“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)的新教學(xué)模式探索

李 勇，雷福祥，范修文，張 宏（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆　阿拉爾　843300）

“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)的新教學(xué)模式探索

李 勇，雷福祥，范修文，張 宏※
（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300）

信息技術(shù)、工業(yè)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)高校實(shí)踐課程的進(jìn)步。針對(duì)“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)現(xiàn)有教學(xué)模式的不足，提出了新的課程設(shè)計(jì)模式。為提升學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維，新課程設(shè)計(jì)引入3D繪圖、模型加工兩設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，探索理論計(jì)算、設(shè)計(jì)繪圖、加工制造相融合教學(xué)模式。實(shí)踐證明，新模式下教學(xué)效果突出。

機(jī)械設(shè)計(jì)；課程設(shè)計(jì)；新模式；探索

“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的機(jī)械類高校實(shí)踐教學(xué)中發(fā)揮著重要作用［1］。“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程融合了機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、機(jī)械制圖、機(jī)械制造基礎(chǔ)、極限配合與測(cè)量技術(shù)等課程的知識(shí)，是機(jī)械類專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力與創(chuàng)新能力的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)［2］。當(dāng)前，“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)仍以減速器的理論設(shè)計(jì)計(jì)算為主，輔以二維圖紙表達(dá)，致使實(shí)踐性課程缺乏足夠的實(shí)踐環(huán)節(jié)。在1979年，北京科技大學(xué)“機(jī)械設(shè)計(jì)制圖”課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)非機(jī)械類機(jī)械基礎(chǔ)系列課程進(jìn)行了改革試驗(yàn)，把“畫法幾何及機(jī)械制圖”、“機(jī)械原理”、“機(jī)械零件”三門課程有機(jī)地整合為一門課，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)方法上進(jìn)行了改革創(chuàng)新［3］。舒宏等提出在制圖課程中融入形體、零件三維建模，部件的裝配與驅(qū)動(dòng)關(guān)系，直觀地理解零件的形狀、配合、部件的工作原理等［4］。三維CAD教學(xué)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度，以三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)到二維工程圖為主線。機(jī)械制圖、三維實(shí)體設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)三門課程的內(nèi)容相互聯(lián)系緊密，國內(nèi)外諸多教育工作者試圖將此三門課程融合為一體。而此三門課程內(nèi)容在機(jī)械設(shè)計(jì)課程的設(shè)計(jì)內(nèi)容中得到綜合體現(xiàn)與應(yīng)用，將設(shè)計(jì)與加工制造結(jié)合可使設(shè)計(jì)思維正確與否得到準(zhǔn)確的驗(yàn)證。為提高學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新思維能力，故探索將模型3D繪圖與加工制造引入機(jī)械設(shè)計(jì)課程中，探索理論計(jì)算、設(shè)計(jì)繪圖、加工制造相融合的新教學(xué)模式。

1　傳統(tǒng)教學(xué)模式

傳統(tǒng)教學(xué)模式將“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為著重培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械制造與設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思維，其是在機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)課程中機(jī)械零部件設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)機(jī)械裝置，進(jìn)行機(jī)械機(jī)構(gòu)選擇與方案設(shè)計(jì)、總體布置、總裝配圖設(shè)計(jì)、主要零件設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)計(jì)算說明書編寫等訓(xùn)練［5，6］。

“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程選擇最具代表性的機(jī)械裝置“減速器”作為設(shè)計(jì)題目，其課程學(xué)習(xí)要求包括以下幾點(diǎn)：（1）要求學(xué)生熟悉減速器的工作原理、各零部件裝配關(guān)系和箱體類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等知識(shí)與技能；（2）著重要求學(xué)生掌握齒輪機(jī)構(gòu)、軸、螺栓組件、軸承、鍵、銷等零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算與選擇；（3）要求學(xué)生熟練應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖表和設(shè)計(jì)資料。

