數字化機械創(chuàng)新設計能力培養(yǎng)的教學設計與實踐

摘要：隨著數字化設計技術的發(fā)展和應用，對機械類工程技術人員的機械設計能力提出了更高的要求。面向數字化設計的機械創(chuàng)新設計能力培養(yǎng)教學的改革，已變得勢在必行。根據機械設計能力培養(yǎng)和數字化設計的特點，需要在課程內容設計、教學方法、教學手段和教學模式等諸多方面，進行設計和改革。對此，進行了初步的研究和實踐。

關鍵詞：數字化設計 機械設計 教學設計 實踐

機械設計能力是機械類專業(yè)大學生的一項非常重要的專業(yè)基礎課，教學內容主要由理論教學和相關課程設計兩部分組成。它在整個培養(yǎng)計劃中起著承上啟下的橋梁作用。傳統(tǒng)的教學內容體系只注重對學生傳統(tǒng)設計理論的培養(yǎng)，設計實踐還停留在二維繪圖階段，忽略學生三維數字化設計思想和能力的培養(yǎng)。以三維數字化設計技術為代表的數字化設計作為現代設計的一種核心技術，在機械設計的應用中，不僅為機械工程師提供了一種方便高效的繪圖工具，更重要的是機械設計的設計程序、思維方式、交流與協作方式及機械工程師的角色等，都將會因為數字化設計的出現而發(fā)生重大的變化。所以，對面向數字化設計對機械設計課程體系和教學方法進行改革，使機械類專業(yè)的學生能夠迅速適應數字化設計的要求，更加貼近企業(yè)對應用型機械設計專業(yè)人才的需求。

一、數字化機械創(chuàng)新設計能力培養(yǎng)教學改革的作用

1.適應社會和就業(yè)的需要

從對上海的企業(yè)調研和畢業(yè)生反饋的信息看，當前大部分機械制造業(yè)的企業(yè)基本上實現了三維數字化設計和制造，其中國內大中型企業(yè)和研究院已全部實現三維設計，機械工程技術人員普遍采用三維數字化設計技術來完成工程設計已成為一種必然趨勢。因此，轉變教學觀念，注重知識及應用的與時俱進，已成為培養(yǎng)機械行業(yè)人才要求。把數字化設計引入到機械設計能力培養(yǎng)當中，使學生掌握更現代的設計方法，為學生專業(yè)課程的學習和就業(yè)打下堅實的基礎。

2.促進機械設計能力的提高

在我校學生在大學一年級主要學習《機械制圖》和《計算機繪圖》等課程，重在培養(yǎng)學生的二維繪圖和識圖能力；而在高年級的專業(yè)課程中，直接講授三維數字化設計軟件的工程應用，難度大、效果差。在大二期間，將數字化設計結合《機械設計》《現代機械設計》課程教學，不但可以為學生后面專業(yè)課程的學習打基礎，降低專業(yè)課程的學習難度，而且能對機械設計能力的提升起到促進作用。數字化設計改變了傳統(tǒng)課程設計作圖多、任務重的缺點，設計結果具有較強的直觀性，容易引起學生的興趣。

3.利于學生工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

隨著各高校對卓越工程師培養(yǎng)計劃的重視，培養(yǎng)學生的工程實踐和創(chuàng)新能力，已經成為高等學校一項非常重要的教學改革內容。機械創(chuàng)新設計作為一項“卓越計劃”培養(yǎng)機械類專業(yè)學生工程實踐和創(chuàng)新能力的重要一環(huán)，必須更新教育理念、探索新的課程教學模式、加強課程內容與社會實踐的聯系、積極探索以素質教育和能力培養(yǎng)為特征的新型課程模式。將數字化設計引入到機械創(chuàng)新設計培養(yǎng)當中，對學生工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)可以起到積極的推動作用，因為數字化設計優(yōu)勢十分有利于學生空間想象能力、設計能力和自主學習能力的培養(yǎng)，學生可以借助數字化設計軟件把自己的工程設計想法通過三維實體設計表達出來，激發(fā)學生不斷探索、實踐和創(chuàng)新的欲望，進而促進其工程實踐和創(chuàng)新能力的提高。

