数字化设计在高职机械专业中的应用研究

◎韩斌慧 张爱琴 马 聪

（西安航空职业技术学院 航空制造工程学院，西安 710089）

在高等院校机械制造类专业人才培养体系中，对一些专业基础课及专业课设置了“课程设计及毕业设计”（以下简称“两设”）环节的考核。高职院校在人才培养方案制定的过程中往往借鉴该模式。当课程进行到一定阶段时，安排一到两周课程设计（毕业设计时长在八周以上）。目前主要涉及：机械制图课程结束时的“装配体测绘”，机械设计基础课程结业时的“单级或多级直齿圆柱齿轮减速器”设计；机械制造工艺与装备课程安排的“零件制造工艺规程编制及专用夹具设计”等。该环节对于检查学生综合运用碎片化知识解决生产实际问题的能力、总结教学效果无疑起到了重要的作用。但是，该过程在考察专业基础理论的同时很多要追溯到对数学、物理、力学等基础知识的掌握程度，这些恰好是高职院校学生的薄弱环节，所以“两设”的教学效果往往不尽如人意，只有尝试进行变革才能使机械类专业人才培养目标更“接地气”。

一、现有“两设”弊端

机械类专业课程设计是培养应用型人才的重要手段，不仅能巩固学生对专业知识的理解，进一步培养学生处理生产实际问题的能力；还可以快速提升学生综合素质，加深学生对机械行业的综合认知；加强学生和教师、学生和学生之间的交流互动，拓展思维、促进创新。但是现实教学中也反映出如下弊端：

（一）重理论，轻实践

机械类课程设计通常涉及机械制图、公差与技术测量、机械原理、金属工艺学、金属切削原理与刀具、金属切削机床及夹具设计等内容。对于刚涉足机械行业的大学生，初学时并不完全清楚每门课程的衔接关系及对后续专业课学习的影响。比如，高等数学中的导数、微分、偏导、极值等概念，概率论与数理统计中概率的概念等。教材编著者往往对工程应用背景了解浅显，无法用应用案例讲清理论的应用场合；另外，初次接触公差配合课中“互换性”的概念，学生习惯性认为同品牌的产品都是一模一样的，对于微观尺寸、形状、位置等差异及公差概念难以理解，延续到机械制造工艺课学习时才“进入状态”；金属材料课的“铁碳合金状态图”，抽象的图表、令人费解的晶体结构、“奥氏体、珠光体、马氏体”等怪僻的名词，很难引起学生的学习兴趣；外观简单的车刀，讲解时繁多的几何角度、复杂的参考平面足以让人望而生畏[1]。

而课程设计恰好考察了对上述“枯燥”理论的掌握程度：理论基础差的学生，没有经过足够的工厂实践锻炼，应用到得心应手难度颇高。

（二）重形式，轻实质

1.设计题目陈旧老套、缺乏主动创新[2]。机械类“两设”通常选择一般用途的机械传动装置、机床夹具作为设计对象。选择对象基本涵盖机械专业各阶段学到的知识点，达到检验理论知识的目的，但是设计题目和给定数据多年保持不变，一旦变化后设计结果的正确性需要重新检验。学生接设计任务书后，只需按给定数据、方案及规定的设计步骤完成一定的查表、计算工作量即可。思维狭窄受限，难以体现创新设计目标。部分学生好的想法，无法用精准的平面图纸进行表达，停留在创意阶段；有些能画出简单的示意图，但是参数选择等超出图表、公式的表达范围；加上老师的点拨和指导不到位，导致设计流于形式，多数学生照猫画虎。教师教学任务繁重，不可能对学生设计中每一个公式及参数计算的真实性、可靠性校核，一般仅从图纸上查看是否存在原则性错误或者是否符合国标的表达方式，设计说明书更难以进行深入检查。

2.考核评价不够严谨，违背教学初衷。一个教师往往要带40人左右的课程设计或10人左右的毕业设计。在有限的时间内无法和所有的学生做有效沟通，不能完全了解每个学生掌握专业基础课的情况，也不能及时发现与鼓励学生的创新设计，从而限制了学生创新能力的培养，造成部分学生的抄袭很难评判。尤其在网络环境下，通过淘宝等手段低价购买设计资料蒙混过关的情况比比皆是[3]。

