突出能力培養(yǎng)的“機械設計”課程教學改革與實踐

黃秀琴，陳志偉，劉天軍

(常州工學院機電工程學院，江蘇 常州 213002)

“機械設計”課程是機械類專業(yè)的一門主干專業(yè)基礎課，該課程具有較強的實踐性，工程特點突出，是學生從理論基礎學習向工程實際過渡的橋梁，對學生設計能力的培養(yǎng)特別是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著至關重要的作用。學生在該課程的學習過程中形成的工程意識、系統(tǒng)觀念以及圖表、手冊和規(guī)范的使用及CAD軟件等技術資料和實用軟件的應用，決定了學生的創(chuàng)新能力及工程實踐能力。

1 突出能力培養(yǎng)的改革思路和課程體系的建立

“機械設計”課程的改革思路是突出機械設計的共性規(guī)律和基本方法，注重對已修課程綜合與應用，強調多方案設計和再設計的思想，以創(chuàng)新設計與綜合設計能力的培養(yǎng)為目標，用CAD技術充實教學內容和改革教學手段，培養(yǎng)學生扎實的工程基礎。

“機械設計”課程體系的建立如圖1所示。該課程體系包含“機械設計”課程理論教學、課程設計環(huán)節(jié)、實驗教學和技能訓練。近年來，在課程教學過程中一直堅持教學方法與教學手段的改革，用新的設計理論和方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的設計理念，摒棄以教師為主體的傳統(tǒng)教育觀念，樹立以學生為主體、激發(fā)和培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的新型教育觀念，確立以機械系統(tǒng)設計為主線，方案創(chuàng)新設計為重點的課程體系。課堂教學堅持啟發(fā)式教學，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的思維方式和方法。課堂教學內容以少、精、寬、新為原則，課堂講授著重講重點和難點、講思路、講方法、講學科發(fā)展、講工程實際應用，注意強化基礎，拓寬知識面，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造性解決工程實際問題的能力［1-4］。

圖1 機械設計課程教學體系

課程設計強調以計算機作為主要工具，要求多種設計方案的對比分析，每個學生一組數據，訓練學生圖表、手冊、規(guī)范的使用熟練程度，突出培養(yǎng)學生的設計能力。并且不規(guī)定具體題目，要求學生自主進行構思設計，運用計算機進行結構設計，培養(yǎng)學生選型設計、類比設計、改進設計的能力。

實驗教學過程中改革傳統(tǒng)教學體系中重理論輕實踐，重考試輕過程的人才培養(yǎng)模式，重視課程實驗教學。建立以培養(yǎng)學生基本實驗技能、實踐能力、創(chuàng)新設計能力以及應用現代技術解決工程實際問題能力的新實驗教學體系。將原有認知性、驗證性基本實驗加以擴展，賦予新的內涵，形成綜合性、設計性和創(chuàng)新性實驗。同時將實驗教學由實驗室延伸至生活實際，加深學生對機械結構的認識，提高學生設計機械結構的能力，激發(fā)學生的學習興趣和熱情。

技能訓練主要包括各種機械小制作，如在三維軟件中完成零件的建模、裝配、虛擬仿真。積極鼓勵和引導學生參加各級各類的機械創(chuàng)新設計大賽。撰寫小論文，要求小論文必須符合出版規(guī)范要求，以此來訓練和提高學生查閱文獻資料和撰寫學術論文的能力，為畢業(yè)設計論文的開展打下良好的基礎。

2 深化現代內涵，培養(yǎng)學生的工程觀念和創(chuàng)新意識

傳統(tǒng)的課程教學遵循的基本步驟是:零件的工作情況分析→受力分析→應力特性分析→零件的失效形式→建立設計準則→得出設計公式或校核公式→零件的結構參數，即常規(guī)機械設計方法是依據力學和數學建立的理論公式和經驗公式為先導，以實踐經驗為基礎，運用圖表和手冊等技術資料，進行設計計算、繪圖和編寫設計說明書。傳統(tǒng)的設計方法在長期運用中得到不斷的完善和提高，目前在大多數情況下仍然是有效的設計方法。但傳統(tǒng)的機械設計方法具有一定的局限性:①方案設計時憑借設計者有限的直接經驗或間接經驗，通過計算、類比分析等，以收斂思維方式，過早地確定方案，這種方案設計既不充分又不系統(tǒng)，且不強調創(chuàng)新，因此很難得到最優(yōu)方案;②零部件設計中，僅對重要的零部件根據簡化的力學模型或經驗公式進行靜態(tài)的或近似的設計計算，其他零部件只作類比設計，與實際工況有時相差較遠，難免造成失誤;③傳統(tǒng)設計采用手工計算、繪圖，設計的準確性差、工作周期長、效率低。

