美國《機(jī)械零件設(shè)計》教材的特色與啟示

劉　瑩　吳宗澤

摘要：教材建設(shè)是提高我國高等教育質(zhì)量的一個重要內(nèi)容。本文以近年來出版的3部具有一定代表性的美國《機(jī)械零件設(shè)計》教材為對象，闡明了這些教材以人為本的理念和注重啟發(fā)性、工程實踐性、學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)性、學(xué)科新發(fā)展等特色，為我國編寫出更多有中國特色、符合我國高等機(jī)械工程教育特點的優(yōu)秀教材提供借鑒。

關(guān)鍵詞：美國教材特色；機(jī)械設(shè)計；教材建設(shè)

教材作為學(xué)生學(xué)習(xí)的重要工具，如何提高質(zhì)量，體現(xiàn)學(xué)科的基本要求和發(fā)展，將實用性與前瞻性結(jié)合起來，并且有特色或獨(dú)創(chuàng)性是我們每一個高等教育工作者需要深入思考的問題。

機(jī)械設(shè)計課程作為高等院校機(jī)械工程專業(yè)的基礎(chǔ)課有著極其廣大的學(xué)生受眾群體，在機(jī)械工程專業(yè)的機(jī)械基礎(chǔ)系列課程中占有重要的地位。因此，機(jī)械設(shè)計課程教材的編寫質(zhì)量在一定程度上直接影響到高等機(jī)械工程人才培養(yǎng)的質(zhì)量。編寫具有中國特色、符合我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)人才需求的機(jī)械設(shè)計教材是一項重要的工作。作者近年來結(jié)合雙語教學(xué)的實踐及主編北京市高等教育精品教材、“十一五國家級規(guī)劃”教材工作，閱讀、縮編和翻譯了若干本美國近期出版的機(jī)械設(shè)計相關(guān)教材及專著，對于這些教材編寫中以人為本的理念和注重工程實踐性、啟發(fā)性等特色有了更深刻的認(rèn)識，為我國機(jī)械設(shè)計類教材的編寫提供了有益的啟示。

本文以三本具有代表性的美國《機(jī)械零件設(shè)計》教材，即Robert L，Mott編寫的Machine Elements in Mechanical Design第4版(后稱教材1)、Bernard J.Hamrock,Steven R.Schmid和Bo Jacobson編寫的Fundamental D，MachineElements第2版(后稱教材2)及M.F.Spotts，T.E.Shoup和L.E.Hornberger編寫的DesignD，MachineElements第8版(后稱教材3)為對象，闡述其編寫的主要特色。

一、以讀者的視角進(jìn)行啟發(fā)性學(xué)習(xí)導(dǎo)讀，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題的能力

現(xiàn)代教育的理念倡導(dǎo)學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)。即，在教學(xué)的過程中應(yīng)該使學(xué)生從“要我學(xué)”的被動地位轉(zhuǎn)化為“我要學(xué)”的主動學(xué)習(xí)狀態(tài)。機(jī)械設(shè)計課程由于知識面的廣泛及其深厚的實際工程背景，往往使我們的學(xué)生難以盡快進(jìn)入角色，在心理上逐漸失去學(xué)習(xí)的興趣。如何通過教材提高學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，把自己作為主角?如何提高學(xué)生提出問題、分析問題的主動性和能力?教材1在這方面體現(xiàn)出獨(dú)有的特色。表現(xiàn)在以下兩個方面：

1每個章節(jié)的開篇以第二人稱的表述方式，通過“概覽(The Big Picture)”的形式，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入本章節(jié)的學(xué)習(xí)情景