在課程設(shè)計(jì)期間，要求每一位同學(xué)獨(dú)立完成二級(jí)減速機(jī)或蝸輪蝸桿減速器全部理論設(shè)計(jì)計(jì)算，并繪制相應(yīng)的2維圖（裝配圖和零件圖）。每位同學(xué)在為期3周的課程設(shè)計(jì)期間，做相同設(shè)計(jì)題目下不同設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)任務(wù)，參照設(shè)計(jì)手冊(cè)、圖冊(cè)、說明書等資料撰寫設(shè)計(jì)說明書（此過程設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)圖樣基本一致，不同學(xué)生間僅數(shù)據(jù)差異。）。在課程設(shè)計(jì)期間，指導(dǎo)教師僅對(duì)學(xué)生做簡單指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生按部就班完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

在課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生對(duì)減速器的設(shè)計(jì)僅停留在方案構(gòu)思、機(jī)械零部件和機(jī)械總成的結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)，均屬理論設(shè)計(jì)與繪圖。此教學(xué)模式下學(xué)生以完成作業(yè)任務(wù)式的心態(tài)對(duì)待課程設(shè)計(jì)，導(dǎo)致課程設(shè)計(jì)抄襲現(xiàn)象，亦無法達(dá)到課程設(shè)計(jì)原本的教學(xué)要求。該模式下無法體現(xiàn)出設(shè)計(jì)創(chuàng)新與實(shí)踐教學(xué)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力作用不顯著。

2　新教學(xué)模式

為提高學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新思維能力，我院開展了“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程新模式研究與探索。新“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為著重培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)與加工方法應(yīng)用能力，其是在機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械制造理論基礎(chǔ)上減少理論計(jì)算量，簡化了裝配體設(shè)計(jì)過程，側(cè)重于學(xué)生應(yīng)用繪圖工具繪制模型，再用微型加工機(jī)床加工所設(shè)計(jì)模型。

新機(jī)械設(shè)計(jì)課程選擇“減速器”作為設(shè)計(jì)題目，其課程學(xué)習(xí)要求包括以下幾點(diǎn)：（1）要求學(xué)生熟悉減速器的工作原理、各零部件裝配裝配關(guān)系和箱體類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等知識(shí)與技能；（2）要求學(xué)生掌握齒輪、軸、軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算，熟悉螺栓組件、鍵、銷等零部件的選型；（3）要求學(xué)生熟練應(yīng)用繪圖軟件繪制二維、三維圖；（4）熟練操作微型機(jī)床加工制作零部件并完成組裝。

在課程設(shè)計(jì)期間，學(xué)生以小組（每小組6～8人）為單位完成一級(jí)圓柱減速器理論設(shè)計(jì)計(jì)算、繪制、模型加工與組裝。在三周的課程設(shè)計(jì)期間，每位同學(xué)按不同設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)一款一級(jí)圓柱齒輪減速器，參照設(shè)計(jì)手冊(cè)、圖冊(cè)、說明書等資料撰寫設(shè)計(jì)說明書，繪制一級(jí)減速器二維圖；結(jié)合微加工機(jī)床特點(diǎn)，小組內(nèi)評(píng)選出最易于加工制造的設(shè)計(jì)參數(shù)，小組成員依照最佳的設(shè)計(jì)說明書分工繪制減速器各零件三維圖，分工加工制作出各零件模型，最后調(diào)試、組裝。指導(dǎo)教師除自身應(yīng)具備更為扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)外，需熟練掌握二維、三維繪圖軟件的應(yīng)用，還應(yīng)熟練操作各類微型加工機(jī)床以及豐富實(shí)踐加工技能。在課程設(shè)計(jì)期間，指導(dǎo)教師需時(shí)時(shí)關(guān)注學(xué)生小組進(jìn)度，并針對(duì)各設(shè)計(jì)階段給出較為正確的設(shè)計(jì)加工制造方法，引導(dǎo)學(xué)生按時(shí)順利完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

新課程設(shè)計(jì)模式重點(diǎn)突出繪圖技能與加工制造能力的培養(yǎng)，有望提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與技能。

3　新舊模式設(shè)計(jì)內(nèi)容對(duì)比

就實(shí)現(xiàn)“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)模式而言，新教學(xué)模式的課程設(shè)計(jì)步驟做出了相應(yīng)的調(diào)整。新舊教學(xué)模式下“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程設(shè)計(jì)步驟對(duì)比表，如表1。

