改革機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

李秀紅，張 明

(太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

機(jī)械設(shè)計(jì)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程基礎(chǔ)課程，是機(jī)械專業(yè)繼理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械制圖等先修課后比較重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，它在教學(xué)中起著承前啟后的作用。在機(jī)械設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需重點(diǎn)掌握通用零件基本的設(shè)計(jì)理論和方法，結(jié)合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行基本技能的訓(xùn)練，逐步提高自己的理論水平、創(chuàng)新能力和分析問題、解決問題的能力，為順利過渡到專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)打下寬廣而堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為適應(yīng)21世紀(jì)的知識(shí)經(jīng)濟(jì)和高科技的發(fā)展需要，機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)必須從傳授和繼承知識(shí)為主的人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)向加強(qiáng)素質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)獲取和應(yīng)用知識(shí)的能力、獨(dú)立思維和創(chuàng)新能力為主的人才培養(yǎng)模式。本文從課程教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和課外創(chuàng)新訓(xùn)練等方面對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的教學(xué)改革與學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)做了一些有益的探索。

一、課程教學(xué)改革

(一)教學(xué)內(nèi)容

機(jī)械設(shè)計(jì)課程主要是圍繞機(jī)械中通用零部件的基本設(shè)計(jì)理論和方法展開的，其內(nèi)容比較豐富，學(xué)生在初學(xué)時(shí)常常感覺知識(shí)零碎而難以入門。為了讓學(xué)生系統(tǒng)掌握這門課，我們始終圍繞“工作原理—失效形式—受力分析—強(qiáng)度計(jì)算—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”這一主線進(jìn)行教學(xué)。在課程內(nèi)容安排上，把傳動(dòng)部分、軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、螺栓組聯(lián)接的受力分析及強(qiáng)度計(jì)算等內(nèi)容列為重點(diǎn)，著重于學(xué)生對(duì)基本概念的理解和基本設(shè)計(jì)方法的掌握，而對(duì)提高學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力幫助不大的公式推導(dǎo)及經(jīng)驗(yàn)曲線的來歷，做了適當(dāng)?shù)膭h減和調(diào)整；加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容，注意聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)零件的材料、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)的選取做重點(diǎn)介紹，針對(duì)工程實(shí)例增加了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的內(nèi)容，努力培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析問題和解決工程實(shí)際問題的能力。[1]

(二)教學(xué)方法

在教學(xué)方法上，我們摒棄了“滿堂灌”的教學(xué)方式，采用啟發(fā)式和互動(dòng)討論式教學(xué)方法，內(nèi)容以少、精、寬、新為原則，重點(diǎn)講授通用零件基本的設(shè)計(jì)思路與方法。我們安排了56小時(shí)講授課和8小時(shí)討論課。講授過程中老師注意與學(xué)生交流，經(jīng)常提出一些問題，啟發(fā)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)分析常見的一些機(jī)械產(chǎn)品，使臺(tái)上、臺(tái)下融為一體，課堂氣氛活躍。如在講授鏈傳動(dòng)齒數(shù)不能過多時(shí)，結(jié)合自行車鏈傳動(dòng)，讓學(xué)生分析脫鏈?zhǔn)紫仁菑哪妮嗛_始？討論課也是培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)性很重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過上討論課，讓學(xué)生參與到教學(xué)中，成為學(xué)習(xí)的主體。我們?cè)O(shè)置綜合型設(shè)計(jì)題目進(jìn)行課堂討論或現(xiàn)場(chǎng)討論，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使學(xué)生有機(jī)會(huì)發(fā)表自己的學(xué)習(xí)體會(huì)和獨(dú)到的見解。例如在講授傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)時(shí)，先由學(xué)生在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下提出多種設(shè)計(jì)方案，然后分組討論并推選代表發(fā)表意見，在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行方案對(duì)比，最終得出正確、合理的設(shè)計(jì)結(jié)果。

(三)教學(xué)手段

在“省級(jí)精品課程”和“省級(jí)示范實(shí)驗(yàn)中心”的建設(shè)過程中，機(jī)械設(shè)計(jì)教研室構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，為學(xué)生提供了網(wǎng)絡(luò)課堂、電子教案、自測(cè)題和網(wǎng)上答疑等教學(xué)資源，讓學(xué)生通過自學(xué)鍛煉獨(dú)立分析問題、解決問題的能力。

在課堂教學(xué)中采用多媒體教學(xué)和板書相結(jié)合的教學(xué)手段。多媒體教學(xué)直觀、形象，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加了教學(xué)信息量和提高了教學(xué)效果。例如在傳動(dòng)系統(tǒng)講授中插入了工程實(shí)例錄像，通過三維動(dòng)畫學(xué)習(xí)其工作原理，給學(xué)生以生動(dòng)、直觀的印象。在教學(xué)過程中，我們也沒有完全拋棄板書，需要學(xué)生重點(diǎn)掌握的內(nèi)容，要在黑板上畫圖重點(diǎn)說明，以加深學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的理解。

二、實(shí)踐教學(xué)改革

機(jī)械設(shè)計(jì)是一門工程基礎(chǔ)課程，實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)極為重要。借助于“省級(jí)精品課程”和“省級(jí)示范實(shí)驗(yàn)中心”的建設(shè)，以注重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力為原則，我們對(duì)實(shí)踐教學(xué)做了以下改革。