“概覽”一般包括：“討論導(dǎo)引(Discussion Map)”和“(如果)你是一個設(shè)計師(You arc the designer)”兩個部分。在“討論導(dǎo)引”中圍繞本章的主要對象(零部件)引導(dǎo)學(xué)生去觀察、發(fā)現(xiàn)其工作特點；提出設(shè)計一個安全可靠方案需要考慮和解決的問題；然后將學(xué)生(讀者)設(shè)想成設(shè)計者，即“(如果)你是一名設(shè)計師”引出本章節(jié)學(xué)習(xí)的目標(biāo)和主要內(nèi)容。以第9章“直齒圓柱齒輪設(shè)計”為例：首先，將直齒圓柱齒輪傳動的幾何特點進(jìn)行了回顧(教材第8章介紹了齒輪嚙合的原理)；隨后在“發(fā)現(xiàn)”中，請學(xué)生觀察和描述直齒圓柱齒輪的嚙合運(yùn)動、應(yīng)力特征及其影響因素：結(jié)合“發(fā)現(xiàn)”提出的觀察內(nèi)容，在下文中進(jìn)一步提出類似的一些思考題：“考慮在齒輪嚙合過程中以及整個齒面上，什么位置齒輪所受應(yīng)力最大?”；“原動機(jī)對齒輪傳動有何影響?采用電動機(jī)和采用以汽油為燃料的發(fā)電機(jī)作為動力對設(shè)計有什么不同嗎?”等。經(jīng)過以上的過程，引導(dǎo)學(xué)生從觀察現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問題，分析問題解決的方法，將學(xué)生吸引到齒輪傳動設(shè)計所要考慮的主要問題上，進(jìn)入到設(shè)計的準(zhǔn)備狀態(tài)。在第二部分的“(如果)你是一名設(shè)計師”中完全將學(xué)生置于一個設(shè)計主角當(dāng)中，通過“你如何完成一個齒輪傳動設(shè)計?”的提問，引出了齒輪傳動設(shè)計的主要內(nèi)容。

以上教材的編寫形式使得作者如導(dǎo)演一般將演員(學(xué)生)按照劇情逐漸引入到角色中，閱讀教材的過程也如同讀劇本一樣有非常生動的畫面。這種效果比起教材刻板的介紹或概述，對于讀者更具有親和力、感染力和啟發(fā)性。更有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的主動性和能力。

2章節(jié)后大量的與內(nèi)容呼應(yīng)的分類習(xí)題，幫助學(xué)生由淺至深、從簡到繁地熟悉和掌握章節(jié)主要的知識點

仍以第9章為例，書后共有習(xí)題83個：編者按照本章的內(nèi)容編排，將習(xí)題分成專題：齒輪傳動的受力分析(6個)、齒輪制造與質(zhì)量管理(10個)、齒輪材料(19個)、輪齒的彎曲應(yīng)力分析(6個)、許用彎曲應(yīng)力的計算(6個)、(輪齒)疲勞點蝕失效分析(6個)、許用接觸應(yīng)力的計算(6個)、(綜合)設(shè)計問題(11個)、齒輪傳遞功率的能力分析(3個)、雙級齒輪減速傳動的設(shè)計(6個)和塑料齒輪設(shè)計(4個)。習(xí)題的編排覆蓋了直齒圓柱齒輪設(shè)計的全部內(nèi)容，通過一定量的習(xí)題練習(xí)不僅使學(xué)生對齒輪設(shè)計的全面知識進(jìn)行了訓(xùn)練，而且能夠體會齒輪傳動設(shè)計需要考慮的主要問題和一般步驟，有助于學(xué)生掌握機(jī)械設(shè)計的一般方法。習(xí)題的設(shè)計反映出編者對于課程基本內(nèi)容和教學(xué)要求研究透徹。這值得我國教材在習(xí)題的設(shè)計方面借鑒。

