学生熟悉的行星齿轮式的车辆差速器设计。根据实际需求对学生提出如下的设计要求:按已有的传动系统图和结构草图,设计行星齿轮式的车辆差速器,要求尺寸小、重量轻、传动速比等动力符合要求。
3.1 三维造型与几何建模
在此部分,要求学生完成软件三维图形建模操作的学习,包括二维草图绘制、修改及完全定义;通过拉伸、切除、旋转、扫描、放样、抽壳等特征操作完成三维零件的生成;通过重合、平行、垂直、相切等配合关系形成自下而上的三维装配体,并通过碰撞检查、干涉检查等校核建模的正确性。
学生首先通过简单的零件建模熟悉软件操作,然后以小组为单位,以大作业的方式,结合案例进行具体的建模、设计。学生在零件建模和装配的过程中,不仅学会软件的操作、应用,更进一步将前续课程《机械设计基础》、《机械结构设计》等专业课程的理论知识与实践相结合,如在建模时考虑轴系的定位、结构的工艺性等实际问题。通过此练习,锻炼和提高学生的解决工程实际问题的能力,同时也培养学生团队协作的能力。由于只提供简单草图,学生在设计过程中,根据自己的专业知识,对功能部件实现结构细化,可充分发挥创造性,所涉及的问题大部分都必须由同学们自己进行分析和讨论,必要时可向教师咨询。
另外,通过软件装配体的设计检查,学生自己可以检查设计出的零部件中和零部件之间的微小几何错误。在移动或旋转零部件时,通过“碰撞检查”功能,可以检查与其他零部件之间的冲突。对于较复杂的装配体,很难用视觉来检查零部件之间是否存在干涉的情况,通过“干涉检查”功能,能检查到干涉的体积及部位。
图1、图2、图3和图4均为部分小组根据设计要求完成的三维实体模型。通过已完成的模型作品可以看出,各小组学生都很大程度地参与到案例的分析、设计、解决问题中来。实际上,在此设计过程中学生除了积极参与课堂教学外,也会自觉学习、一头扎进图书馆查找资料,自觉运用课外时间完成手头的工作,很好地调动了学生学习的积极性。
3.2 工程图
工程图对工程技术人员来说是最常用、最基本的技术文件。学生使用Solidworks软件从三维模型直接投影形成标准的二维工程图,并进一步进行标注,将设计过程从繁重的绘图工作中解放出来。工程图与零件、装配体是互相链接的文件,对其中任何一种文件所作的更改,其他的文件都会自动更新。在此基础上,学生可以方便地改进自己的设计。在工程图部分,学生的案例任务仍以小组继续,他们必须将小组所设计的减速器内所有零件按国家标准做成工程图。由于工程图内部存在的大量尺寸、粗造度标注、形位公差标注等,工作量较大,因此需要组内同学自己互相协调工作量的分配。事实证明,经过第一部分设计过程的磨合,此部分即使工作量大,同学之间分工合作仍然较好,各组都能按时按要求完成任务。通过此部分教学内容,学生不仅巩固了前续所学制图标准等课程内容,并且学生间的团队协作得到锻炼,有利于工程专业的学生适应毕业后的工作岗位。
3.3 有限元分析及优化设计
利用Solidworks软件的CosmosWorks插件,进一步对重要构件进行力学分析,校核设计尺寸、结构是否合理。CosmosWorks插件提供操作简便的友好界面,适合于有分析需要但是缺乏非常专业的有限元专业知识的设计人员使用,对于这门课程非常适用。教师首先给学生讲解有限元的基本概念及分析过程:选择分析类型、定义材料属性、施加载荷和约束、划分网格,最后进行分析结果的评价及尺寸优化。由学生自己决定对哪些重要的零件进行分析、优化。通过分析及优化环节,学生会积极主动将之前所学《理论力学》、《材料力学》等力学课程应用到设计中,促进了将理论知识转化成工程实践设计。如图5所示为学生所分析行星齿轮系中齿轮轴应力云图。
3.4 运动及仿真
采用软件对整个装配体进行运动仿真和装配仿真。在此部分,学生首先要分析差速器装配的过程,然后运用爆炸视图和解除爆炸的方法进行虚拟装配,并进一步实现运动仿真。在教学过程中,对于仿真过程,学生充满极大热情,每个小组最终提交的仿真视频,都充分体现了学生的创造性思维和探索的精神,他们通过反复钻研,找到既清晰又美观的表现视角和表达技巧。
4 问题及建议
案例教学法有利于增强学生学习的自觉性,提高学生分析问题和解决问题的能力,同时也对教师提出了更高的要求。相比于传统讲授方法,案例教学法对教师的知识结构、教学能力、工作态度及教学责任心要求更高,不仅要求教师既具有相关的理论知识,更要求教师具备丰富的科研实践经验用于案例的准备,并将理论与实践融会贯通。因此课程教师不仅需要花费大量的时间、精力准备课程,更需要大量的科研项目支撑,才能有鲜活、丰富的案例材料和实践知识用于教学。
案例出自于科研和工程实际项目中,难易程度不一,教师要控制好用于教学的案例难易程度。既要避免案例太难,缺乏实践经验的学生无从下手,又要避免太容易,不能覆盖到所要求掌握的知识点,从而降低教学要求。
5 结束语
传统教学法以教师为主角,把书本上的知识传授给学生,学生处于被动的地位,其角色只是听讲者和知识的接受者。案例教学法中,学生是案例教学过程的主体,让学生在案例分析中充分表现自己,锻炼自己的分析问题和解决问题的能力,提高学生的独立思考能力,启发学生研究实际问题,从而最大限度地调动学生学习的积极性,培养学生的实践能力。实践证明,将案例教学法引入到计算机辅助设计的教学过程中,学生的积极性、主动性都有极大的提高,学习效果良好。此教学过程和经验,对我国高校工程类专业的专业课程教学方法的改革有一定的参考作用。
参考文献:
[1] 武建国.关于案例教学法的几个问题[J].忻州师范学院学报,2004(4).
[2] 辛绍杰.案例教学在机械原理课程教学中的应用研究[J].中国校外教育,2010(8).
[3] 刘扬,银金光.“机械设计”课程中应用案例教学的探讨[J].中国电力教育,2010(27).
[4] 李旻,黄平.机械优化设计课程案例教学的研究与实践[J].机械工程师,2010(8).
[5] 李明新,梁炜.计算机辅助设计课程改革初探[J].河南机电高等专科学校学报,2005(1).
[6] 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).
(责任编辑:杜能钢)
Application of Case Study with Solidworks for Computer Aided Design Course
Abstract:Traditional teaching effect of Computer Aided Design for Mechanical Engineering and related major is dissatisfied, so Solidworks as a advantageous three-dimensional software is selected as a design tool for the course. Case Study based on practical projects is also applied in the course’s practice part, which accounts for most class hours. Results from implementation show that the students’ enthusiasm and initiative have greatly been aroused. The students’ ability on analyzing and solving problem is also improved.
Key Words: Case Study; Computer Aided Design; Solidworks
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