表1　新舊課程設(shè)計(jì)步驟

舊模式下，各設(shè)計(jì)步驟的設(shè)計(jì)內(nèi)容簡述如下：

（1）設(shè)計(jì)準(zhǔn)備。認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)任務(wù)書，明確設(shè)計(jì)要求、工作條件、內(nèi)容和步驟；閱讀設(shè)計(jì)手冊(cè)、圖冊(cè)等有關(guān)資料；拆裝實(shí)物或模型，了解設(shè)計(jì)對(duì)象零部件結(jié)構(gòu)與裝配關(guān)系；擬定設(shè)計(jì)計(jì)劃等。

（2）傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì)。確定傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)方案；計(jì)算電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速，選擇電動(dòng)機(jī)的型號(hào)；計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)（確定總傳動(dòng)比；分配各級(jí)傳動(dòng)比，計(jì)算各軸的轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩等）。

（3）傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算。減速器（二級(jí)減速器或蝸輪蝸桿減速器）內(nèi)部的傳動(dòng)零件設(shè)計(jì)計(jì)算（如齒輪傳動(dòng)等）；減速器以外的傳動(dòng)零件設(shè)計(jì)計(jì)算（如帶傳動(dòng)）。

（4）減速器裝配草圖設(shè)計(jì)。繪制減速器裝配草圖，選擇聯(lián)軸器，初定軸徑；選擇軸承類型并設(shè)計(jì)軸承組合的結(jié)構(gòu)；定出軸上受力點(diǎn)的位置和軸承支點(diǎn)間的跨距；校核軸及輪轂聯(lián)接的強(qiáng)度；校核軸承壽命；箱體和附件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（5）工作圖設(shè)計(jì)。零件（軸、齒輪等）、裝配體工作圖設(shè)計(jì)（為加強(qiáng)學(xué)生基本功底，零件圖和裝配圖均采用手工繪制）。

（6）整理、撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。整理撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。

（7）答辯。參加班級(jí)課程設(shè)計(jì)答辯，指導(dǎo)教師對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容提問質(zhì)疑。

新模式與舊模式的設(shè)計(jì)內(nèi)容相比較，主要是在設(shè)計(jì)計(jì)算階段進(jìn)行了簡化，降低設(shè)計(jì)計(jì)算難度與工作量，同時(shí)增加了三維圖繪制和模型加工環(huán)節(jié)。在三維模型設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需采用UG、SOLIDWORKS軟件繪制三維模型圖，減速器模型所需各常用件、標(biāo)準(zhǔn)件和設(shè)計(jì)零件均設(shè)計(jì)繪制，再由軟件合成裝配圖。減速器模型零件采用優(yōu)耐美、謝蘭微型模具加工機(jī)床加工制造，加工環(huán)節(jié)需重新檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)現(xiàn)有材料在微型機(jī)床的可加工性，并據(jù)此來修正設(shè)計(jì)內(nèi)容。待修正完畢后，將全部待加工零件的二維圖用CAD軟件繪制出圖，再依據(jù)圖紙采用機(jī)床切、削、銑、磨、粘結(jié)出各零部件，完成裝配。

4　模型加工

4.1微型機(jī)床簡介

模型作為設(shè)計(jì)理念的具體表達(dá)，具有三維直觀、真實(shí)準(zhǔn)確的特點(diǎn)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)最終的表達(dá)形式。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生，模型制作不僅有助于分析和掌握產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、材料、工藝等，還能夠啟發(fā)設(shè)計(jì)靈感，開拓設(shè)計(jì)思維。優(yōu)耐美（奧地利進(jìn)口）、謝蘭（美國進(jìn)口）微型模具加工機(jī)床是模具設(shè)計(jì)的創(chuàng)新平臺(tái)，其安全、穩(wěn)定的性能是培養(yǎng)動(dòng)手能力的優(yōu)良設(shè)備。一組零件可任意組裝成六種不同功能的加工機(jī)器。微型模具加工機(jī)床采用模塊式結(jié)構(gòu)，12V直流電小型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，機(jī)體微型輕巧，組裝、操作簡單，由鋸床、車床、磨床、鉆床、銑床、銑齒床六大類機(jī)床組成，可對(duì)木質(zhì)、軟質(zhì)金屬、樹脂膠板等材料進(jìn)行切、削、磨、銑、鉆等加工功能。