二、與工程背景和日常生活緊密聯(lián)系，通

過大量的應(yīng)用實例將知識與技術(shù)很好

地結(jié)合起來

機(jī)械設(shè)計是一門工程應(yīng)用背景非常突出的技術(shù)基礎(chǔ)性課程，不僅包括了機(jī)械設(shè)計的基本知識、基礎(chǔ)理論、基本方法，更重要的是還包括了機(jī)械設(shè)計的基本技能。教材2采用“案例學(xué)習(xí)(Case Study)”作為例題的補(bǔ)充形式，通過提煉工程實際和日常生活中機(jī)械設(shè)計的應(yīng)用實例，使學(xué)生了解機(jī)械設(shè)計方法如何在生產(chǎn)實際中應(yīng)用。例如，在介紹了齒輪及蝸桿傳動設(shè)計方法后，以食品混合機(jī)械中的傳動鏈部分為例對真實的工程設(shè)計過程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。通過案例學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解實際問題中原動力、齒輪初始的參數(shù)，如齒數(shù)、傳動比、齒輪材料等選擇的方法和約束條件，特別是工程問題答案的可行性和不惟一性特征等。再例如，教材2在講述機(jī)械設(shè)計中的安全性考慮時，通過一個農(nóng)婦因丈夫在修理拖拉機(jī)鏈條時受到飛出的金屬碎片致殘而與拖拉機(jī)制造商打官司的事例，說明在機(jī)械設(shè)計中不僅在設(shè)計階段，而且在使用維護(hù)階段均要考慮安全性，這非常重要。在闡述機(jī)械設(shè)計對最終產(chǎn)品成本的影響時，教材2中給出了一個擺動式動力鋸前后兩個設(shè)計方案，從初步方案中41個零件，安裝時間6，37分鐘；到改進(jìn)設(shè)計后只有29個零件，裝配時間縮短到2，58分鐘。通過具體的數(shù)據(jù)使學(xué)生深刻直觀地理解了“產(chǎn)品的成本往往在設(shè)計階段就決定了”這一理念。案例教學(xué)的方法的積極作用已經(jīng)在教學(xué)中取得共識。我國一部分同類教材在此方面也進(jìn)行了積極的

嘗試，并在教學(xué)實踐中取得良好的效果。

另外，機(jī)械設(shè)計課程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計能力培養(yǎng)的一個重要組成部分。教材1、2、3通過大量制作精美、結(jié)構(gòu)詳盡的照片或插圖(包括軸測圖、工程圖、實物圖片)等，介紹了工程和生活實際應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)，使學(xué)生對機(jī)械結(jié)構(gòu)有更加直觀的認(rèn)識和理解，也是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的很實用的參考資料。

三、注重機(jī)械設(shè)計與材料科學(xué)、機(jī)械制造

學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)性，使學(xué)生正確認(rèn)識

設(shè)計與工藝的關(guān)系，從而提高解決機(jī)

械設(shè)計問題的綜合設(shè)計能力

機(jī)械設(shè)計是多學(xué)科交叉的科學(xué)，其中和材料學(xué)與機(jī)械制造更是有著密不可分的聯(lián)系。教材1、2、3均將與機(jī)械設(shè)計相關(guān)的材料內(nèi)容，如：主要類型、機(jī)械性能、應(yīng)用場合以及應(yīng)用實例，獨(dú)立成章加以介紹，使學(xué)生能夠?qū)Σ牧线x擇有整體的概念。加工制造方法在零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計中有重要的指導(dǎo)作用。上述教材通過大量的現(xiàn)場和實物圖片將在生產(chǎn)現(xiàn)場才可以了解到的制造知識介紹給學(xué)生。如：齒輪的制造中不僅介紹了常用方法、典型刀具、常用設(shè)備、檢驗技術(shù)、質(zhì)量控制等實用技術(shù)，還對制造技術(shù)發(fā)展，如精密磨削設(shè)備、加工中心等加以簡述，使學(xué)生更深刻理解齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的要素和注意的問題，有助于提高學(xué)生解決實際工程設(shè)計問題時，綜合分析問題的能力。

