機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革與實(shí)踐*

李 平，杜 力

（重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400067

機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革與實(shí)踐*

李 平，杜 力

（重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400067

分析了傳統(tǒng)機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)所存在的問題，圍繞虛擬與實(shí)際相結(jié)合的選題原則，虛實(shí)結(jié)合的設(shè)計(jì)方法以及強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的組織管理等方面，探討了機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革；實(shí)踐表明：改革后的課程設(shè)計(jì)有效激發(fā)了學(xué)生的實(shí)踐興趣，有利于加強(qiáng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)踐效果較好。

機(jī)械原理；課程設(shè)計(jì)；教學(xué)改革；實(shí)踐

1 傳統(tǒng)機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)中存在的問題

機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要分為兩個(gè)階段：第一階段為機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方案設(shè)計(jì)，要求學(xué)生通過對常用機(jī)構(gòu)的組合或創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)簡單機(jī)械系統(tǒng)的功能需求；第二階段為機(jī)構(gòu)尺度綜合，以及對機(jī)械系統(tǒng)中指定機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析和動態(tài)靜力分析。目前在機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)過程中主要存在問題：

（1）設(shè)計(jì)題目類型單一，實(shí)踐過程枯燥。設(shè)計(jì)任務(wù)主要以典型加工設(shè)備為對象，擬定機(jī)械傳動方案，對其主傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析和動態(tài)靜力分析，并在此基礎(chǔ)上通過限定執(zhí)行構(gòu)件的速度波動以確定飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，最后設(shè)計(jì)其中的齒輪機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)。這樣的設(shè)計(jì)題目單一且缺乏新穎性，與學(xué)生的實(shí)際生活脫節(jié)。設(shè)計(jì)過程的枯燥使得學(xué)生無法正確認(rèn)識課程設(shè)計(jì)的重要性，設(shè)計(jì)興趣不強(qiáng)，參與積極性不高，難以達(dá)到實(shí)踐目的。另外，由于設(shè)計(jì)題目比較成熟，與之配套的設(shè)計(jì)手冊和指導(dǎo)書等資料較多，其設(shè)計(jì)思路和模式比較程式化，因而學(xué)生不需太多思考，僅僅只是按照指導(dǎo)書的要求翻書查表，按部就班地進(jìn)行模仿設(shè)計(jì)，這樣的題目不利于學(xué)生創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

（2）設(shè)計(jì)方法陳舊，實(shí)踐重點(diǎn)偏移。目前，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動尺寸確定、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及力分析等基本知識和基本技能的訓(xùn)練中，學(xué)生主要采用圖解法或解析法。圖解法概念清晰，形象直觀，便于學(xué)生理解與分析，但設(shè)計(jì)精度差，效率低，當(dāng)學(xué)生需要分析多個(gè)瞬時(shí)的運(yùn)動情況時(shí)，需要花費(fèi)大量時(shí)間作圖，工作量大。解析法能獲得精確的計(jì)算結(jié)果，學(xué)生通過模型建立和程序設(shè)計(jì)可以分析任意點(diǎn)位置的運(yùn)動情況。解析法的求解過程要求學(xué)生具備較好的數(shù)學(xué)功底和編程設(shè)計(jì)能力，但實(shí)踐證明多數(shù)學(xué)生欠缺獨(dú)立完成編程求解的能力，他們不得不把大部分精力放在程序?qū)崿F(xiàn)上，這樣機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)就演變成了計(jì)算機(jī)語言的訓(xùn)練［1］，偏離了機(jī)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)與分析的實(shí)踐目的。同時(shí)，繁瑣的程序編寫，也會影響學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的積極性。

（3）設(shè)計(jì)時(shí)間緊張，實(shí)踐內(nèi)容縮水。學(xué)校目前將機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)整合為3周的“機(jī)械綜合課程設(shè)計(jì)Ⅰ、Ⅱ”。由于從內(nèi)容上設(shè)置為同一機(jī)械系統(tǒng)的不同階段性設(shè)計(jì)，因而從時(shí)間上兩者并沒有嚴(yán)格區(qū)分開。統(tǒng)計(jì)表明歷屆學(xué)生完成機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)所需的時(shí)間約為1－1．5周，相對而言學(xué)時(shí)緊張。為了追趕進(jìn)度，學(xué)生避重就輕甚至是掩蓋問題。比如在機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動方案設(shè)計(jì)階段，學(xué)生普遍采用仿型設(shè)計(jì)和改型設(shè)計(jì)的方法，照搬相近的設(shè)計(jì)案例，或是僅改變某些結(jié)構(gòu)和尺寸，更有甚者忽略創(chuàng)新構(gòu)思的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)直接進(jìn)入常規(guī)設(shè)計(jì)［2］，整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容體現(xiàn)不足乃至缺失，無法鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

