机械类专业中计算机辅助技术的作用探讨

陈砚，单泉，毕长波，周云光

（东北大学秦皇岛分校 控制工程学院，河北 秦皇岛）

一 背景

随着信息时代的来临，机械专业已由纯机械学科发展成为一门综合性的学科，与信息技术、电子技术结合日益紧密，使整个制造业进入一个高速发展的新时期。机械学科正在经历深刻变革，各种新的设计理论与分析方法层出不穷，各种计算机辅助分析设计工具大量涌现，为创新设计注入了新活力，为产品研发提供了强大动力。国家新形式的发展对高等工科院校的机械类专业学生培养提出了新的要求，机械类人才除了应具有开拓创新精神和团队协作精神外，还应具有很强的实际操作能力、独立分析问题和解决问题的能力。因此，必须让学生学习将来能适应市场经济和科技高速发展所必需的基础知识，培养以创新能力为核心的各种能力，其中计算机辅助类知识将起到一个非常重要的作用。

二 现有的计算机辅助技术

机械类本科培养必须将专业技术应用能力和专业理论技术有机结合起来，才能有利于培养学生技术应用能力，具备分析和解决实际问题的基础能力。将计算机辅助技术（CAX）运用到机械类专业学生的培养中，能更好地发挥课程的直观性、实践性、综合性与创新性，从而增强学生的创新能力、动手能力、分析和解决问题的能力[1]。东南大学对机械工程课程体系与教学内容改革的思路为[2]：以创新设计为核心，以CAD/CAM为主线，拓宽基础，注重实践。王猛猛等人[3]将ADMAS、Pro/E等现代CAD/CAE软件与机械实验相结合，将各门机械课程的实践教学进行优化整合，建立了三个层次的新实践教学体系。马杰[4]在机械专业的控制教学中引入Pro/E和MATLAB软件，利用Pro/E软件画出简单的机械结构，通过SimMechanics接口将模型信息导入MATLAB中，加入不同的控制算法，完成了倒立摆的控制仿真并通过三维动画直观呈现。王水林[5]分析了CAD技术在机械制图教学中的应用维度，总结了CAD技术的三维建模在机械制图教学中的应用策略。章泳健[6]分析了有限元分析的市场需求，指出了机械类专业开设该课程的必要性和重要性，在有限元分析课程中采用了Pro/MECHANICA软件进行教学并对教学实践进行了总结。曹宇男等人[7]在CAD/CAM课程的教学中，综合采用课堂教学、上机操作、专题讨论、课程实验和综合实践等多种教学形式，形成一种多元化教学模式。边宇枢等人[8]在机械设计综合实践课中，全面引入ADMAS、SolidWorks等多种计算机辅助设计工具，有效提升了学生将现代设计方法与计算机辅助设计手段相融合实现创新设计的能力。上述研究多从具体的课程教学实践中通过使用各种计算机辅助技术，并证实了该类技术在教学过程中应用的有效性，但是从机械类专业的全程培养过程角度出发，探讨计算机辅助类课程的内容、作用、相互之间的衔接关系以及应用层次分级等的研究较少，因此可以通过计算机辅助类课程为节点，将机械类本科培养中的众多课程和知识点有机地连接起来，是一个较为值得研究的问题。本文基于上述思想，首先分析了计算机辅助类课程的主要内容和作用，并找出了计算机辅助类课程之间的衔接关系，然后探讨了计算机辅助类课程的五大层次的应用类型，最后就计算机辅助类课程的学习途径和软件选取给出了建议，对现代社会的需求下的机械类专业学生的培养提供一些参考。

三 计算机辅助类课程内容、作用及联系

计算机辅助类课程的特点是内容广泛，在机械类专业学生培养计划中既有专门的课程，并有更多的课程会涉及计算机辅助技术。计算机辅助技术主要内容包括计算机基础应用、计算机编程、工程数据的计算机处理、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺设计（CAPP）等等，贯穿于机械类专业本科培养的全过程。计算机辅助技术的特点是，既有专门的计算机辅助课程，也有包含在其他课程中的计算机辅助技术，甚至还有需要学生通过自学才能掌握的知识。计算机辅助技术的学习和应用贯穿于机械类专业的多门课程和实践中，在学生本科培养的四年中均有体现，具体涉及的课程有大学计算机基础、C/C++语言程序设计、机械制图、理论力学、机械原理及课程设计、Matlab基础与机械工程应用、机械设计和机械装备设计及课程设计、流体力学与传热学、机械制造技术、数控技术、计算机辅助设计与制造、有限元分析方法、机械产品造型设计和毕业设计等。

通过计算机辅助技术的逐步深入可将上述课程紧密连接在一起。例如，通过大学计算机基础课程的学习，让学生掌握计算机系统及通用办公辅助类软件的操作方法，为适应后续的视窗类软件的操作打下良好的基础；通过机械制图课程的学习，让学生掌握AutoCAD软件进行工程图绘制的基本操作方法，同时要求学生自学三维CAD建模技术；通过C/C++语言程序设计课程的学生，使学生掌握计算机语言编程的基本思想和基本方法，可为后续的Matlab分析代码的编写打下基础；通过机械原理/机械设计课程的学习，让学生使用三维CAD软件进行结构设计和运动仿真等，促使学生更加深入地掌握CAX软件的使用方法，此外还提供给学生一些典型机构运动分析和力分析的Matlab分析M文件，以此推动学生自行学习使用Matlab软件；通过机床装备设计课程的学习，让学生走进三维结构详细设计及复杂二维工程图的出图、编辑和标注等深层次的应用，为后续的毕业设计做好充足的准备；通过流体力学与传热学、有限元分析基础课程的学习，让学生掌握力学原理、有限元分析原理、有限元分析过程及结果分析处理的方法等；通过Matlab基础与机械工程应用课程的学习，让学生进一步掌握计算机辅助分析处理方法；通过计算机辅助设计与制造、机械制造技术、数控技术、机械产品造型设计等课程的讲解，通过让学生使用三维CAD软件对零件进行三维造型，再用CAM软件生成数控代码，进行数控加工轨迹仿真，最后在数控机床上把设计的零件加工出来，让学生走通机械产品从设计到制造等的全部过程，掌握CAD/CAE/CAM/CAPP等的无缝连接使用方法，更为最后的本科毕业设计环节奠定良好的基础。最后，通过毕业设计实践，提高学生综合运用所学的专业的基础理论、基本知识和基本技能的科学研究能力，分析解决实际问题的能力，也是计算机辅助技术的综合应用实例。

