基于SolidWorks三维设计与表达课程的项目式教学实践

宋雅婷 邹宇新 刘玄 陈华宏

摘  要：传统的SolidWorks教学，各知识点相互独立且割裂，无法形成体系，以致于学生在应用时仍然不能灵活选用。该文将一个完整的工程项目分解到三维产品设计课程的实践教学中，让学生在实例操作中掌握SolidWorks的绘图技巧，不同特征的应用场景，并能灵活运用。同时课程所建模型可应用于机械制图、机械设计基础课程的资源库，课程之间相辅相成，使学生在提升软件应用水平的同时，更好地掌握机械类专业基础课程的理论知识。

关键词：SolidWorks；项目式；实践教学；专业基础课程；工程项目；三维产品设计课程；机械类专业

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）S2-0115-05

Abstract： In the traditional Solidworks teaching， each knowledge point is independent and separated from each other， cannot form a system， so that students still cannot flexibly choose when applying. In this paper， a complete engineering project is decomposed into the practical teaching of 3D product design course， so that students can master SolidWorks drawing skills and application scenarios with different characteristics in the example operation， and can use them flexibly. At the same time， the model built by the course can be applied to the resource base of basic courses of Mechanical Drawing and Mechanical Design， and the courses complement each other， so that students can better master the theoretical knowledge of basic courses of mechanical majors while improving the application level of software.

Keywords： SolidWorks; project-based; practical teaching; professional basic courses; engineering project; 3D product design course; mechanical major

三维造型设计能力是大学生综合素质教育中技能锻炼的重要一环，可为学生的后续课程及创新创业实践奠定应用技能。

SolidWorks软件具有丰富的实体建模功能，能实现零件的建模、装配，对装配体进行运动仿真有限元分析等，能快速转化工程图，极大地提高了设计效率，被广泛应用到各行业的生产当中。因功能强大，具有较高的易学性、操作性和创新性等优秀性能，SolidWorks三维设计与表达课程已经成为机械类专业必开的专业基础课之一。

湘潭理工学院的车辆工程专业学生在机械制图与AutoCAD课程的基础上学习此门课程。通过上机训练，使学生掌握产品三维实体造型的方法和技能，为学生用现代化手段从事工程设计奠定坚实的基础。

一  教学方案设计

（一）  课程实践项目的确定

SolidWorks三维设计与表达课程（以下简称“本课程”）的大部分教材章节均按操作划分，每一个小节讲解一个知识点（草图和特征），各知识点、实体相互独立，以致于学生独立运用某个知识点很熟，但在综合应用时仍然无从下手，不能灵活选用相应的功能。比如说基准面的建立，学生掌握了建立方法，却不理解在何种情景下需要新建基准面，以及在建模中起到了何种作用。

本课程的教学中，我们选用了杨玉霞主编的《SolidWorks项目实践教程》作为主教材，沿用了机械设计中的经典实例——蜗杆蜗轮减速器的设计，蜗杆蜗轮减速器包含有齿轮、带轮、链轮等常用的传动零件。从零件建模、装配，一直到出工程图，通过这个完整的工程项目学习，使学生较为全面掌握SolidWorks软件的应用。

减速器是机械类学生常见的一个机械设备，在专业基础课中机械制图、机械测绘实训、机械基础等理论课程的学习中重复出现的频率较高，其关联的专业知识可以串成一个体系。学生在掌握配合、传动关系的基础上，更能理解结构和装配关系，上手更快，有助于提高学习兴趣和积极性，保证了教学效果。一定的重复，让学生从不同的角度了解、掌握、使用常用零部件和机构，学生能较为直观地理解其工作原理，保证了教学的连续性。

减速器项目设置依据渐进性原则，根据教学需要设置内容涉及零件、虚拟装配设计、运动仿真和工程图创建共四大模块。零件围绕模块的能力运用逐步进行，涵盖了机械行业中常见的零件、部件及机构。

