基金项目：云南省教育厅2023年度课题“1+X证书”制度下《机械设计基础》课证融通课程资源开发研究（2023J1865）

引言：

《机械设计基础》课程是高等职业技术教育机械类专业的核心基础课之一，它覆盖广泛的知识领域，具有显著的实用性，是学生未来在机械制造、装配、检测及维护等领域工作所不可或缺的基础。然而，该课程在教学实施过程中面临多个挑战，包括过时的教学模式、实践环节考核不明确和缺少创新思维的培养等问题。

尽管教师通过使用多样的微视频辅助教学，以及组织学生参观相关零部件陈列并进行组装创新设计等活动，在课程初期能够激发学生的学习兴趣，但随着课程内容的深入和难度增加，学生往往感到学习内容抽象且枯燥，从而逐渐失去学习动力。

为应对这些挑战，并顺应职业教育改革的趋势，特别是自从实施“1+X”证书制度和推动产教融合之后，本课程需要适应社会发展的需求，帮助学生更好地理解专业知识和掌握技能。近五年来，中望3D软件在高职院校及学生职业技能竞赛中得到了广泛应用，表明其在教学中的实用性和效果。

引入中望3D作为教学工具，将对《机械设计基础》课程的教学质量产生积极影响。这种教学手段不仅有助于学生更好地理解课程中的知识重点和难点，而且能够有效激发学生的创新思维，为课程改革和教学创新提供重要支持。通过这样的改革，课程能够更加贴近实际工作需求，同时提高学生的职业技能和创新能力，从而更好地准备他们面对未来的职业挑战。

1 中望3D软件简介

中望3D软件是由广州中望龙腾软件股份有限公司推出的一款集“实体建模、曲面造型、装配设计、工程图、钣金、模具设计、结构仿真、车削、2-5轴加工”等功能模块于一体，覆盖产品设计开发全流程的三维CAD/CAE/CAM一体化软件，广泛应用于机械、汽车电子、电器、模具等行业。与传统参数化造型软件如Creo、Unigraphics NX、Solidworks、CATIA相比，其易学易用、界面友好、操作过程更加直观简便，非常适合初学者使用。更为重要的是中望3D软件作为一款国产三维集成软件，应用于“1+X”机械产品三维模型设计考试中。随着机械CAD和三维设计软件的不断发展，将中望3D三维设计软件应用于《机械设计基础》的辅助教学，对于提高学生的学习兴趣、创新能力和学生的三维设计能力都具有十分重要的作用。

2 《机械设计基础》课程特点

《机械设计基础》是高职高专机械类专业的核心基础课程，融合了本科阶段的“机械原理”和“机械设计”两大课程内容，虽难度略有降低，但仍广泛应用于实际工程。该课程内容涵盖平面机构自由度的计算、平面连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构、齿轮机构、带传动、链传动、齿轮传动、螺纹联接、轴及轴毂联接、轴承等众多领域。相关开设专业包括机电一体化技术、机械制造及自动化、机械设计与制造、数字化设计与制造等，显示其广泛的专业覆盖和实用性。

然而，当前课程教学方式主要是教师讲授与学生被动接受，这种单向教学模式难以激发学生的主动学习和参与积极性。课程作业多以课本习题为主，注重理论计算，而实际设计题目较少，导致学生在完成作业过程中可能出现应付和抄袭现象。此外，课程的考核方式主要以过程考核和期末考试成绩为主，未能全面评价学生的学习表现，不能有效反映学生的实际学习情况。

学生在学习过程中常见的问题如迟到、旷课、上课分心及考前临时抱佛脚等，这些问题严重影响了学生的自主学习能力和创新能力的提升。为了改善这些情况，课程需要进行教学方式和评价体系的创新，以增强学生的参与感、创新意识和实际操作能力，从而更好地适应未来工作的挑战。

3 中望3D在《机械设计基础》课程中的具体应用案例

3.1零件设计-铰链四杆机构

铰链四杆机构是由四个刚性构件组成，通过低副连接在同一平面内运动。在这种机构中，直接与固定的机架相连的构件被称为连架杆，而不直接与机架相连的构件称为连杆。能进行整周回转的构件被称为曲柄，而只能在特定角度范围内往复摆动的构件则称为摇杆。

铰链四杆机构根据连架杆的运动类型可以分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。这些机构在实际生活和工程应用中非常广泛，例如雷达天线的俯仰角调整机构、摄影车的升降机构、摇头风扇的传动机构、公交车门的启闭机构、飞机的起落架、手摇唧筒以及卡车的自动卸料机构等。