隨著計算機技術的發(fā)展及現代新型設計方法的不斷涌現，“機械設計”的教學內涵也隨之不斷變化，因此有必要在教學過程中融入新的設計理念和現代設計方法，如，反求工程、可靠性設計、優(yōu)化設計、有限元分析等已經成為必然趨勢。結合“機械設計”課程教學內容，通過將工程編程軟件(Matlab)、二維工程制圖設計軟件Autocad、三維建模設計軟件SolidWorks、運動學和動力學分析軟件Adams等現代工程軟件融入到傳統(tǒng)的“機械設計”課程中，使工程計算、計算機繪圖、三維零件模型的建立和結構分析仿真等手段和方法充實到“機械設計”教學過程中，讓學生能深入、形象地了解機械零部件的結構、零部件之間配合是否合理，另一方面學生深切體會到各種工程軟件的強大功能以及在機械設計中的應用，借助于工程軟件可以可視化所設計產品的工作原理，利用有限元分析判斷機械內部的受力情況，以確定所設計零件或機械的可靠性，還可進一步模擬加工仿真，完成產品設計與制造等等，逐步形成系統(tǒng)和工程意識，使學生從習慣于理論學習轉向實用工程知識的學習、實踐能力的培養(yǎng)，在學習過程中不斷積累工程觀念和創(chuàng)新意識。圖2為學生做的分析題，齒輪軸在只受扭矩作用下的應力分析和同時受扭矩及齒輪齒頂集中載荷作用下的應力分析圖，這樣使學生由感性認識到理性認識再到應用。

圖2 齒輪軸的應力分析

3 采用啟發(fā)式案例教學法，激發(fā)學生創(chuàng)造力，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力

“機械設計”課程具有內容多、概念多、符號多、公式多的特點，其經驗數據、圖表、參數等工程元素尤為突出。學生在學習過程中普遍感到“機械設計”課程內容繁雜、零碎、枯燥，基本概念、基本理論難以消化，缺乏系統(tǒng)性。由于“機械設計”課程的授課對象已經具有一定的專業(yè)基礎，改變教師“一言堂”模式，堅持啟發(fā)式案例教學是完全可行的。課堂上對一些較難掌握的知識點進行討論，鼓勵學生分析、質疑，發(fā)現問題和解決問題，努力從習慣于基礎理論知識學習向工程應用的轉變，突出能力培養(yǎng)。如，在講機械零件的“過度磨損”問題時，可以設置如圖3所示內燃機中的活塞和缸體(曲柄與滑塊)之間磨損的問題，由于磨損內燃機驅動能力下降，讓學生討論如何解決該問題。學生有的說換活塞，有的說換缸套，有的說兩者一起換。之后由教師點評討論結果，并且還可以拓展到是否兩者都不換來解決該問題，加個襯套如何，襯套的材料如何選，精度要求如何保證等等。

圖3 內燃機(曲柄滑塊機構)

通過案例啟發(fā)式教學，鼓勵學生關注身邊的工程問題，以此來豐富工程實踐知識，形成良好的工程意識和工程觀念，激發(fā)學生學習工程知識的熱情，開闊思路，不拘一格，勇于發(fā)表自己的見解，提高分析問題和解決問題的能力。圖4是一對齒輪嚙合傳動，由于軸的剛度不足導致一對齒輪的嚙合由原來的線接觸變成了點接觸，接觸應力加大，最后齒輪失效，針對齒輪失效的原因讓學生進行分析。學生以小組為單位分別對此問題進行討論，通過討論后得出分析結果，并向教師匯報，之后教師對學生的討論結果進行點評，并給出齒輪失效的原因。

圖4 齒輪的失效分析

這樣設置的問題討論涉及每一章節(jié)，每次5分鐘左右，效果相當好。教師在教學過程中巧妙安排，適時提問，闡述簡練，重點突出，思路清晰，啟發(fā)性培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。

4 加強實驗和課程設計環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，提升學生的綜合機械設計能力

“機械設計”課程致力于培養(yǎng)學生的機械設計能力，傳統(tǒng)的課堂教學、課內實驗、課程設計等教學環(huán)節(jié)遠遠不能滿足現代企業(yè)對學生設計能力的要求。在教學過程中必須促進和引導學生學會綜合應用理論知識、計算機語言、現代設計方法、工程軟件來提高綜合機械設計能力。通過課內課外相結合、理論與實踐相結合的方法，培養(yǎng)學生的綜合機械設計能力。