（二）  课程项目的设计

减速器中包含键、套筒、法兰、轴、蜗轮、大齿轮、上箱体与下箱体等38个零件，每个零件的选用糅合了不同的建模方法，在实体建模中掌握拉伸、扫描切除、阵列、参考几何体、抽壳拔模、镜向、筋、倒角、圆角及异型孔向导等各种特征的运用，以及基础建模方法；掌握用Toolbox生成标准件以及标准件的建模的思路；将前期建立的实体模型分成相应组件，依次添加同心、重合、平行等配合关系，按照装配要求装配成轴组件，最后再将轴组件等子装配体与箱体一起组装成减速器（装配如失败，需要找出原因，并修改实体模型）；完成减速器的装配后，可以在装配体的基础上生成爆炸视图，进行运动分析；掌握工程图的创建和编辑，通过三维模型轉化生成零件图及减速器的装配图。这个项目基本能覆盖本课程教学所要求的各项知识目标，且相互关联，成为一个完整的整体，同时通过项目锻炼学生发现问题、资料查找、自主思考、解决问题的能力。

（三）  项目教学保障

本课程全程在机房开展，在简单零件建模模块，教师会采用演示法教学，每次课堂都要进行理论讲授和实际操作，再进行学生练习。标准件建模和复合零件建模模块，以教师展示实体模型和设计树，以“任务驱动式”教学为主，及时发现问题并引导。中间穿插安排有配套的课内及课外练习，保证学生具备草图绘制、灵活修改草图、零件设计、虚拟装配及创建工程图的基本能力。发散建模练习模块，需要学生根据零件图纸自主建模，分析零件、确定建模思路、草图绘制、添加特征、检验，最后教师补充分析，讲解思路，优化提高。

（四）  项目教学实施

SolidWorks三维设计与表达课程总学时为48学时，其中在教学项目的设定中都是从减速器的简单零件到复杂零件，逐渐过渡，最后到实现整个减速器的装配。学时分配见表１。

教师针对新内容会采用屏幕广播的方式进行演示，学生随之练习，学生练习的同时教师在教师机上演示并答疑。第二小节课则针对类似项目采用竞赛的形式进行。教师会认真分析每次小项目的完成情况，了解学生学习的难点，且每次上课前都会针对上节课中学生的集中问题点进行讲解。

没有积压问题，小项目完成度非常高，学生在课堂中积极性也非常高，专注练习，废寝忘食挑战难题，互相交流、讨论，形成了良性循环。

二  基于SolidWorks软件的减速器模块化设计

（一）  简单零件的三维建模

选取减速器中较为简单的零件，在草图的绘制过程中熟悉草图绘制命令、工具，掌握几何关系的建立。在键的建模中，可以选用给定深度和两侧对称来拉伸，并比较两种建模结果相对于原点位置的不同。齿轮轴上的套筒可采用拉伸的方式建模，让学生在过程中了解草图可绘制出若干封闭区域，在拉伸或者生成相应的特征时可选择草图中一个或者多个封闭区域进行操作。

低速轴上的套筒和轴承套筒均可以采用拉伸或者旋转来建模如图1所示，学生可以在建模过程中仔细比较其中的差别，并思考哪种建模方式更方便后期修改。

（二）  轴类零件的三维建模

轴类零件的主体部分可使用“旋转”工具建模，“旋转”的关键在于选定一根轴线。绘制键槽需要新建一个平键下表面的基准面，然后在基准面上绘制键的草图轮廓，通过“切除”来绘制。如果是蜗杆轴，需运用“扫描切除”和阵列特征绘制蜗杆齿。绘制的轴类零件如图2所示。

（三）  标准件的三维建模

Toolbox是SolidWorks的标准零件库，减速器中的螺栓、螺母、垫圈和键等标准件都可以直接调用。从Toolbox零件库中调用的标准件设定好相关尺寸参数后，直接另存为三维零件，将其导入到装配图中即可使用。通过标准零件库Toolbox生成的部分标准件如图3所示。

（四）  齿轮类零件的三维建模

齿轮类零件三维建模的重点在于轮齿的绘制，常用的渐开线齿轮的设计关键在于渐开线轮齿的绘制。绘制渐开线齿轮和蜗轮时需要使用“方程式”命令，而“方程式”又涉及零件建模的参数化设计。通过“全局变量”和“方程式”建立的函数关系绘制出轮齿轮廓，再通过“阵列”“拉伸切除”等命令，就可以绘制出如图4所示的渐开线齿轮和蜗轮。