二、機械創(chuàng)新設計能力培養(yǎng)教學改革的思路

數字化設計應當是根據數字化設計本身的特點及其在機械創(chuàng)新設計的應用特點來進行，不能簡單地增加設計軟件使用操作教學內容，或在原來的課程體系中再增加幾章獨立的、自成體系的數字化設計教學內容。而應結合數字化設計和機械設計能力培養(yǎng)的特點，對整個課程內容體系進行必要的改革。

（1）以工程素質教育和實際能力培養(yǎng)為目標，構建數字化機械設計課程內容體系。主要包含數字化設計基礎，數字化設計理念、流程及特點，數字化設計工具簡介，數字化設計實務訓練等類型的課程內容。同時探尋建立數字化設計與傳統(tǒng)設計教學內容之間，以及與其它數字化設計課程之間有機的聯系。

（2）機械設計中傳統(tǒng)設計教學內容應做相應的改革，使數字化設計的思想和方法真正融合到機械設計的教學與實踐當中，最理想的方式是能夠讓學生在課程的學習中熟悉和掌握數字化設計工具，這樣機械設計能力的培養(yǎng)的才能夠適應數字化時代的要求。

三、機械創(chuàng)新設計能力培養(yǎng)的教學設計

1.課程教學內容改革

在授課時，應淡化對理論公式的推導，加強對工程應用的講解，如齒輪的強度計算，螺紋連接強度計算等；對一些非重點章節(jié)，如鏈傳動、進行引導性的講解；對難度相對簡單的章節(jié)，如聯軸器、離合器與制動器、彈簧等，可以采用教師簡單概述，讓學生課下與結合思考題自學方式。這樣可將機械原理機械設計理論教學壓縮到96學時左右，留出大約20學時對數字化設計進行講授。在數字化設計教學當中，不追求難度和深度，以使學生能夠完成課程設計為目標，注重學生學習能力的培養(yǎng)，如教授學生如何利用軟件自帶的幫助文件和用戶手冊，獨立進行軟件功能的自主學習。在課程的安排上，采用每兩周2學時的上機課堂教學模式，讓學生模仿課堂的例子，并安排一定量的課外習題。這樣使學生長期不斷地學習，便于學生提高實際設計能力。

2.課程設計環(huán)節(jié)的數字化設計應用

對于機械設計能力培養(yǎng)中重要實踐環(huán)節(jié)——課程設計，將三維數字化設計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維作圖是改革的一個重點。目前，我校課程設計題目一般采用通用機械傳動裝置設計，以齒輪減速器設計為主。學生在兩周的設計時間內完成設計任務的設計方案的分析和計算、零件設計裝配圖和零件圖的繪制、設計說明書的編寫等任務。在設計過程中需要學生查閱大量的資料，進行反復設計。由于課程設計時間較緊，大部分同學在進行零件強度設計后，直接進行零件圖和裝配圖手工繪制，往往忽略設計的整體性，草草地畫完所有圖紙，直接影響教學效果。將數字化設計引入到課程設計后，學生可以應用設計軟件參數化功能，對原零件圖和裝配圖進行特征修改，使零件結構的變化直接在三維視圖中展現。然后，利用三維轉二維圖紙的功能生成工程圖，并進行必要的視圖表達修改和標注。這樣就大大節(jié)省傳統(tǒng)二維作圖的時間，使學生有更多的時間去考慮“設計”，從而可以提高課程設計質量。

3.機械創(chuàng)新設計研討課的開設

機械創(chuàng)新設計能力包含應具有良好的學習能力和創(chuàng)新理念、敏銳的創(chuàng)新思維、基本的創(chuàng)新技能和優(yōu)秀的創(chuàng)新人格。研討課有效地探索了研究型、合作式、自助性的課堂教學模式，體現了“學思結合、因材施教、分類培養(yǎng)”的教育思想，促進了在教育思想觀念方面的深刻變革。目前，我校已開設“產品開發(fā)與現代設計”研討課，和機械設計類課程中創(chuàng)新設計研討課，教學效果顯著。

