融合三维公差分析的机械设计实践课程教学探析

葛梦滢 刘利 刘江丽

摘 要：根据“新工科”构建思想，以理念率先变革带动工科教育新发展，探索实施工程教育人才培养新模式。本文以机械设计实践课程为载体，描述和分析了现有实践教学模式，并基于CDIO教育模式创新性地提出了将三维公差分析融入机械设计实践的教学方法。通过将设计思想、先进技术和工程项目相结合，不断增强学生的知识内涵、创新思维和工程适应能力，为工科教学改革提供了一定的借鉴作用。

关键词：机械设计; 实践教学; 三维公差分析; 教学教改

中图分类号：G642.0             文献标识码：A    文章编号：1006-3315（2021）2-180-003

机械设计实践是为培养机械类专业学生的创新意识和创造能力而开设的一门基础专业课程，课程强调通过实践对设计理论知识进行综合性强化与应用，促使学生在设计实践的过程中积累设计经验，树立创新理念，逐步掌握解决工程实际问题的方式方法[1]。根据CDIO（构思Conceive-设计Design-实现Implement-运作Operate）工程教育模式提出的工程技术创新和工程实践能力人才培养体系要求，传统工程实践教学模式所培养的学生其创新意识和工程实践能力均存在一定差距[2]。面向“新工科”背景下的社会需求，高校需要聚焦机械设计实践教学模式的探索与改革，引入先进多元的设计分析工具，不断完善培养体系，提高教学质量。本文针对机械设计实践课程，从教学模式、教学方法和课程体系等方面的改革创新进行探讨和交流。

1.实践课程的现状描述与分析

1.1实践课程教学背景

机械设计实践课程涵盖机械制图测绘、机械原理课程设计、机械设计课程设计、毕业设计等，具有综合运用机械基础知识的重要作用[3]。为配合教师对理论课程的讲授和学生对基础知识的吸收，高校开设了三维设计实践课程及工程训练课程，可以帮助学生更好地掌握机械设计原理及方法，了解新型加工方式，把握行业发展动态。实践课程选用CATIA三维设计软件，教师教授学生通过使用CATIA对典型零件进行建模和装配，并选用精密测量等技术，教师教授学生通过使用新型测量设备对零件进行测量检验，检验产品是否符合生产要求。三维设计课程可以使学生更好地对产品进行虚拟造型、结构演示及方案完善。同时，有机衔接特定的工程训练课程，可以实现以产品研发到产品运行的生命周期为实践教学载体，促使学生掌握工程基础知识，提升个人能力、人际团队能力和工程系统能力[3-4]。

1.2实践课程面向对象

机械设计实践课程面向对象广泛，涵盖高校本科教育的各年级学生，因而会产生学生基础知识掌握程度分层情况。通过以往授课总结，在进行实践课程前，学生总体特点表现为已掌握一定的机械设计基本原理，但缺乏对设计实现方法的运用;仅能局限地依照教材进行基础零件设计，尚未能对实际工程案例进行设计、分析和优化。同时，我们发现有企业见习或实际加工经历的学生，明显比仅通过教材了解学习机械专业领域知识的学生更加具备机械创新思维，能主动发现设计存在的问题并提出改进方案。因此，实践课程的教学目标即构建分层级、多样化的课程体系，调整学生的知识结构，增强学生的知识内涵、创新思维和工程适应能力[5]。

面对如此多层次、多样化的课程对象，实践课程教学内容设计和教学流程设计面临巨大挑战。機械设计实践课程要将机械设计思想、三维软件运用和实际工程项目相结合[1]。在教学过程中选择合适的课题，引入先进的设计分析工具，融合机械创新设计方法，提升学生的机械设计能力和综合能力[6]。

1.3实践课程教学流程

实践课程从机械原理和机械设计课程设计出发，在学生掌握一定的基础设计原理后进行三维设计软件的学习，同时配合工程训练项目（激光加工、3D打印、数控车床加工、铸造、精密测量等）让学生了解和掌握运用先进制造技术加工零件的方法，最后指导学生综合运用所学知识完成毕业设计。整个教学过程将教师的教与学生的学相互贯通，形成一套成体系的教学流程。

