“機械設(shè)計”課程教學(xué)方法改革初探

摘要：“機械設(shè)計”是機械類專業(yè)本科學(xué)生的一門主干課程，其教學(xué)效果對學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量具有十分重要的作用，積極推進該課程的教學(xué)改革、不斷提高教學(xué)質(zhì)量仍是各工科院校面臨的現(xiàn)實問題。首先對當(dāng)前“機械設(shè)計”課程教學(xué)的現(xiàn)狀進行了深入分析，然后針對存在的問題，探索了有效提高該課程教學(xué)質(zhì)量的具體措施。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；課程教學(xué)；工科院校

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0050-02

“機械設(shè)計”作為機械類本科學(xué)生一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在機械類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)體系中占有十分重要的地位。該課程既是“機械制圖”“材料力學(xué)”“理論力學(xué)”“機械原理”等先導(dǎo)基礎(chǔ)課程的具體應(yīng)用，也是后續(xù)各種專業(yè)課的基礎(chǔ)，在整個培養(yǎng)體系中起到承上啟下的橋梁作用。[1]該課程的教學(xué)效果不僅影響學(xué)生相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)質(zhì)量，也對學(xué)生應(yīng)用及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有至關(guān)重要的作用。

一、“機械設(shè)計”教學(xué)現(xiàn)狀分析

“機械設(shè)計”作為機械類專業(yè)學(xué)生的一門核心課程，自建國初期就在國內(nèi)各工科院校機械類專業(yè)普遍開設(shè)，至今已有60余年的歷史。雖然經(jīng)過了漫長的時代變遷和教育體系的不斷改革，但“機械設(shè)計”課程在機械類專業(yè)本科教育體系中的地位沒有絲毫改變，且在一定程度上還得到了強化。不僅在課程內(nèi)容的廣度與深度上有了較大的拓展，而且在教學(xué)模式上也進行了較大的變革。但總體而言，“機械設(shè)計”課程的教學(xué)水平仍與當(dāng)前人才培養(yǎng)目標(biāo)的總體要求存在較大差距。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.教材內(nèi)容陳舊，不符合時代要求

現(xiàn)行的《機械設(shè)計》教材的基本框架與數(shù)十年前其前身“機械設(shè)計”課程基本一致，在內(nèi)容上雖然局部有所增減，但主體內(nèi)容并無較大變化，基本仍是以介紹各種通用零部件的設(shè)計計算為主，所采用的方法仍以傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計與簡化計算為主。[2]然而隨著現(xiàn)代科技的不斷進步，各種先進設(shè)計技術(shù)如有限元技術(shù)、可靠性設(shè)計技術(shù)、數(shù)字仿真技術(shù)等均已廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計領(lǐng)域，這些技術(shù)在如今的絕大多數(shù)機械設(shè)計教材中都沒有提及，個別教材雖有所介紹，但純屬介紹性質(zhì)一筆帶過，沒有具體闡述。相反，一些在實際應(yīng)用中已被淘汰的陳舊技術(shù)與方法仍被廣泛采用，從而造成了理論學(xué)習(xí)與實際應(yīng)用的脫節(jié)。

2.教學(xué)內(nèi)容過度松散，關(guān)聯(lián)性不足

任何一種機器都是由各種零件組合而成的，機器的性能雖與單個零件的工作性能有一定關(guān)系，但其總體性能與工作壽命并不是由單個零件決定的，而取決于整個裝配體的綜合性能。因此，機械設(shè)計不僅要關(guān)注各種零件的設(shè)計方法，更要關(guān)注各種零件之間的關(guān)聯(lián)與協(xié)調(diào)，應(yīng)以機器的總體性能作為考查設(shè)計方案的主要指標(biāo)?，F(xiàn)有的“機械設(shè)計”教學(xué)中，除軸的設(shè)計中考慮了其他零件因素外，其余零件的設(shè)計均基于自身的結(jié)構(gòu)特點與工作性能，沒有將零件之間的關(guān)聯(lián)性納入設(shè)計考慮范疇，導(dǎo)致零件設(shè)計與機器設(shè)計關(guān)聯(lián)度不夠，在實際應(yīng)用時，難以達到機器總體性能與零件性能的最佳匹配。

3.教學(xué)方法落后，教學(xué)效果不理想

目前各高?！皺C械設(shè)計”課程教學(xué)基本仍以傳統(tǒng)的灌輸式的授課方法為主。由于課程內(nèi)容多，教師基本上是滿堂灌，而學(xué)生被動聽，很少有機會進行互動。[3]由于課程涉及的內(nèi)容十分廣泛，涉及到通用機械的絕大多數(shù)零件，對每一類零件又涵蓋了從基本概念介紹、工作性能分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計計算等各方面的內(nèi)容，如果不能做到提綱挈領(lǐng)，主次分明，會給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來困惑，讓他們感覺不著邊際、沒有重點。對于學(xué)生而言，課堂上絕大多數(shù)時間要聽課和記筆記，課后時間則忙于完成作業(yè)，很少有機會對所學(xué)內(nèi)容進行深入理解與體會，一旦遇到實際設(shè)計問題，則往往感覺茫然無措、無從下手。