（三）重设计，轻答辩

考核环节主要由任课教师、相关教研室抽调的教师进行简单现场答辩，图面质量、设计说明书的格式、规范性、完整性等占很大分值。答辩过程中普遍存在学生专业知识把握比较差、回答问题正确率低的现象，总体答辩成绩所占的权重相对也较低。设计环节的总评成绩多数会参考理论课成绩、课堂表现等给一个分数，显失公平。

二、高职院校学生的特点

（一）入学基础差，觉得“设计”非专科生所能为

近年来，根据国家政策及高职院校实际情况，每年都会有很大一部分单招入学的学生，和高考统招学生编在同一个班级学习，这部分学生的基础课成绩与学好机械专业的知识需求间存在较大差距，一进校门时接触的第一门专业基础课就是机械制图，学生空间想象能力较弱，在二维图纸与三维实体之间的认识转换不太习惯，对所学过的内容似懂非懂，基础知识之间缺乏有机的桥梁实现联系，对设计环节没有底气[4]。

（二）自卑心理作祟，感觉“设计”与自己没关系

高职院校学生有的因为高考失利，还有的在高中阶段就存在厌学的心理，是在家长主导下就读高职，自身没有明确目标，缺乏正确的职业定位。反映在学习上，钻研精神不够，学习主动性、学习习惯、自觉性都比较差。有些对学业采取消极应付的态度；有部分学生想要学好，但困于学业难、繁、多和缺乏好的学习方法，或者努力后一时看不到效果不能长期坚持下去，导致最终失去学习信心，半途而废；还有些同学自暴自弃，仅仅希望混三年拿到一张大专文凭，根本没有自己的职业规划及奋斗目标；很大一部分人认为课程设计、毕业设计是本科生、研究生做的事，自己未来的工作核心仅仅就是操作[5]。

（三）畏难思想驱使，认为“设计”需老师来成就

高职院校的学生最不喜欢理论课程学习，只要涉及计算类项目便存在畏难情绪，碰到困难缺乏韧性。在处理课程设计这种比较复杂的问题时，不去积极主动寻求解决途径；老师对设计过程中存在的问题提出修改意见时，宁愿得低分也不去修正设计结果及图纸，寄希望于老师告诉最直接的结果或者明确的流程，把自己放在简单的“复印机”的地位上[6]。

（四）动手能力尚可，期望“设计”以直观去实现

高职院校中不乏学生有好的创意、较强的动手能力，这点从各类校级、省级、国家级大赛的结果能够发现。他们喜欢把自己的想法或者创意做成简洁直观的产品或者实物。比如数控机床操作加工出的各类工艺品、普通机加设备及钳工实习过程中制作成的各种零件，都会激发起学生对机械设计、制造方面的极大兴趣，也会让学生逐步树立起成就感和自信心。

三、“两设”教学的数字化引领

“两设”作为检验教学效果的双重标尺，如果能够针对高职学生的特点，将“设计”环节的理论计算适当弱化，取而代之以简洁、直观的设计手段，将更符合高职学生的特点。随着计算机软、硬件水平的不断发展，以三维数字化设计引领高职机械类专业“两设”教学成为可能。

（一）数字化设计的特点

1.数字化设计是经典设计过程的“黑匣子”。数字化设计软件是集合了“计算”过程、手工制图过程的“黑匣子”，它把繁琐的手工计算、各种粗细线型标准等，用算法语言集成到软件中。设计人员只需按照设计意图，向软件提出实现目标，计算机便可自动选择实现的途径，最终以“所见即所得”“所得即所想”的方式将设计结果呈现在操作者面前。对于设计结果的合理性可以采用配套软件进行校核，省却了传统计算中类似“强度校核”等繁琐工作。目前的很多集成式软件：Solidworks、Catia、Ansys等都已经实现了CAD/CAM/CAE集成功能。