（五）  减速器箱体类零件的三维建模

减速器箱体分为上箱体和下箱体两个部分。上箱体利用“拉伸”、抽壳、“切除”、阵列及异型孔向导等特征完成。低速轴、齿轮轴轴承安装孔以及轴承盖上螺纹孔，可以先画一侧，然后利用“镜向”的方式绘制另一侧。同样，下箱体的主体外形更为简单，可通过“拉伸”与“切除”完成。二者中的螺纹孔和销孔可以通过“拉伸切除”绘制，但最好通过“异型孔向导”一次性绘制，然后通过“阵列”或“镜向”生成。一侧的油标尺孔也可以利用“新建基准面”→“拉伸”→“异型孔向导”来完成，而加强筋可以直接通过“筋”工具生成。

（六）  减速器的装配

将零部件的实体模型插入装配体文件中逐级进行组装，从而得到整个装配体。首先以几个轴作为主体，分别组装蜗杆轴组件、蜗轮齿轮轴组件、低速轴组件。轴组件的基础上分别根据箱体的结构装配上、下箱体组件，装配时，分别选择减速器的上、下箱体作为基座；接着将轴组件、轴承、法兰等零件逐个装配到图中，约束关系主要利用同轴心、重合等配合方法；最后，将上箱体组件配合到下箱体上，再插入螺栓等紧固件完成减速器总装配体的装配工作。

为了更直观地表达零件之间关系，我们会对装配好的模型进行“爆炸”操作，蜗轮齿轮轴组的爆炸视图如图5所示。

为了便于装配和便于识别，装配过程中，还可以对三维模型进行上色、隐藏和更改透明度等处理。图6为安装好的减速器。

可以對装配体进行必要分析，查看装配是否符合要求。利用SolidWork软件的干涉检查功能确定装配体各零件是否发生干涉现象。打开SolidWork软件界面的“评估”中的“干涉检查”，选择对整个装配体进行所有零件的干涉检查。在此过程中可以进一步确认零件是否可以被合理地装配在一起，如出现干涉、不合理之处可以及时追溯和修正。

三  项目式教学实践总结

（一）  实施效果

此项目教学，以车辆工程班为试点，本班学生31人，均能在第12周提前完成项目任务，再通过经典练习题和CaTICs竞赛赛题作为补充，通过学生的自主建模，引导学生进行独立思考、大胆尝试。

通过学生课堂表现和每次课提交的建模作业情况，可以看出减速器的难度和工作量适中。这个综合项目的训练不仅对学生的各项综合能力提出了要求，还进一步强化了其读零件图和装配图的能力，有利于空间思维能力的提升；对于机械行业常用减速器的结构和传动有了一定的了解，为机械设计基础和汽车构造的学习打下基础；针对于不同零件的建模，采用不同的思路和方法，学生在练习过程中掌握了建模基本技能和方法。

一个完整的项目有利于促进学生自己发现学习过程中的问题，分析问题点，找准关键，修正、思考后期如何改进，不断反思，总结学习经验。

（二）  实施的意义

1）目标明确有利于激发学生兴趣，调动学生的积极性。分解任务，从简单零件建模入手，通过一个个具体零部件组织教学，达成度高，这更能强化学生的学习积极性。展示减速器装配成品，学生有明确目标驱动，学习目的明确，学生能从中体会到成就感。

2）有助于培养学生的各项能力。本课程的综合项目都是学生较熟悉的零件及机构，零部件之间相互关联，有助于学生联想，学生可以通过充分交流和讨论，从中汲取新知识。整个学习过程中，有明确目标为导向，教师做引导，学生可以尝试多种建模思路，遇到问题主动纠错。

3）学生主动性更强，真正实现教学相长。实现教师角色转换，学生的自我驱动式学习比被动学习要更高效，更重要的是思维能力的培养。对于教师而言，每个小项目各具特点，不再是单独机械地套用特征命令，教师引导学生突破难点的同时也会得到新的启发。

四  结束语

项目教学法对教学起到了促进作用，好评率达98.56%，班级同学基本能独立完成竞赛题的建模。后续，我们将进一步探索、挖掘，将 SolidWorks软件与机械制图、机械基础、汽车构造等其他专业课程的教学有机地结合在一起，建立模型资源库，形成知识体系，促进其他课程更好地开展教学活动，助力应用型人才的培养。

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