以科研带动教学的研究生能力培养

以科研带动教学的研究生CAD能力培养

机电工程学院　姚　慧　曹　岩

摘　要　随着机械产品结构设计从传统设计方式向计算机辅助设计方式的转变，对于机械工程专业的研究生必须加强CAD能力的培养。文中以“基于SolidWorks平台的滚动轴承标准件库的建立”为例，阐述如何以科研课题为依托，以工程实际应用为出发点，通过加强理论基础学习和实际操作能力锻炼，实现软件系统二次开发，从而达到对研究生CAD能力的培养。

关键词　研究生；教育；CAD；轴承；标准件库

随着计算机技术、生物技术等一系列高科技的发展，我国已步入知识经济时代，知识和信息已成为国家、企业和个人竞争的决定性因素，对高层次人才的需求也日益迫切，教育特别是高层次人才的教育面临空前的发展机遇^［1］；另一方面，知识经济对高层次人才的思想素质、知识结构、综合能力等方面的要求又不断更新，作为教育体系中最高层次的研究生教育又时刻面临巨大挑战。

我国《学位条例》中明确要求，硕士研究生要获得硕士学位，必须具有从事科学研究工作或独立担负专门技术工作的能力^［1］。这就要求作为教育对象的研究生，本身必须具备创新意识和创新能力，同时，研究生教育的本质不再是简单的知识学习，而应是研究性能力的培养，而科研活动恰恰是最好的培养途径之一，通过科研活动探求未知，创造性地运用知识，创新技术，创造发明。机械工程作为一门传统学科，随着计算机技术的产生而有了全新的发展，并且对于计算机技术的依赖性也越来越明显。因此，对于机械工程专业机械设计方向，欲培养出高质量的研究生，不仅要着眼于机械学科自身发展的特点，更要瞄准该学科的发展前沿方向^［2］，为此，根据机械产品结构设计从传统设计方式向计算机辅助设计（CAD）方式发展的趋势，结合科研课题加强研究生CAD能力的培养。

一、CAD能力的理论基础

所谓CAD是指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，在产品或工程设计中，计算机可用于建模、制图、分析计算和信息存储等工作，以帮助获得设计最优方案，缩短产品设计周期。这就要求研究生不但要具备相当的理论基础知识，而且还要掌握相关CAD软件的操作技能。理论基础知识可以通过前期课程学习获得，所涉及的课程，如《现代设计方法》、《有限元分析》等，可以与研究方向结合进行具体选择，且可选范围较大。一般通过系统的课程学习能具备基本的理论知识^［3］，但单纯课程学习也有不足之处，所学基础理论知识虽然具有普遍性和通用性，但在现代社会，科技高速发展，知识更新速度加快，经常出现所学知识无法体现与最新科学研究的紧密结合，因此，还需阅读大量国内外文献资料作为补充学习，以获得该领域的最新前沿信息。另一方面，课程学习偏重于基础理论知识，对于相关CAD软件的学习明显不足，造成实际操作技能严重欠缺，进而造成与工程实际结合能力差，因此，在现有学校环境条件下，只有通过科研课题的实际锻炼才能从根本上解决研究生CAD能力的培养问题。

二、以科研课题带动研究生CAD能力的培养

由于课程学习更注重理论基础，使得学生对于CAD软件的学习，往往由于课程学时所限只能是浅显地接触和掌握最基本的操作技能，虽然也有CAD软件的培训课程，但培训过程不系统且缺乏实战性，这必然导致研究生CAD能力无法提升，不具备在工程实践环境下提高分析问题、解决问题的能力，因此，积极参与导师相关科研课题，获得实际训练机会，提高CAD操作能力显得至关重要。下面以课题“基于SolidWorks平台的滚动轴承标准件库的建立”为例来说明如何在科研课题中培养研究生的CAD能力。该课题是针对在机械产品设计中，有大量绘图工作涉及标准件，如：深沟球轴承、角接触球轴承等各类滚动轴承，数量大，结构形式各异，不仅绘图繁琐，而且需反复查阅手册，寻找数据的特点，旨在建立一个常用滚动轴承标准件库。该标准件库是将各类轴承标准件的信息存放在一起并配有管理系统和相应CAD标准接口的软件系统。产品设计人员可以对标准件库进行查询、检索、访问，提取所需的零件信息，生成所需轴承模型，以供设计、制造等工序使用。这也是为了充分发挥CAD软件的作用而进行的一项重要的二次开发工作。该标准件库的开发以模块化设计的方式展开，将具体工作分为四个模块，即系统管理模块、标准件模型库、标准件关系数据库和工程文档资料模块，各模块之间关系如图1所示。为便于系统开发工作的管理，充分发挥团队协作精神，根据模块间的相互关系和研究生的学习特点，学生主要负责基础层模块的开发工作，即利用SolidWorks软件建立标准件模型库，应用Microsoft Access建立标准件关系数据库以及工程文档资料的整理，这三个模块既独立又相互联系。