4.問題驅動啟動式教學方法

針對機械設計和數字化設計實踐性均較強的特點，強化理論課和實踐課案例教學，注重問題啟發(fā)教學內容的精選和問題的設計，著重講清工程設計案例問題是什么、工程設計案例問題的背景是什么、工程設計案例問題的性質是什么、工程設計案例問題的解決方法是什么等內容。使所學的知識更加具體，并給學生留有一定的思維空間，活躍學生的創(chuàng)新思想。

四、數字化機械創(chuàng)新設計能力培養(yǎng)教學實踐的注意事項

1.不斷加強數字化設計基礎課程的教學

數字化設計基礎課主要是根據機械類專業(yè)的實際情況，為學生講授有關數字化設計的軟件、圖形圖像理論、設計與造型方法，設計特點等共性的知識，使學生形成一個清晰的數字化設計框架，能夠在大腦中實現數字化模型的構造。

2.強化“設計”理念

機械設計的最終目的是要實現產品化，其設計應當是為產品及其生產而設計。在課程教學改革時，需要不斷強調的就是設計。機械類專業(yè)數字化設計的核心是設計，而不是繪圖。教改應該始終按機械設計基本能力教學為主、數字化設計學習為輔的教學思路進行，使學生掌握基本的數字化設計方法，并能獨立進行簡單數字化設計。對于機械類專業(yè)學生而言，最需要的是在數字化設計工具的幫助下，獲得對整個產品從概念設計、結構設計、生產加工到市場推廣的全面控制能力。這種設計能力的培養(yǎng)就能夠與CAD、CAE、CAM乃至虛擬設計與虛擬制造系統(tǒng)相銜接。所以，在機械設計課程中強化設計的理念，要讓學生清楚地認識到數字化機械設計不僅可以用計算機技術來繪制各種各樣的裝配＼＼零件設計圖，尤為重要的是它可以輔助進行動力學和運動學仿真、有限元分析、裝配檢查等功能分析；可以有效地將機械設計各個設計過程有機地結合起來，使各個階段的設計成果為其后的設計制造過程直接使用，從而大大提高了設計效率和質量。

3.在教學實踐中，由于數字化機械設計相對降低了機械設計的理論難度，學生對相關數字化設計軟件學習興趣將會大幅提高，甚至有些同學會主動“開快車”，在數字化設計軟件學習上花掉太多精力，忽略了對機械設計理論知識學習。所以，任課教師要積極引導學生正確對待數字化設計軟件和機械設計理論學習之間的關系，做好協調工作。

4.隨著數字化設計教學質量的不斷提高，教師還可以適當擴展講解運動仿真和CAE的相關知識，使學生對機械設計技術的發(fā)展有進一步的認識，提高學生的學習熱情。

五、結語

機械數字化設計能力培養(yǎng)教學的設計和改革，需要在教學理念、課程內容、教材建設、師資培養(yǎng)、教學方法，硬件與軟件環(huán)境建設等諸多方面的協調配合，需要充分調動和協調學校資源，才可能取得更佳的效果。同時，也需要我們在教學實踐中堅持不懈地研究和實踐，不斷積累，不斷研究，不斷創(chuàng)新。

參考文獻：

[1]劉天軍.大學生機械設計創(chuàng)新能力培養(yǎng)途徑.常州工學院學報，2011，24（01）：68-71.

[2]史麗娟，朱學軍.機械工程類大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的構建與實踐.考試周刊，2009，（35）：196-198.

[3]黃小龍.大學生機械創(chuàng)新設計能力培養(yǎng)的探索.中國電力教育，2010，（18）：18-19.

[4]王全先，張玉華.機械類專業(yè)人才三維數字化設計能力培養(yǎng)的研究.安徽工業(yè)大學學報，2007，24（03）：114-115.

[5]熊志卿.機械制造專業(yè)應用型人才培養(yǎng)方案的改革與實踐.南京工程學院學報，2007，7（03）：49-53.

[6]趙立紅，江樹勇，佟永祥，王利民.現代機械制造工程新生研討課的教學改革與實踐.中國現代教育裝備，2009，（06）：89-91.

[7]張根保，任艷君，程巖松.機械工程新生研討課教學模式探討.高等建筑教育，2010，19（03）：86-90.

項目基金：本項目系上海市高等學校專業(yè)綜合改革試點項目和上海應用技術學院教改項目資助。