4.知識傳授與能力培養(yǎng)脫節(jié)

現(xiàn)有的《機械設(shè)計》教材與授課內(nèi)容的重點放在相關(guān)理論和方法的介紹方面，對應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)普遍重視不足。[4]“機械設(shè)計”課程的主要任務(wù)是介紹通用機械零件的一般設(shè)計思路與方法，并用于生產(chǎn)實際。因此，該課程不應(yīng)只是簡單地介紹各種零件的一般設(shè)計流程，還應(yīng)結(jié)合具體案例介紹同類零件的設(shè)計要點，對實際設(shè)計過程中的難點及技巧問題進行重點介紹。絕大多數(shù)教師在授課與安排課后作業(yè)時比較注重基本概念的掌握，但對學(xué)生在設(shè)計思路與設(shè)計技巧方面的訓(xùn)練較少，導(dǎo)致學(xué)生實際應(yīng)用能力不足。[5]

二、有效提高“機械設(shè)計”課程教學(xué)質(zhì)量的措施

要有效解決目前“機械設(shè)計”課程教學(xué)中的各種問題，須從教材建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革等多個方面進行綜合考慮，研究一套系統(tǒng)完善、行之有效的課程教學(xué)體系。具體而言，應(yīng)從以下幾個方面著手：

1.強化教材與教學(xué)體系建設(shè)

教材是教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)的主要工具，對課程教學(xué)質(zhì)量具有決定性作用。作為一門機械學(xué)科的經(jīng)典課程，經(jīng)過近六十年的發(fā)展，在教材體系結(jié)構(gòu)和內(nèi)容方面一直在不斷地調(diào)整和完善，由西北工業(yè)大學(xué)主編、高等教育出版社出版的《機械設(shè)計》教材屬于比較經(jīng)典的版本，目前已更新到第九版。由邱懷宣主編、同屬高等教育出版社的教材已更新到第四版。其他還有許多版本的教材，這些教材各有特色，但在體系結(jié)構(gòu)與內(nèi)容上均大同小異，也都存在技術(shù)內(nèi)容更新不及時、關(guān)聯(lián)性不足等問題。為了適應(yīng)時代發(fā)展對教學(xué)內(nèi)容的要求，應(yīng)加大力度進行教材建設(shè)與教學(xué)內(nèi)容改革。應(yīng)跳出傳統(tǒng)機械設(shè)計教學(xué)體系的束縛，根據(jù)現(xiàn)實技術(shù)與培養(yǎng)目標(biāo)要求重新組織教材的體系結(jié)構(gòu)，剔除已經(jīng)過時的技術(shù)與方法，將各種已經(jīng)成熟并廣泛應(yīng)用的最新設(shè)計理念與方法納入機械設(shè)計教學(xué)范疇。從機械設(shè)計的總體目標(biāo)出發(fā)，即對各種零件的設(shè)計思路與方法進行詳細介紹，同時對設(shè)計中如何處理不同零件之間的協(xié)調(diào)與配合問題進行討論，從而增加教材在內(nèi)容上的關(guān)聯(lián)性，避免相互割裂。

2.深化教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的改革

現(xiàn)行“機械設(shè)計”課程中各種零件的設(shè)計方法仍沿用幾十年前的傳統(tǒng)設(shè)計方法，受當(dāng)時技術(shù)條件的限制，為了便于和簡化計算，零件設(shè)計多以經(jīng)驗法為主。這些方法在原理上并不完善，比如，斜齒圓柱齒輪與直齒錐齒輪的設(shè)計計算是利用直齒圓柱齒輪的相關(guān)理論來實現(xiàn)的，然而斜齒輪與錐齒輪的幾何結(jié)構(gòu)、受載特性和嚙合機理與直齒輪有本質(zhì)上的差別，因此，采用這種轉(zhuǎn)化方法設(shè)計出的結(jié)果與實際情況有很大的偏差。不僅如此，直齒圓柱齒輪的設(shè)計計算也不是按實際應(yīng)用情況進行的，其實際齒形漸開線齒廓，但設(shè)計時按柱體懸臂梁進行計算，且設(shè)計過程中使用了大量的經(jīng)驗參數(shù)，因此設(shè)計結(jié)果也只是經(jīng)驗值。為了保證零件的可靠性，只能通過增加安全系數(shù)來保證，從而導(dǎo)致設(shè)計出的零件尺寸偏大，不僅經(jīng)濟性不好，且對整機性能產(chǎn)生重要影響。隨著CAD、CAE等現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各種復(fù)雜零件的精確設(shè)計與仿真分析可以很容易地實現(xiàn)，采用PROE、ANSYS等應(yīng)用軟件可以精確完成各種齒輪、帶傳動、鏈傳動、彈簧等復(fù)雜零件的精確造型、運動學(xué)分析、動力學(xué)分析等各種仿真分析，可以對這些零件進行精確設(shè)計。這些先進的技術(shù)目前均已在機械制造工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但目前國內(nèi)的“機械設(shè)計”課程教學(xué)基本很少涉及。因此，需配合教材建設(shè)對現(xiàn)行的教學(xué)內(nèi)容進行改革，強化各種現(xiàn)代設(shè)計方法的教授與應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上進行教學(xué)方法的改革。拋棄傳統(tǒng)的教師灌輸式教學(xué)、學(xué)生被動學(xué)習(xí)，上課記筆記、課后趕作業(yè)的教學(xué)模式，充分利用多媒體技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)強化教師與學(xué)生的互動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)熱情，把部分流程式的課后作業(yè)轉(zhuǎn)換為能培養(yǎng)創(chuàng)新思維與動手能力的應(yīng)用設(shè)計，強化學(xué)生使用各種現(xiàn)代設(shè)計工具的能力。