4.2模型加工方法

減速器的零件包括軸、齒輪、軸承、螺栓組件、箱體、箱蓋、鍵、銷、墊片、套筒等，其中軸、齒輪、箱體是主要機(jī)構(gòu)零部件。實(shí)驗(yàn)室提供學(xué)生的耗材有壓縮薄板、粗圓木棒、細(xì)圓木棒、圓鋁棒、硬質(zhì)PVC板、軟質(zhì)膠板、PVC膠管、軸承、砂紙、木工膠、鐵絲、潤滑脂等?；谖⑿蜋C(jī)床的加工特點(diǎn)，軸的加工采用金屬車床車鋁棒制成階梯軸，金屬鉆床在軸上開孔，金屬銑床在軸上銑出鍵槽；齒輪的加工采用大木鋸床將粗圓木棒鋸成設(shè)計(jì)尺寸的圓木盤，金屬鉆床與立式銑床共同在圓木盤中心處開軸孔和鍵槽，金屬銑齒床在圓盤邊緣切出齒形，磨床對(duì)邊角進(jìn)行打磨制成齒輪；箱體采用鋸床板材切割、粘結(jié)、組拼成箱體，部分連接為采用大頭針連接。減速器軸承選用標(biāo)準(zhǔn)小型軸承或由金屬環(huán)替代，螺栓組件由實(shí)驗(yàn)室提供，墊片采用硬紙片或膠板裁切制成，鍵、銷采用金屬或木棒邊角料加工。

5　教學(xué)實(shí)踐

在新教學(xué)模式下，課程各項(xiàng)內(nèi)容均與模型加工緊密聯(lián)系，零部件理論設(shè)計(jì)計(jì)算不再是單純的搬套，裝置二維或三維圖形繪制亦無從過度復(fù)制粘貼，且多位同學(xué)協(xié)同完成一份實(shí)物、圖形設(shè)計(jì)相匹配的設(shè)計(jì)。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)單班的課程設(shè)計(jì)中應(yīng)用新的教學(xué)模式，課程設(shè)計(jì)期間學(xué)生認(rèn)真、積極，改變了以往設(shè)計(jì)氣氛差、渙散的現(xiàn)象，小組內(nèi)分工協(xié)作效果較佳。經(jīng)問卷調(diào)查表明，學(xué)生對(duì)新模式下的機(jī)械設(shè)計(jì)課程滿意度極高。同時(shí)，機(jī)械設(shè)計(jì)課程的改革也為后期學(xué)生開展大學(xué)生創(chuàng)新試驗(yàn)與設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。

［1］吳茵，龍春光，華熳煜.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的改革探索［J］.長沙大學(xué)學(xué)報(bào)，20006，20（2）：98～99.

［2］燕曉紅，劉芳，孟超平.在高職院校機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中引入創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)踐與探索［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2014，16（2）：39～42.

［3］楊光輝，曹彤，萬靜，等.《機(jī)械設(shè)計(jì)制圖》新教學(xué)模式探究與實(shí)踐［J］.圖學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（6）：114～117.

［4］舒宏，高菲，陳霞.多學(xué)時(shí)制圖課程融入三維CAD的教學(xué)探討［J］.圖學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33（1）：103～106，67.

［5］尹凝霞，李廣慧.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革探索［J］.廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，9（2）：120～121，128.

［6］周先軍.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)改革思考［J］.吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，26（10）：140～141.

The Exploration of Teaching Modal in the Curricular Design of Machinery Design

LI Yong，LEI Fuxiang，F(xiàn)AN Xiuwen，ZHONG Hong※
（College of Mechanic and Electrical Engineering，Tarim University，Alar，Xinjiang 843300，China）

Developing the information technology，industrial design and manufacturing technology to promote the development of college practical curriculum.With the deficiency of current teaching model for the curricular design of machinery design，new teaching model based on 3D drawing and model machining is proposed for which inprove practical ability and creative thinking of student.New model which theoretical calculation，design drawing and manufacturing technique combine to one bady is explored.The practice shows that teaching effect is outstanding by using new teaching model for the curricular design ofmachinery design.

Machine design；Curricular design；New modal；Exploration

1007-7782（2015）06-0042-04

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.06.017

G420

A

2015-10-08

塔里木大學(xué)高教研究項(xiàng)目（TDGJ1436）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31160196，31260469）；兵團(tuán)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（2014BA014）

張 宏