1.4实践课程教学成果

学生通过机械设计实践课程的学习，可实现运用机械原理对产品进行结构设计，借助三维设计软件完成产品的3D建模和工程图制作，并制定合适的工艺完成产品的加工制造。

目前许多高校一贯采用陈旧固有的课题和流程进行教学，虽然可以实现对机械设计课程内容的完整回顾与运用，但是参数略有不同的相同课题和固定的教学环节会严重限制学生的设计思路，影响学生的创造性[7]。因此，机械设计实践课程应积极引入具有疑难性、实践性、代表性的工程案例和先进多元的设计分析工具，提升学生对具体工程案例的自主分析能力，充分调动学生的主观能动性，为社会和企业培养创新型、综合性、应用型人才[8]。本文结合高校实际教学环境要求，提出了机械设计实践课程的教学优化方案，探析了更好达到教学效果的方式方法。

2.实践课程的改革方案

随着市场竞争日益激烈，制造企业对于产品的设计周期、成品质量、生产成本的要求越来越高。公差是产品尺寸和几何参数的允许变动量，扮演着协调设备工作性能和制造成本关系的角色，是产品整个生命周期中的重要技术指标，公差设计是产品竞争力的决定性因素[9]。由此看来，在机械设计实践课程中加入三维公差分析模块是响应社会人才需求的重要举措，有利于拓展学生对机械专业领域的认知，锻炼其掌握先进技术和设计软件的能力，启发其自主探究创新型质量控制方案的方式方法。

本文提出将三维公差分析技术融入实践课程设计，建设虚拟实践环境，引导学生掌握现代化工程设计方法和手段，拓宽学生创造设计能力的培育渠道。原有实践课程仅要求学生按照零件基本参数完成产品的机构设计和造型，忽视了具体工况和工艺流程对结构精度的影响，造成设计的零件不符合加工要求，不满足质量标准。基于课程尚存问题，新课程采用VSA（Visualization Variation Analysis）计算机辅助公差分析工具进行教学，系统使用数字化原型全面展示产品几何体、三维公差、装配流程误差和分析测量结果，学生使用软件能够实现产品位置偏差和装配尺寸偏差等的仿真，预测和评估产品的最终质量[10-11]。

新课程将工程实例引入课堂教学，通过案例事实搭建教学内容和工程实际间的桥梁，有利于学生学习三维公差分析理论知识的同时置身于实际工程背景中，进一步易化学习内容，消化抽象概念[12]。如选用小型冲压装置作为教学案例（如图1所示），一种利用压力将金属或非金属材料加工成零件的特殊工艺装备。

新课程教学流程：（1）教师讲解三维公差分析的技术原理及计算机辅助公差分析系统的应用场景;（2）基于模型的质量工程案例，结合软件操作，教师讲解利用产品制造信息定义模型公差、动态模拟产品制造装配过程以及解读测量分析报告的方法;（3）教师布置任务，学生根据给定案例上机操作，完成产品的三维公差仿真，输出分析报告并制定合理的机械设计优化方案;（4）学生自主操作，教师答疑;（5）学生交流三维公差分析结果，教师参与探讨设计优化方案的合理性和创新性。教学流程图如图2所示。

新课程教学分析：课程以工程实例为载体，构建了学生主动参与、自主合作、探索创新的新型学习模式，有利于激发学生的学习兴趣，培养学生的工程思维[13]。教学采用VSA（Visualization Variation Analysis）是现今主流的三维公差分析工具，学生通过仿真制造与装配过程能够预测产品的尺寸质量和偏差源贡献因子，进而分析设计方案是否满足尺寸设计和加工要求，提出综合性的优化方案，领悟设计中的尺寸偏差对于质量控制、生产成本及交付时间的重要影响，提升解决实际工程问题的能力，成为符合“新工科”发展要求的工程人才。