3.發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的作用

虛擬仿真技術(shù)由于具有逼真模擬現(xiàn)實事物與環(huán)境、可進行交互操作等優(yōu)點，已在全世界各個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。在機械領(lǐng)域，仿真分析已成為機械設(shè)計的一個重要手段，它不僅可以直觀呈現(xiàn)各種機械零件的實體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)各種機構(gòu)的運動仿真與干涉檢查，還可以對各種機器及組成機器的各個零件進行靜、動力學(xué)仿真分析，從而有效縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量與效率。因此，在“機械設(shè)計”教學(xué)中必須充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的作用，一方面利用仿真技術(shù)在課堂上把各種零件的結(jié)構(gòu)及運動學(xué)及動力學(xué)特性直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，加速學(xué)生對相關(guān)知識的理解、消化與吸收；另一方面利用虛擬仿真技術(shù)建立網(wǎng)上虛擬實驗室，完成各種因條件限制而無法開設(shè)的實驗，有效彌補目前“機械設(shè)計”課程教學(xué)中實驗設(shè)備欠缺、實驗種類偏少的不足；此外，鼓勵學(xué)生參與機械設(shè)計教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的虛擬設(shè)計，建立資源庫，不僅可以豐富教學(xué)素材，也可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與應(yīng)用能力。

4.課程設(shè)計與課堂教學(xué)相融合

傳統(tǒng)的“機械設(shè)計”課程教學(xué)分為理論教學(xué)與實踐教學(xué)兩部分，理論教學(xué)通過課堂授課完成，實踐教學(xué)則在課程結(jié)束后通過課程設(shè)計來完成。由于課堂教學(xué)與課程設(shè)計相分離，因此在理論學(xué)習(xí)階段，主要強調(diào)基礎(chǔ)知識和基本概念的掌握，對應(yīng)用缺乏認識，由于各種機械零件在結(jié)構(gòu)、功能和設(shè)計方法方面具有相對獨立性，因此所學(xué)知識往往是零碎、孤立的，沒有很好的融合，在課程設(shè)計階段難以有效地進行綜合應(yīng)用。課程設(shè)計通常為3～4周，一般安排在學(xué)期末，學(xué)生為了應(yīng)對期末考試，難以專心完成課程設(shè)計，真正投入課程設(shè)計的時間并不多。許多同學(xué)在完成課程設(shè)計時基本是機械地照搬課程設(shè)計指導(dǎo)書的步驟與方法，缺乏對設(shè)計課程的深入思考與設(shè)計方案的精心設(shè)計，沒有充分發(fā)揮課程設(shè)計應(yīng)有的功能。為了有效解決該問題，應(yīng)將課程設(shè)計與課堂教學(xué)進行融合。課堂教學(xué)一開始，就將設(shè)計題目下達到學(xué)生，讓學(xué)生對設(shè)計對象與目標(biāo)有明確的了解。在課堂教學(xué)過程中，在涉及到課程設(shè)計的每一部分內(nèi)容時，教師進行適當(dāng)介紹，讓學(xué)生提前思考，待全部課堂教授完成時，學(xué)生已對設(shè)計內(nèi)容有了全面認識，甚至有了明確的思路與方案，在后面的課程設(shè)計階段即可做到有的放矢，少走彎路。不僅可以有效提高課程設(shè)計的效率，也會大大提高課程設(shè)計的質(zhì)量與效果。

三、結(jié)論

“機械設(shè)計”課程教學(xué)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到教師與學(xué)生、課程教材與實驗設(shè)備、課堂教授與課后作業(yè)、理論學(xué)習(xí)與實踐訓(xùn)練等多方面的內(nèi)容。要有效提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，必須不斷深化課程教學(xué)改革，強化教材與教學(xué)方法改革，改進課程設(shè)計及實驗教學(xué)模式，建立一套符合社會需求與時代發(fā)展的課程教學(xué)體系。

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（責(zé)任編輯：孫晴）