2 機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革與實(shí)踐

教育部高等學(xué)校機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員機(jī)械原理課指組2009年制定了《關(guān)于深化機(jī)械原理課程實(shí)踐教學(xué)改革的建議》［3］，明確提出了新形勢下機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)問題。近年來，學(xué)校針對相關(guān)內(nèi)容也開展了一系列的改革，主要集中在設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)方法及組織管理等方面。

2．1 設(shè)計(jì)內(nèi)容強(qiáng)調(diào)“理實(shí)一體”，避免紙上談兵

考慮到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是對前期所學(xué)知識綜合應(yīng)用的階段性檢查，機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容應(yīng)盡量包含各種運(yùn)動形式和傳動機(jī)構(gòu)的基本技能訓(xùn)練，同時(shí)為了提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，在題目的選擇上強(qiáng)調(diào)了“理實(shí)一體”的原則。結(jié)合專業(yè)方向，突出特色，如包裝工程專業(yè)選用石蠟疊摞包裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)制方向選用沖床和插床的傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)設(shè)方向選用往復(fù)式物料運(yùn)輸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，模具方向選用造型機(jī)翻箱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等。這樣將題目與專業(yè)有機(jī)結(jié)合起來，使設(shè)計(jì)過程充滿現(xiàn)實(shí)感，可以有效激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)興趣，端正其設(shè)計(jì)態(tài)度；借鑒學(xué)科競賽主題，推動學(xué)賽融合［4］，學(xué)科競賽的特點(diǎn)在于規(guī)定競賽主題的前提下為學(xué)生提供更大的創(chuàng)作空間，更符合工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況。因而在題目選擇時(shí)，也借鑒了學(xué)科競賽中有關(guān)無碳小車、家居機(jī)械、環(huán)保機(jī)械以及康復(fù)機(jī)械等方面的設(shè)計(jì)主題，一方面能讓更多的學(xué)生了解和參與到學(xué)科競賽中，加強(qiáng)其在自主設(shè)計(jì)方面的鍛煉，激發(fā)其創(chuàng)造力，另一方面也能發(fā)掘和培育優(yōu)秀的學(xué)生和作品，為后續(xù)的學(xué)科競賽做準(zhǔn)備；貼近實(shí)際生產(chǎn)生活，倡導(dǎo)學(xué)生自主選題，鼓勵(lì)學(xué)生個(gè)人或小組結(jié)合學(xué)習(xí)和生活中遇到的問題，自主擬定課程設(shè)計(jì)題目，通過發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題這一較為系統(tǒng)的實(shí)踐過程，全面培養(yǎng)學(xué)生主動實(shí)踐能力。

2．2 圍繞機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方案設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)綜合，注重“虛實(shí)結(jié)合”的設(shè)計(jì)方法

對機(jī)械類學(xué)生而言，當(dāng)通過機(jī)械原理學(xué)習(xí)了常用機(jī)械的工作原理、組成原理和設(shè)計(jì)原理后，為滿足工程實(shí)際需要或功能需求，首先面臨的是如何構(gòu)想出一些新的機(jī)械系統(tǒng)，或是如何對熟知機(jī)構(gòu)構(gòu)造出新的集成［5］。因此，機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)應(yīng)注重機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方案設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)綜合，再輔以對主體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析和動態(tài)靜力分析。但是由于設(shè)計(jì)方法和學(xué)時(shí)等問題，現(xiàn)有課程設(shè)計(jì)過程中對運(yùn)動方案進(jìn)行優(yōu)化比較以及對運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的變參數(shù)分析存在諸多局限性［6］，因而將CAD／CAE技術(shù)引入課程設(shè)計(jì)中，通過“虛實(shí)結(jié)合”的方式提升學(xué)生運(yùn)動方案設(shè)計(jì)能力，加強(qiáng)其對機(jī)構(gòu)的分析和綜合訓(xùn)練。

如圖1所示，當(dāng)經(jīng)過初步分析擬定傳動方案后，要求學(xué)生利用UG、Pro／e等軟件對傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并借助ADAMS等仿真軟件對主體機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動或力分析，學(xué)生通過對理論分析結(jié)果和仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較，檢驗(yàn)其傳動方案的合理性。接下來學(xué)生可以利用實(shí)驗(yàn)平臺，自己動手對主體機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際搭接并測試主要運(yùn)動參數(shù)，通過分析實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)一步證明傳動方案的正確性，從而輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過這樣的實(shí)踐過程，學(xué)生可以直觀地體會設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，而CAD／CAE技術(shù)的應(yīng)用也讓學(xué)生可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤和問題，使其可以將更多地精力投入到改良設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)中去，更有利于學(xué)生設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