(一)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力

機(jī)械設(shè)計(jì)教研室開設(shè)了機(jī)械零件認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、機(jī)械性能綜合實(shí)驗(yàn)和機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。機(jī)械零件認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室陳列著各種各樣的機(jī)構(gòu)、通用零件、創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例、發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓支架等產(chǎn)品，通過參觀機(jī)械零部件陳列柜，剖析牛頭刨床機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生對(duì)機(jī)器及機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)與工作原理有了初步認(rèn)識(shí)。

機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)是通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，驗(yàn)證課堂教學(xué)的某種理論或規(guī)律等。機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)室對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(如帶傳動(dòng)、滑動(dòng)軸承等)從控制與測(cè)試手段等方面進(jìn)行了更新和改造，并新增設(shè)一批設(shè)計(jì)性、綜合性新實(shí)驗(yàn)(如機(jī)械傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)等)，逐步加強(qiáng)了數(shù)字虛擬設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。通過軸系創(chuàng)新組合實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)工程實(shí)踐訓(xùn)練和學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，鼓勵(lì)他們提出參數(shù)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多種方案。[2]

我們通過機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，改變了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中的被動(dòng)地位，鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)方式、方法和步驟，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題的能力，開發(fā)其創(chuàng)新潛能。機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室在省部共建項(xiàng)目的支持下購(gòu)買了機(jī)電組合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)、機(jī)構(gòu)組合搭接實(shí)驗(yàn)臺(tái)、慧魚模型等，為學(xué)生提供了良好的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生在實(shí)踐中掌握創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本方法，提高學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

(二)增加選修實(shí)驗(yàn)，開放實(shí)驗(yàn)室

在機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中有8學(xué)時(shí)的基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。除此之外，我們改變傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方法，增加選修實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，開放實(shí)驗(yàn)室，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。學(xué)生可以自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、自己進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法及過程、對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，這樣增加了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。[2]

(三)課程設(shè)計(jì)改革

課程設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)課程的最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，也是機(jī)械類學(xué)生接觸到的第一個(gè)設(shè)計(jì)課題，鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)意識(shí)和設(shè)計(jì)能力、理解課堂所學(xué)知識(shí)等具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)一般是以簡(jiǎn)單傳動(dòng)裝置(減速器)為設(shè)計(jì)對(duì)象，并在設(shè)計(jì)題目中給出明確的、經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)方案。為了充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，改變學(xué)生照葫蘆畫瓢的做法，我們只對(duì)學(xué)生提出一些基本的功能要求，要求學(xué)生從方案開始進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將整個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)劃分為5個(gè)階段(方案設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、裝配圖繪制、設(shè)計(jì)圖繪制及說明書編寫)，在每個(gè)階段都組織學(xué)生進(jìn)行討論，論證通過后才可以進(jìn)入下一個(gè)階段。這樣不僅加深了學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)和設(shè)計(jì)過程的認(rèn)識(shí)，而且可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，讓學(xué)生真正經(jīng)歷設(shè)計(jì)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新能力。

結(jié)合山西經(jīng)濟(jì)建設(shè)特點(diǎn)，我們選擇了采煤設(shè)備為課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。為提高學(xué)生的動(dòng)手能力，專門購(gòu)置了多套各種類型的減速器與軸系綜合組裝實(shí)驗(yàn)臺(tái)，讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，在一定程度上驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)思想，使圖紙方案和實(shí)際產(chǎn)品結(jié)合起來。

在課程設(shè)計(jì)教學(xué)中，加強(qiáng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用。學(xué)院開設(shè)了UG及有限元選修課，我們鼓勵(lì)并指導(dǎo)學(xué)生使用三維CAD進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用CAE進(jìn)行模擬仿真，讓學(xué)生對(duì)自己的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，并在驗(yàn)證、修改、完善的過程中熟悉現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具的使用。

在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，我們還推廣了機(jī)械設(shè)計(jì)教研室獲得省級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)的“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)規(guī)范化設(shè)計(jì)”成果，對(duì)教學(xué)、指導(dǎo)、設(shè)計(jì)、評(píng)審、答辯等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了規(guī)范化，保證了設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量。

三、課外創(chuàng)新訓(xùn)練

課外創(chuàng)新訓(xùn)練對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際解決工程實(shí)際問題的能力，對(duì)于造就大批適應(yīng)社會(huì)需求的高級(jí)技術(shù)人才，具有深遠(yuǎn)意義。

機(jī)械設(shè)計(jì)教研室鼓勵(lì)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，在學(xué)習(xí)機(jī)械原理階段多次組織學(xué)生觀看以往創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的作品，讓學(xué)生搜集資料、進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的自學(xué)。待方案確定后，就鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用三維軟件進(jìn)行模擬仿真和有限元分析，利用慧魚模型和機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模型搭接，在此基礎(chǔ)上，聯(lián)系工廠進(jìn)行實(shí)物加工。機(jī)械設(shè)計(jì)教研室還多次帶學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生“慧魚組”機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽和“全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”，并取得了可喜的成績(jī)。

四、結(jié)束語

機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際分析問題和解決問題的能力，具有深遠(yuǎn)意義。本文從課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和課外創(chuàng)新訓(xùn)練等方面對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的教學(xué)改革和學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)進(jìn)行了初步的研究，并在機(jī)械設(shè)計(jì)精品課程的建設(shè)和教學(xué)改革中進(jìn)行了有益的嘗試，取得了良好的效果。目前我們進(jìn)行的機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)研究與學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)尚處于探索階段，有待于進(jìn)一步改革和完善。

參考文獻(xiàn)：

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