图1　轴承标准件库系统各模块结构关系图

其中，在进行轴承标准件模型库的建立时，经过对各类轴承的结构特点进行讨论分析后，制定了有针对性地建模方法，其中以独立模型建立和参数化模型建立两种方法为主，这两种方法从不同的侧面对学生的建模技术提出了各自的要求。针对结构复杂、数量小、几何参数关联关系不易建立的轴承类型采用独立建模方法，反之，则采用参数化建模的方法，这种方法也是CAD软件进行二次开发时所采用的一种典型的设计手段，它依据建模时所调用的标准件关系数据库中对应类型的轴承数据表以及所建立的参数间关联关系式，通过几何尺寸驱动以自动生成轴承零件模型，这种方法有利于保证同类型轴承零件结构的一致性，并能有效提高建模效率。独立建模技术要求学生不但要掌握SolidWorks基本建模命令，更要能够针对复杂轴承的结构特点，灵活运用高级建模技术或根据已有的CAD知识和建模技术，有针对性的探寻更适合的建模途径，从而完成复杂结构轴承模型的建立，通过这两种建模方法的训练，可使学生的建模手段和建模思路得到扩展，建模能力得到强化。

另外，无论是独立模型还是参数化模型，建模过程中轴承模型几何尺寸的确定依据是轴承标准数据，而轴承标准数据来自于大量查阅设计手册和国家标准资料，并且对于各类资料经过整理，形成工程文档资料库，进而采用Microsoft Access软件，针对每一类轴承建立其数据表，最终形成轴承标准件关系数据库，以供参数化建模时使用，由此最终形成的轴承标准件模型库与标准件关系数据库达到模型与数据的一一对应，这样才能使所开发的系统在使用时能够达到准确无误的查询、检索和调用所需轴承模型和信息。此次“基于SolidWorks平台的滚动轴承标准件库的建立”的课题经过系统集成建立轴承标准件库，系统界面如图2所示。

图2　轴承标准件库系统界面

三、以工程实际应用的需求为出发点进行CAD能力的培养

在“基于SolidWorks平台的滚动轴承标准件库的建立”课题研究与系统开发过程中，自始至终不能脱离工程实际，否则，所开发系统的实用价值会大大降低，这就要求必须以工程实际为出发点来确定数据资料标准、系统开发平台和设计手段等，并且所开发的系统还必须有一定的前瞻性和可扩展性。

首先，对于轴承标准件库设计资料的搜集，除最基本的《机械设计手册》和《轴承手册》外，还要查阅最新的国家标准等资料，以达到在现有环境下最全面的调研，并且对于设计资料不能进行盲目的搬移，要通过详细阅读、分析、提取、分类和整理，以形成既满足工程设计需要又体现该标准件库系统特色的文字资料信息和数据信息，通过这一实践活动，让学生既可以全面了解轴承分类、选型等基本信息，又能通过调研掌握轴承信息的最新国家标准动态，以确保设计资料的最新性、完整性且符合国家最新标准化要求。

其次，对于系统开发平台的确定也不能脱离工程实际，开发环境在工程实际中要有广泛的应用性，另外，开发平台版本的确定既要满足当前软件应用状况，又要考虑未来软件版本的更新，这样才能确保所开发系统适用的普遍性，该轴承标准件库设计所采用的SolidWorks软件经过广泛调研、论证，是一款功能强大、易学易用和技术创新的主流三维CAD软件，能提供当今市场上几乎所有CAD软件输入/输出格式转换器，同时还能完成不同版本格式的转换，具有很好的市场应用前景，因此，选择这一开发平台保证了标准件库系统应用的可持续发展性。

再者，针对当前科研工作所表现出的学科交叉性^［4］，高度分化又高度综合的大趋势，轴承标准件库系统在研究开发过程中，采用模块化设计手段，将总系统按功能划分为若干模块及子模块，模块之间相互独立，互不干涉，以便于充分发挥研究生的个人能动性、创造性和灵活性，独立完成各子模块的开发，同时，又便于未来对轴承标准件库扩展的需要。另一方面，在轴承标准件库总系统的集成过程中，可充分发挥团队协作性和互助性，达到快速、全面地建立起各子模块之间的关联关系，使轴承标准件库具有完整性、系统性和工程科学性。

四、结论

总之，对于研究生CAD能力的培养不能仅依靠课堂教学和模拟训练，只有通过科研活动的锻炼才能达到真正的提升，也只有通过科研活动才能培养研究生的创新意识和创新能力，从而提高研究生的科研工作素质，达到研究生培养的目的，使其毕业后能适应当今社会高科技发展的需要。

参考文献：

［1］　何世娣，王国美.加强研究生创新意识和能力的培养［J］.合肥工业大学学报：社会科学版，2003，17（1）：107.

［2］　郑际嘉，刘士光.瞄准学科前沿培养高质量研究生［J］.学位与研究生教育，1996（1）：38.

［3］　阎昌琪，王东旭，孙中宁.如何加强研究生科研能力的培养［J］.黑龙江高教研究，2001（5）：73.

［4］　郑刚.浅谈知识经济时代研究生的必备素质［J］.学位与研究生教育，1999（4）：52.