对上述涉及计算机辅助类知识的课程进行分析，可以看到，虽然计算机辅助类知识很多，但是它们之间还是有一定的先后次序关系的，而上述所涉及课程的编排，也正是充分考虑到这些知识彼此之间的联系，目的是可以让学生由浅入深循序渐进地学习。因此，从培养一名合格的机械工程师的角度来看，不仅要有基本的运动方案和机械结构的设计、计算、分析等的理论基础，更需要有结构优化、机械制造、虚拟仿真等方面的应用经验，通过对上述计算机辅助类课的逐步学习，可以较好地满足这些要求。

四 CAX课程多层次培养

通过计算机辅助课程的教学和实践，不但能提高学生的动手能力，并且可以使学生充分了解先进的设计和制造技术，以激发他们的学习兴趣。计算机辅助课程在机械类本科培养中是逐步深入的，其作用可分为以下五个层次：

第一层次，与公共课教学相适用，包括计算机基础操作技能的训练，计算机编程思想的熏陶，专业英语的强化训练等，以培养学生获得基本的理工科素质和能力。

第二层次，与专业课教学相适应，包括机械制图、机械原理、机械设计、数控技术等，使学生获得专业基本技能的训练。

第三层次，与课程实验和课程设计相适应，包括金工实习、机械制图上机实验、机械原理课程设计、机械设计课程设计、机械装备课程设计等，使学生获得专业知识、专业技能的训练。

第四层次，积极组织对计算机辅助课程有兴趣的学生参加课外的大学生科技竞赛等，如全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生工程训练综合能力竞赛、全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛和全国三维设计大赛等等，激发学生的创新实践热情以及计算机辅助技术的实际应用能力。

第五层次，通过本科生毕业设计，培养和强化学生的专业综合能力、实践动手能力和创新设计能力，也为学生今后的工作和读研打下坚实的基础。

针对学生知识、能力、技能发展的阶段性特点，计算机辅助课程对学生有不同的要求，如，面向大一、二年级学生，以计算机基本操作、CAD软件的基础学习及应用为主；面向大三、四年级学生，以CAD软件的深入应用和CAE/CAM/CAPP等技术的学习及应用为主。

五 CAX课程学习途径及软件选择

计算机辅助类课程要在机械类本科生培养中起到良好的作用，必须加大学时量的投入。但是，随着课程改革和教学改革的发展，课内教学时数的缩减已成趋势。因此，要较好地掌握计算机辅助课程的知识，除了在课堂上讲授以外，很多内容可以放到课外自学。为此，必须更充分地利用课外时间，加大课程外实践教学所占比重，才能保证人才培养的质量。通过深入研究发现，课内和课外相结合的途径是多种多样的。

第一，利用开放实验室，或学生自己的计算机，吸引学生在课外选做上机实验。比如，讲授机械制图过程中，除在课堂上学习AutoCAD外，还鼓励学生自学其他的三维CAD软件，并且在三维CAD软件中进行实体模型的建立过程中，还可以更快地使学生掌握机械制图课程中的一些重点、难点，如截交线、相贯线、组合体等，能够有效地进一步培养学生的空间想象能力。

第二，对于一些因学时所限而未能设置课程设计，或者对课程设计有进一步要求时，可以根据教学内容安排一定量的具有课程设计性质的大型作业，由学生利用课外时间完成。这样既可加强学用结合，也有利于个性化教育。如在机械原理课程教学中，可以指导对CAD技术感兴趣的同学，利用三维CAD软件建立机构的三维实体模型，然后进行运动学甚至动力学的仿真。在机械设计课程设计后，可以让学生根据所设计的机械传动系统，使用三维CAD软件完成实体零件，并组装成装配图，还可要求学生利用三维CAD软件将三维实体自动生成二维工程图，甚至还可指导对计算机辅助工程技术感兴趣的同学利用CAE软件完成机械结构的有限元仿真计算等工作。

鉴于目前主流的计算机辅助类软件较多，如何选取合适的软件供学生学习使用，也是一个值得考虑的问题。其实，面向机械类本科培养，主要是要让学生对机械设计的整个流程中，如何使用各类计算机辅助类软件，通过各类计算机辅助软件的无缝连接，共同协助完成机械产品的设计开发任务。因此，可以通过具体的一些实例，基于某一种或几种计算机辅助软件，将机械设计/分析/工艺/制造等过程走通是最为重要的。目前市场上的一些主流通用的计算机辅助软件，多数都是CAD/CAE/CAM一体化软件，均能满足机械类本科培养的要求。

六 结语

通过计算机辅助类的知识、方法和技能，将机械类本科培养中的所涉及众多课程有机地连接在一起，并将贯穿于本科培养的全过程。通过对计算机辅助类知识的循环迭代学习以及具体实例的计算机辅助设计、分析和制造过程等实践操作，让学生对产品设计过程有一个完整的认识和体验，必定对提高学生的专业综合能力、实践动手能力以及创新设计能力等都大有益处。