2.数字化设计中出现的错误便于修改。目前的数字化设计软件基本具备“尺寸驱动”“环境联动”的特性。当发现设计中所确定的安装孔或者安装基面需要调整的时候，仅需要从最直观的三维实体模型去操作，通过在设计图样上修改孔径尺寸或者安装基面的位置尺寸，即可快速改变实体形状，同时相关的二维图纸也会产生联动效应。

3.数字化具有优化设计的优势。数字化设计软件中一般都有针对某类问题的优化设计模块，如在保证某支撑结构具有足够的强度、刚度的前提下，以质量或体积最小作为优化目标，甚至进行多目标优化都非常容易实现。这是传统计算方法所无法实现的。

（二）数字化设计的实用意义

1.熟悉软件，掌握现代设计方法。数字化设计在高职院校专业人才培养方案中，基本上局限于某一门软件类课程课堂教学。教师一般从软件菜单及各功能命令的使用起步进行讲解，课堂用到的实例参照书本实例顺次讲授。很少系统选择一个产品从零件生成、装配体组装、结构运动仿真、机械强度计算、产品固有特性分析、优化设计等进行全过程教学的模式。在科研院所、制造类企业，已经广泛采用三维实体造型软件进行无纸化办公。比如航空方面普遍使用Catia、煤机装备设计领域普遍采用Solidworks、Pro/E等软件，是企业现实在用的设计软件。如果高职院校学生没有经手过真正的企业产品，仅掌握软件操作的简单命令，将来很难快速适应企业工作需求。所以借助“两设”教学契机，让学生以某个接近企业实际的产品进行一次从零件到组件、从组件到装配体的完整设计锻炼，能够充分调动学生学习积极性，使其在较短时间内全面熟悉软件的大部分功能，并感知设计出的实物形体，从而掌握现代企业的产品开发、设计方法。

2.提高兴趣，锻炼创新思维模式。因为三维建模直观和易操作的特点，借助计算机辅助设计技术，便于把书本上的枯燥理论转换为直观形象的设计结果，学生的学习兴趣被极大地激发出来，设计水平和能力也得到极大的锻炼和提高。而现代设计方法和技术的掌握，不但巩固了理论知识，把理论应用于工程实际，而且对他们参加创新活动、后续课程的学习、毕业设计和将来的工作都有极大的益处。

3.培养能力，提高软件应用水平。利用三维造型软件完成设计过程之后，借助目前成熟的CAPP软件可以方便地进行工艺设计，生产图纸可以由三维CAD软件直接导出；对于工艺规程中用到的专用夹具可以根据零件形体再次设计，并利用有限元分析软件进行夹具关键零件的强度和刚度分析；最后利用常用办公软件撰写课程设计说明书等。通过全程计算机辅助设计，培养学生的计算机综合应用水平[7]，使学生把更多的注意力放在产品构思上，弥补了学生空间想象能力差和二维制图错误多的现状。

（三）减速器的数字化设计实例

在机械设计基础课程设计中，尝试性地让一部分三维造型软件基础比较好的学生采用数字化设计，上交作业时候使用三维软件自动生成图纸。同学们经过手工完成一些必要的计算后，大部分功能均依靠软件实现，最终完成设计中的部分效果如图1、2、3所示。

图1 减速器装配体 图2 减速器爆炸视图 图3 传动齿轮受力分析网格划分

1.装配体三维造型。通过自底向上从零件设计起步，完成了驱动轴、齿轮、轴承端盖、减速器箱体、箱盖等零件的设计；通过选型完成了轴承、连接螺栓、垫圈、油量观察孔、油尺等标准件设计；最后通过组装所得装配体如图1所示。该建模过程中既考察了零件造型的技巧，同时考核了虚拟装配、机械高级配合功能的运用能力。

2.轻松生成爆炸图。为了获取零件间的连接关系，根据上述生成的装配体，生成了图2所示的爆炸视图以便于观察减速器内部结构。通过在输入轴设置旋转马达获得输出轴的转速，转速值完全符合设计任务书的要求。

