基于CAD技术的《机械设计基础》课程教学改革探索与实践

孙克锐，叶炬锋

（浙江同济科技职业学院 机械与电气工程系，浙江 杭州 311231）

0 前言

CAX泛指一切以计算机为辅助工具的各种应用系统，包括 CAD、CAM、CAE、CAPP、CAS、CAT、CAI、CIMS等各项技术统称。CAX技术是数字化设计制造技术的基础和核心，CAX技术的应用可大幅提高制造业技术水平和效率[1-2]。《机械设计基础》课程是高职机械类专业重要的专业基础课，内容包括理论力学、材料力学、机械原理和机械设计等，该课程具有理论性、实践性和知识综合性特点，主要考察学生机械设计基本理论和实践应用能力。传统的教学偏重按知识理论体系即一个个分散的知识点教学，项目化不突出，达不到训练学生综合应用能力的目标。教学手段以多媒体、动画仿真、教具为主，学生被动的接收知识。

1 《机械设计基础》课程教学改革的必要性

在数字化、信息化和智能化技术与机械技术结合日益紧密的今天，机械工程人员工程应用能力、创新能力主要通过CAX技术实现。传统的教学方法和教学内容已经不适应现代设计技术以及社会发展的需要，此外，由于高职学生理论基础普遍较弱，更倾向动手，再加上课时和硬件条件的限制如教具的数量、制造的成本高和周期长等，该课程只有在传统教学基础上融合CAX技术主要是CAD技术，采用项目化教学，才能提高教学质量和效率，培养学生的综合工程能力、创新能力和工匠精神，有利于学生毕业后更快地适应设计等相关岗位工作[3]。

2 基于CAD技术开展课程项目化改造的思路

通过实地调研企业机械设计岗位能力需求，发现作为设计人员既要有扎实的理论基础又要具备工程综合应用能力、创新能力及熟练利用CAD、CAE技术辅助设计能力。另外，好的设计离不开设计人员追求完美、勇于创新并对自己的作品充满敬畏之心的工匠精神。因此，《机械设计基础》这门课程的教学既要培养学生机械设计系统知识又要培养学生利用CAD技术进行机械创新设计的实践能力[4]。为实现上述目标，将课程内容重新梳理，构建单项训练和综合训练交替结合的一个个项目，见表1.项目来源有企业实际项目、大学生科技竞赛和根据教学需求设计的针对性课题等。

表1 《机械设计基础》课程结构项目化分解

3 CAD技术的项目化教学实施案例

以CAD设计仿真自行车停车库的教学为案例，课题来自第十五届浙江省大学生机械设计竞赛，主要解决小区或公共区域停车难问题。该任务要求学生利用CAD技术设计自行车停车库机械装置并进行运动学和动力学仿真。目标是训练学生利用CAD软件进行机械装置综合设计能力、创新能力。项目实用性强、难度适中、学生兴趣浓厚。考虑到同学初次接触机械系统设计和设计工作量较大，采用4~5人一组，选出项目负责人，团队合作完成项目。

3.1 问题导入

通过多媒体展示道路上停放的拥挤不堪的自行车图片，引发学生对停车难问题的关注。

3.2 布置任务

基于三维设计软件如PROE等设计自行车停车库机械装置。要求：停车装置以机械设计为主，空间利用率高、安全、便捷、易于维护。

3.3 任务分解

子任务1：市场调研。小组成员搜集资料、查阅文献或实地走访，分析已有停车库设计形式及特点。

子任务2：概念设计。小组成员根据市场需求，拟定设计任务书包括停车数量、占地面积、实现的功能、技术参数等，构思停车库整体结构。

子任务3：方案设计。根据设计要求，拟定不同的设计方案，包括驱动模块如电机驱动、液压驱动等，传动方案如链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆等，末端执行形式如圆柱形、六边形等，本体支撑结构等。通过CAD软件对各方案进行初步系统设计。小组成员从可行性、安全性、可靠性、经济性、便捷性、可维护性等多角度评估各方案优劣，选择最优方案。

子任务4：详细设计。基于三维设计软件采用自顶向下的设计模式，先搭建整体框架，再分解设计任务包括动力部分、传动部分、执行部分、支撑部分等，最后绘制总装图、零件图。小组成员分工协作完成。

子任务5：运动学与动力学仿真。利用CAD软件装配分析功能和运动学模块，对停车库装置进行装配干涉分析、人机工程分析、运动学分析。利用CAD软件动力学仿真模块或专业的CAE软件，对机器展开动力学分析，优化设计。

子任务6：编制设计说明书。小组成员分工完成各模块设计说明书，最后汇总为完整说明书。

3.4 设计点评

采用阶段性点评和终结性点评相结合的形式。在概念设计、方案设计和最终完成设计三个阶段分别设置全班点评环节。各小组以PPT形式结合3D软件动态仿真功能汇报阶段性成果。各小组根据评价标准进行互评、教师评价，最后综合评定成绩。因受教学时数和硬件条件限制，不制作样机。

4 课程教学考核模式

课程采用教、学、做一体化和项目化教学，考核方式分为理论、实操和过程性考核。理论考核学生机械设计基本理论掌握情况，以考试为主。过程性考核包括学习态度、项目考核，考核学生机械设计理论应用于工程实践能力、创新能力。过程性考核有利于及时掌握学生学习情况，改进教学。考核标准为项目完成质量、团队合作精神、工匠精神。各种考核占比分别为：学习态度30%、项目40%、考试30%.每个项目独立考核，最后根据难易程度、工作量加权计入项目总成绩。采用多元评价形式包括学生自评、互评、教师评价和企业专家评价，评价更全面、客观。

5 结语

CAX技术应用是制造业向信息化、智能化转型升级的基础，是机械工程人员必备的技能。从工程实践应用角度，重新构建《机械设计基础》课程结构并设计关联项目。基于CAX技术特别是CAD技术，依托项目组织教学，创新了《机械设计基础》课程教学模式，提高了同学们工程实践能力、创新能力，加深对机械工程技术人员角色认识，学生工匠精神得到进一步培养。