四、注重機(jī)械設(shè)計學(xué)科新的理念和發(fā)展介

紹，以幫助學(xué)生樹立機(jī)械設(shè)計學(xué)科的

專業(yè)志向

《禮記》學(xué)記中有這樣一句話：“善歌者，使人繼其聲。善教者，使人繼其志。”機(jī)械設(shè)計雖然是一門古老的學(xué)科，但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們物質(zhì)文化生活需求的提高，仍然存在許多亟待解決的問題。如何使機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)生通過機(jī)械設(shè)計課程，從一個側(cè)面了解機(jī)械設(shè)計的發(fā)展和重要性，從而啟發(fā)和激勵學(xué)生樹立正確的專業(yè)理想，是在編寫教材中面臨的一個重要問題。我國的絕大部分教材考慮到機(jī)械課程本身的學(xué)時約束，對機(jī)械設(shè)計的新方法和新發(fā)展，常采用避實就虛的做法，一般僅在緒論中有一些簡述。但美國的三部教材都不約而同地采用了一定篇幅，甚至是整章的篇幅向?qū)W生介紹新的設(shè)計理念、設(shè)計方法。如：教材2在緒論中，以獨(dú)立一節(jié)的內(nèi)容介紹了計算機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用。通過無影畸齒矯正牙套的設(shè)計與制造案例，簡明地闡述了計算機(jī)技術(shù)在形狀設(shè)計、應(yīng)力分析、產(chǎn)品制造等環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，使學(xué)生了解到計算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展給機(jī)械設(shè)計帶來的巨大影響，以及相互促進(jìn)的關(guān)系。第20章緊密結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，介紹了MEMS(Elements of micro-electro mechanical system)中的零件設(shè)計方法；教材3中，第13章介紹了形態(tài)綜合(Form synthesis)在機(jī)械設(shè)計中的具體應(yīng)用。以上這些內(nèi)容擴(kuò)展了學(xué)生對機(jī)械設(shè)計的理解，也使學(xué)生能夠了解到新興學(xué)科與傳統(tǒng)學(xué)科之間的聯(lián)系，從而能夠根據(jù)自己的興趣和長處選擇專業(yè)志向。

以上分析了美國機(jī)械設(shè)計教材的四個方面的主要特色，從中可以得到以下的幾點啟示：

首先，教材作者需要加強(qiáng)對具有我國學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的規(guī)律的研究。我國絕大部分機(jī)械工程類的學(xué)生在工程實踐背景和能力方面較薄弱，只有在摸清學(xué)生對于實踐性較強(qiáng)的課程的學(xué)習(xí)規(guī)律，才能夠有的放矢地進(jìn)行啟發(fā)式、循序漸進(jìn)式的內(nèi)容組織。

其次，教材作者要根據(jù)機(jī)械課程本身的性質(zhì)、內(nèi)涵和教學(xué)目的，深入研究教材編寫中如何體現(xiàn)工程實踐能力、綜合解決問題等能力的培養(yǎng)問題，使我們的教材既體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計理論體系的完整性，又能夠更好地在培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計實踐能力上提高教材的實用性。以上美國的教材以密切聯(lián)系實際的描述或舉例，不僅拉近了機(jī)械設(shè)計與實際應(yīng)用的距離，在一定程度上消除了課程的神秘感，增強(qiáng)了課程的實用功能，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。目前，國內(nèi)已有一些教材增加了章節(jié)的重點、難點和知識拓展、參考書目等；這些都對于學(xué)生的自學(xué)和進(jìn)一步研究提供了幫助，值得提倡。

第三，教材的作者(一般是從事高等教育的教師)，需要積極主動地投身到機(jī)械設(shè)計的工程實踐和科學(xué)研究工作中，從中開闊眼界、汲取和更新知識，有助于在教材編寫中游刃有余地將機(jī)械設(shè)計的基本理論與技術(shù)方法、傳統(tǒng)的知識與現(xiàn)代的發(fā)展聯(lián)系起來，使教材內(nèi)容增強(qiáng)實用性的同時，又具有前瞻性。

責(zé)任編輯文和平