3.关键件强度校核。齿轮是重要的传动零件，其设计的强度、刚度等指标能否满足传动要求必须进行校核。传统设计要经过极其复杂的计算才能得到近似解析解，使用数字化设计可以很方便地选取齿轮作为研究对象，通过对其设置约束、边界条件、划分网格等步骤，利用Simulation完成设计校核，图3是分析过程中对齿轮实体划分网格的截图，通过计算确认设计结果满足强度要求。

4.动力学仿真分析。配合Ansys软件对装配体结构进行了动力学分析，以获取其模态参数，确保实际工作过程中不会因为振动原因造成损坏，仿真结果满足设计要求，减速器具有较高的寿命（仿真过程略）。

5.设计结果及答辩。答辩环节是教师检查设计质量的重要手段，也是对共性问题进行总结答疑、在后续教学中进行改进的重要依据。通过答辩既锻炼学生临场发挥能力，也锻炼其口头表达能力。答辩既不拘于形式，也不流于形式。答辩时，由一名学生担任主要答辩人，对该组在课程设计中所做的工作进行描述，阐述在设计过程中出现的各种问题以及解决这些问题的方案等；答辩教师根据学生提交的设计成果提出相关问题，并对学生的回答和设计成果进行点评，当场给出设计成绩等级。课程设计成绩评定以三维实体、图纸、设计方案和答辩成绩为主，兼顾设计态度等表现，发现具有创新意识的优秀设计方案，在考核成绩中均有所体现[7]。

通过三维数字化设计，不仅省去了繁杂的计算，学生们从CAD/CAM/CAE一体化分析的角度应用到了三维设计软件的大部分功能，同时对软件课上老师孤立的命令讲解进行了一次“融会贯通”，看到自己亲手完成的三维实体，学生会产生很强的成就感，而且更真实地体验到了设计类企业产品设计的全过程。

四、数字化设计实施的保障条件

数字化设计是对现有教学手段的改革，该教学手段得以顺利实施、有效实施的关键在于教学内容、教学方法、教学实施以及考核形式共同结合起来推动。因此，对现有教学组织过程中相关制度进行适当变革，“两设”课程教学改革的意义和效果才能得以凸显。

五、结束语

在高职院校机械专业课程设计环节，以大学本科生的标准让学生完成传统的“两设”，不仅难度偏大，而且严重脱离学生学习实际，也不符合行业、企业对应用型人才的需求。三维数字化设计是一种简明直观、逻辑过程清晰、操作方便的技术手段，已经被广泛应用在科研院所产品开发、升级换代的过程中，对于直观发现设计过程中存在的问题、模拟仿真设计结果、预判产品使用中可能出现的故障提供了快捷高效的方法。因此，改革现有传统设计手段，以数字化设计引领高职院校“两设”教学模式，既关注学生动手能力的培养，又体现扬长教育的特点，对于提高机械类专业毕业生质量具有重要意义。

参考文献：

[1]赵英华.基于期望理论谈高职学生学习动力不足问题及对策[J].天津中德职业技术学院学报，2017（1）：63-66.

[2]李霞，陈建萍，魏敏，等.机械设计课程设计现状与改革实践的探索[J].教育教学论坛，2016(25）:63-64.

[3]石云霞，王新华,赵高晖.基于创新能力培养的“高等机械设计”课程设计探索与实践[J].教育现代化，2016（38）:35-37.

[4]张瑞敏，赵艳芝.浅谈在实训课中建立高职学生的自信[J].科技与创新，2017（4）：133.

[5]黄颖，饶凤英，涂开峰.高职学生厌学的原因分析与对策研究[J].黄冈职业技术学院学报，2017(1）:31-33.

[6]李翔，杨鲁，孟杰，等.机械制造工艺学课程设计的教学探讨[J].中国现代教育装备，2015(11）:66-68.

[7]贺春山，李庆华，蔡云光，等.基于数字化设计的“三维造型设计基础”课程建设与实践[J].长春师范大学学报，2017，36(2）：123-125.