圖1 機(jī)構(gòu)建模、仿真與實(shí)際搭接

2．3 加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)的組織和過程管理，強(qiáng)調(diào)互助學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作

為了克服學(xué)時(shí)短、任務(wù)重的矛盾，在理論課程開始階段，就將課程設(shè)計(jì)任務(wù)書發(fā)布在課程網(wǎng)站上，使學(xué)生有充分時(shí)間熟悉設(shè)計(jì)題目，思考設(shè)計(jì)內(nèi)容。同時(shí)在授課過程中，將設(shè)計(jì)內(nèi)容與知識點(diǎn)講解結(jié)合起來，既用實(shí)例引導(dǎo)加強(qiáng)了學(xué)生對基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，又能讓學(xué)生提前開展方案的構(gòu)思。考慮到學(xué)生學(xué)習(xí)能力存在差異，在設(shè)計(jì)過程中不能一味強(qiáng)調(diào)獨(dú)立完成，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生互助學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作。要求學(xué)生以小組的形式選定設(shè)計(jì)題目，然后根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和興趣特點(diǎn)將設(shè)計(jì)內(nèi)容任務(wù)化。在設(shè)計(jì)過程中，指導(dǎo)老師把控該小組的總體任務(wù)框架，負(fù)責(zé)解決團(tuán)隊(duì)所遇到的共性問題，具體任務(wù)則由學(xué)生通過交流討論，利用合作與他人共同完成。而設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)，小組須采取答辯的形式來匯報(bào)其設(shè)計(jì)成果，老師則通過面對面的問答來檢驗(yàn)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，了解學(xué)生對課程設(shè)計(jì)中相關(guān)問題的掌握程度。最后在成績評定環(huán)節(jié)，老師根據(jù)小組的任務(wù)難度、設(shè)計(jì)結(jié)果和水平給定該團(tuán)隊(duì)成績范圍，然后各小組根據(jù)組員的工作量大小、團(tuán)隊(duì)參與程度等進(jìn)行自評，兩者相結(jié)合客觀地評定每個(gè)學(xué)生的課程設(shè)計(jì)成績。

3 結(jié) 論

機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力，獲得工程技術(shù)訓(xùn)練的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，在機(jī)械設(shè)計(jì)系列課程體系中占有十分重要的地位。為了切實(shí)提高機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的實(shí)踐質(zhì)量，近年來，學(xué)校在虛擬與實(shí)際相結(jié)合的選題原則，虛實(shí)結(jié)合的設(shè)計(jì)方法以及強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的組織管理等方面對課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列的嘗試和改革。實(shí)踐證明，改革措施的實(shí)施有效地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，使學(xué)生的動手實(shí)踐能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力得到了提高，其個(gè)人綜合素質(zhì)得到了培養(yǎng)，整體實(shí)踐效果明顯提升。

［1］黃小龍．虛擬樣機(jī)技術(shù)在“機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)”教學(xué)中的應(yīng)用［J］．中國電力教育，2013（4）：102－103，109

［2］申永勝．機(jī)械原理教程（第2版）［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005

［3］教育部高等學(xué)校機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員機(jī)械原理課指組．關(guān)于深化機(jī)械原理課程實(shí)踐教學(xué)改革的建議［EB／OL］．http：／／www．mechf．edu．cn／show．a(chǎn)sp？id＝212，2009．12．08

［4］李平，杜力，徐元．從學(xué)科競賽內(nèi)涵體系談機(jī)械課程設(shè)計(jì)的改革［J］．重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，29（7）：98-102

［5］李培根．主動實(shí)踐：培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵［J］．中國高等教育，2006（11）：17-18，28

［6］王鴻云．虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．工會博覽：理論研究，2009（6）：113

Discussion on Teaching Reform and Practice on Practicum in Mechanical Theory Course

LI Ping，DU Li

（College of Mechanic Engineering，Chongqing Technology and Business University，Chongqing 400067，China）

Based on problems of practicum in Mechanical Theory course this paper discusses on teaching reform in the topic selection principle of combination of virtuality and practice in the way of virtual and actual designing with emphasis on team－work spirit，etc．The good practical results show that reformed practicum is helpful to enhance students’capability of systematic designing，creative designing and engineering practice．

Mechanical Theory course，practicum，teaching reform，practice

G642．0

A

1672－058X（2015）03－0100－04

10．16055／j．issn．1672－058X．2015．0003．021

2014－08－12；

2014－09－17．

重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（1203037）；重慶工商大學(xué)教育教學(xué)改革資助課題（11328）．

李平（1977－），男，重慶人，副教授，博士，從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化教學(xué)和研究．