3.实践课程的改革成果

3.1工程思维能力

新课程以工程实例为教学载体，以大工程观为指导思想，引导学生从工程经济、工程文化、工程技术和工程管理等多元维度对复杂工程问题进行综合决策。学生通过运用数字化测量分析工具，逐步树立工程系统观，提升生产过程精细化设计和质量控制能力。

3.2学习能力

在实践设计环节融入三维公差分析技术，引导学生掌握先进工程设计方法，带领学生感知“新工科”时代下飞速发展的新科学技术，促使学生树立终生学习的理念，加强终身学习的能力，积极主动更新知识储备。将计算机技术渗透传统工科教学，打破学习的固定程序，针对特定的项目难题学生自主探索设计方法和优化方案，进一步提升深度思考的能力。

3.3创新能力

新课程教学体系贯彻了“知行并举”的理念，学生使用三维公差技术对产品初期的设计模型进行分析时，需要综合运用机械结构、工作原理和加工工艺等多维度知识，充分调动自身将理论运用于实践的能力。新课程教学将固有的“二维图纸”转换为“三维图纸”，培养学生的空间思维，引导学生聚焦现代化产品设计方法，调动学习积极性，激发学生的创新创造能力。

4.结束语

在大工程教育背景下，本文基于CDIO教育模式提出了将三维公差分析融入机械设计实践的教学方法，是传统机械课程的一次创新型教学改革。

产品设计过程中的公差优化对产品成品率起着至关重要的作用，成品率的提高直接影响产品的成本和质量。学生在设计过程中进行公差分析，实质上是将设计意图转换为基于概率的设计模型，从而预测产品产量损失的可能性，依靠适当的公差设计有利于消除产品质量问题。

目前，我们正处于一个推陈出新非常快的时代，在教学过程中积极引入工程案例，目的在于让学生设身处地地感知到急劇攀升的市场需求，以及它所带来的产品生命周期明显缩短，成本压力日益增大，产品设计质量下降等多方面的实际生产问题，激发学生探索获取准确产品及其装配尺寸和优化公差的方法，逐步提升学生的工程思维能力和发现问题的敏锐性。

本文提出的融合三维公差分析的机械设计实践课程教学方式为“新工科”背景下的工科教学改革提供了一定的借鉴作用，可以通过多学科的实践进一步深化教学深度，提升教学效果。

参考文献：

[1]连迅.项目式教学模式在“机械设计实践”课程中的研究与实践[J]科教导刊，2018，No.338（05）：130-132

[2]阮红芳，刘星茹.基于CDIO的机械设计课程教学研究与探讨[J]教育教学论坛，2015，2（1）：170-171

[3]朱玉.CDIO工程教育模式下“机械设计课程设计”教改的探讨[J]中国电力教育，2010，2010（19）：98-99

[4]王乐琼.工业设计专业计算机三维设计课程教学改革探索--以PRO-E软件教学为例[J]赤峰学院学报（自然科学版），2017，（16）.200-201

[5]徐志农，周继烈，倪益华，等.大工程背景下工程训练课程项目设置及建设[J]实验室研究与探索，2012（09）：106-109

[6]杨全利.机械创新设计大赛与机械设计实践课程教学的融合方法研究[J]当代教育实践与教学研究，2020（06）：213-214

[7]林晓华，王贤民，冯勇.机械设计教学研究与创新能力的培养[J]科技资讯，2015（20）：175-176

[8]梁冬冬.机械设计教学中应用工程案例教学探析[J]教育现代化，2016，000（035）：P.187-188

[9]李春丽.复杂产品的三维功能公差分析方法研究[D]北京工业大学，2013

[10]F.González Contreras. An improved tolerance charting technique using an analysis of setup capability[J]International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2012，62（9-12）：1205-1218

[11]李海.基于DP-SDT偏差综合理论的三维公差分析方法[D]2016

[12]赖绍聪，华洪.课程教学方式的创新性改革与探索[J]中国大学教学，2013，000（001）：30-31

[13]于克强，陈国辉，刘秀莲.工程案例教学在机械设计教学中的应用[J]中国电力教育，2013，（7）：80-81