實驗教學在培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力上起著重要的作用，“機械設計”課程已經構建了集課堂實驗教學、虛擬實驗、開放式實驗教學于一體的具有特色的實驗教學體系，在原來的認知性、驗證性實驗基礎上，增加了研究型、設計型、綜合型、提高性和創(chuàng)新性實驗，通過課內外相結合，自主實驗和開放式實驗相結合，提高學生的實驗能力，如，機械系統(tǒng)傳動參數的測定與分析，實驗室提供各種傳動部件:帶傳動部件、鏈傳動部件、齒輪傳動部件、聯軸器和離合器部件等，加上加載裝置、工控機和變頻電機等模塊，學生可以自主創(chuàng)意設計出多種具有一定功能的傳動方案，并進行傳動部件的搭接，組裝出各種機械傳動系統(tǒng)，將系統(tǒng)通過傳感器連接到測試儀器，可以對系統(tǒng)的運動學和動力學參數進行測試，得出參數曲線，比較測試結果，選出最佳方案。這樣的實驗具有綜合型和創(chuàng)新性，學生可以完成:①機械傳動系統(tǒng)的設計與拼裝;②機械系統(tǒng)虛擬設計;③機械系統(tǒng)的集成設計;④機械系統(tǒng)效率的測試與分析;⑤機械系統(tǒng)傳動部件運動參數的測定與分析;⑥機械系統(tǒng)末端執(zhí)行構件運動參數的測試與分析。

總之，通過不同層次不同種類的實驗，可以滿足不同層次學生自主學習和提高學習的需要，努力培養(yǎng)學生的動手能力和傳感器安裝調試、控制系統(tǒng)軟件性能測試、數據分析能力以及撰寫實驗報告的能力等。

機械設計課程設計是“制圖”、“力學”、“機械設計基礎”等課程的綜合與構建。對培養(yǎng)學生的構思能力、綜合設計能力、結構及參數分析能力、創(chuàng)新能力、從事機械行業(yè)工作的適應能力及形成終身學習的習慣等方面，起著不可估量的作用。因此，機械設計課程設計作為一重要的實踐教學環(huán)節(jié)，更要突出以學生的創(chuàng)新能力和綜合設計能力培養(yǎng)為主線，重點突出設計。在課程設計中，學生運用已修的綜合知識解決實際工程問題，也是培養(yǎng)學生應用多學科基礎理論知識分析問題、解決實際問題的能力。在課程設計任務的布置中，力爭一人一方案、一數據，使每個學生都有機會發(fā)揮自己的聰明才智，避免互相抄襲。在課程設計中強調方案的總體設計和結構設計，把創(chuàng)新設計和綜合設計結合起來，難點是裝配圖中結構的表達，學生運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊對簡單機械裝置的設計計算，采用計算機繪圖，通過對Autocad的二次開發(fā)，簡化常用零部件的繪圖過程，主要放在方案結構表達上，這樣有利于提高學生計算機輔助繪圖的能力，通過教師的引導和鼓勵，不斷解決設計中遇到的問題，最后完成課程設計，教學效果非常好，而且學生也很有成就感。

5 結語

能力培養(yǎng)是一個永恒的主題，“機械設計”課程教學改革對提高學生分析問題和解決問題的能力、創(chuàng)新能力及工程實踐能力具有重要意義。本文提出了突出能力培養(yǎng)的改革思路和現代課程教學體系的構建，通過深化現代內涵，培養(yǎng)學生的工程觀念和創(chuàng)新意識，在課程教學中采用啟發(fā)式案例教學法，激發(fā)學生創(chuàng)造力，加強了實驗和課程設計環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，提升學生的綜合機械設計能力。通過機械設計教學改革與實踐，將課程的重點由知識傳授轉變到對學生工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，優(yōu)化了學生的知識結構，提高了學生的綜合素質，達到了培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力及工程實踐能力的目的。

［1］黃秀琴.“機械設計”課程教學改革的研究與實踐［J］.常州工學院學報，2006，19(3)，79-81.

［2］諸小鵬.《機械設計》課程教學改革與學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)［J］.南京農專學報，2001，9(3)，89-90.

［3］胡宏佳，王世剛.機械原理與機械設計實驗教學改革的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2010，29(7):233-234.

［4］徐錦康.機械設計［M］.北京:高等教育出版社，2012.