在教学中，有提议制作实体模型以形象地展示四杆机构的三种基本形式，但实体模型容易在反复演示中损坏。相比之下，使用中望3D软件进行三维模型设计不仅可以避免物理损耗，还可以进行参数化设计，实现模型的永久保存。此外，学生在学习过程中往往难以直观地理解曲柄存在的条件及四杆机构的演化结构，这可能导致对相关知识点的理解和记忆出现困难。通过中望3D软件创建的三维模型，学生可以直观验证知识点，这不仅有助于培养学生的创新设计思维，还能加强他们对重要概念的掌握。这种教学方法对于提高学生的实际操作能力和理论知识的深入理解具有重要价值。

如图1所示为铰链四杆机构简图，根据铰链四杆机构曲柄存在的条件，如果以AB杆为机架，将得到双曲柄机构；以BC杆或AD杆为机架得到曲柄摇杆机构；以CD杆为机架得到双摇杆机构。通过中望3D三维软件进行建模，利用中望3D动画工具与《机械设计基础》课程知识点进行仿真模拟，不仅可以给学生带来真实的视觉效果，而且对于培养学生对于在中望3D装配约束设定具有一定的帮助。通过参数化建模设置不同杆长以及固定不动的机架，验证曲柄存在的条件。在中望3D中以不同的杆件为机架时装配约束存在差别，同时需要设定主动件的旋转角度。图2为中望3D铰链四杆机构建模与装配。

图1 铰链四杆机构                 图2 中望3D铰链四杆机构建模与装配

3.2参数化设计标准件和零件的失效分析

标准件在机械设计中起着重要的作用，它们是广泛应用于不同机械设备和系统中的零部件，标准件的选用在机械设计中具有重要的意义。正确选择合适的标准件可以提高设计效率、降低成本、提高产品质量和便于维修。在《机械设计基础》课程中涉及的标准件有螺栓、螺柱、螺钉、螺母、垫圈、键、销、齿轮、弹簧、滚动轴承等。

学生在学习该知识点之前，在生活中见到一些标准件，授课教师也会把这样标准件带到教室给学生参观，但是对于齿轮中的几个尺寸不能准确从实物看出以及齿轮的失效也无法一一展示，所以在讲授该知识点时，大部分学生只能通过课本图片和老师PPT动画进行学习，对于教师知识的传授以及学生的理解记忆上都带来一定的困难。这时候我们可以借助中望3D软件对标准件进行参数化设计和应用中望3D的结构仿真对齿轮的失效进行分析。图3 所示为中望3D参数化齿轮建模中关键参数的设置，图4 所示的是中望3D渐开线的方程式，图5所示为中望3D完成的齿轮参数化建模，图6所示为中望3D完成的齿轮结构仿真分析。

图3 中望3D参数化齿轮建模中关键参数的设置

图4 中望3D渐开线的方程式

图5 中望3D完成的齿轮参数化建模

图6 中望3D完成的齿轮结构仿真分析

3.3 装配设计和检查

在1+X机械产品三维模型设计职业技能等级要求（高级）职业技能要求：完成其数字化整机装配建模、调试与优化。同时在《机械设计基础》的课程标准也有提到要求学生掌握能设计和选择简单的机械传动装置并进行结构分析和优化设计，针对不合理的结构提出改善方案。这些知识我们的教师无法用静态的PPT或者文字表述出传动装置如何进行装配，当然现实中有教师提出对于零部件的装配可以采用实物进行演示，但是课程的安排需要4个课时从理论讲解到实物搭建。而我们借助中望3D三维软件进行模拟装配和结构仿真分析的话只需要2个课时就能完成此项目。在中望3D中可以使用自下而上和自上而下两种方法设计装配体，也可两种方法结合使用。基于装配体与零部件的关联性，可以随时对装配体进行反复修改，可以直接在装配体中修改零部件结构，也可在相应的零部件中来修改。对于不再需要的几何关系，也可以轻松删除，给设计带来了极大便利。运用中望3D可以对装配好的装配体进行各种类型的分析，如装配体的约束状态、干涉检查和间隙检查等。对装配体干涉检查可以发现装配体中零部件时间的干涉情况，找出设计中存在的问题。通过干涉检查命令可以发现装配体中零部件之间的干涉情况，并在检查结果的列表中显示出来，同时在图形区域显示不同颜色的干涉真实体积。图7所示为中望3D节流阀的装配干涉检查。

图7 中望3D节流阀的装配干涉检查

4 结语

在《机械设计基础》课程当中引人中望3D相关教学环节，通过真实的工程案例三维模型展示和参数化设计，不仅可以使学生对相应知识点理解更加透彻，更加可以提高学生机械创新设计能力和计算机辅助设计能力，对未来从事机械设计行业的学生具有重要的意义。

参考文献：

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