基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的機(jī)械設(shè)計(jì)類系列基礎(chǔ)課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐

周傳喜，管鋒，彭三河 （長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

機(jī)械設(shè)計(jì)類系列基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是指隨課堂教學(xué)而開展的實(shí)踐教學(xué)活動，目的是加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解，使其能掌握和應(yīng)用所學(xué)知識并在實(shí)踐中激發(fā)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)工程意識和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在機(jī)械設(shè)計(jì)類系列課程中，《工程制圖》、《機(jī)械原理》和《機(jī)械設(shè)計(jì)》3門課程具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐性，能培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，強(qiáng)調(diào)工程方法，從而提高學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力與素質(zhì)。其中，《工程制圖》課程立足于零部件二維圖紙的繪制和三維實(shí)體造型，以零部件結(jié)構(gòu)正確表達(dá)為目標(biāo)，能培養(yǎng)學(xué)生的工程零件幾何形體設(shè)計(jì)及表達(dá)能力；《機(jī)械原理》課程立足于機(jī)電一體化的發(fā)展方向，以機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方案設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為目標(biāo)，能培養(yǎng)學(xué)生對相關(guān)機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)的運(yùn)動設(shè)計(jì)的能力；《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程立足于機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，以機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為目標(biāo)，能培養(yǎng)學(xué)生對工程零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)的能力［1］。

國外許多高校一直以來都非常重視機(jī)械設(shè)計(jì)類系列基礎(chǔ)課程教學(xué)研究與改革，很多知名高校為了實(shí)現(xiàn)基于工程實(shí)踐的項(xiàng)目設(shè)計(jì)訓(xùn)練，往往將某些機(jī)械設(shè)計(jì)類基礎(chǔ)課程及其實(shí)踐環(huán)節(jié)合并，同時(shí)提供給學(xué)生一流的軟硬件設(shè)備，提高了教學(xué)實(shí)踐的效果。筆者在巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)進(jìn)行為期4個月的訪問學(xué)習(xí)過程中，參與了《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程的整個教學(xué)過程，該校在機(jī)械設(shè)計(jì)類系列課程教學(xué)中改革力度大，非常重視學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，將課堂內(nèi)容與社會上實(shí)際設(shè)計(jì)案例緊密結(jié)合，并且所選案例能貫穿整個課本內(nèi)容知識點(diǎn)，教師完成2個學(xué)時(shí)的理論課程后就要進(jìn)行2～4學(xué)時(shí)的實(shí)踐教學(xué)（包括課堂討論與學(xué)生匯報(bào)實(shí)踐案例方案討論等方式）。該課程60學(xué)時(shí)，其理論教學(xué)28～30學(xué)時(shí)，剩余學(xué)時(shí)是圍繞理論教學(xué)開展的培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的實(shí)踐教學(xué)。該課程結(jié)束后，將有2個月時(shí)間進(jìn)行《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》，題目是針對上課內(nèi)容的實(shí)踐展開的，實(shí)踐環(huán)節(jié)實(shí)際上是在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)物制作，班上30多個同學(xué)分成4～5組，這樣一個班上交的作品就是4～5個真正實(shí)物或比例模型。整個過程下來，學(xué)生的操作能力得到了充分地鍛煉。

而國內(nèi)目前主要采用教師“領(lǐng)著走”的方法，這不能充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。長江大學(xué)目前正處于高速發(fā)展階段，對學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量的要求也在不斷提高。工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)正是體現(xiàn)工科學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量好壞的一個關(guān)鍵指標(biāo)。機(jī)械工程學(xué)院在學(xué)校的大力支持下，目前主要在《工程制圖》、《機(jī)械原理》和《機(jī)械設(shè)計(jì)》3門課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)開展了系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如在《工程制圖》課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)物產(chǎn)品的測繪項(xiàng)目；在《機(jī)械原理》實(shí)驗(yàn)節(jié)開展了動手操作組合創(chuàng)新機(jī)構(gòu)并進(jìn)行其運(yùn)動仿真模擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)結(jié)合各類創(chuàng)新大賽完成實(shí)物制作項(xiàng)目。以上的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目其實(shí)在某些方面與國外高校是具有共同性質(zhì)的。至于這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的質(zhì)量評定方法，主要決定于學(xué)生們定期的反饋意見，對于學(xué)生感興趣且能提高學(xué)生操作能力的項(xiàng)目，應(yīng)鼓勵教師們多開展；對于學(xué)生興趣不大、實(shí)驗(yàn)效果不明顯的項(xiàng)目，應(yīng)該加以改進(jìn)或取消。另外，實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)生成績評定辦法也不能按傳統(tǒng)執(zhí)行，應(yīng)該根據(jù)學(xué)生完成的實(shí)際情況進(jìn)行評分：對于小組實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)各成員的貢獻(xiàn)進(jìn)行等級評價(jià)成績；對于個人完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際上交的測繪圖紙或?qū)嵨镒髌穪碇苯釉u分，非常客觀。筆者就以上3門課程為載體，論述了如何圍繞工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，借鑒國外高校改革經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)改革情況。

1 豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生操作能力

實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直都是理論課堂教學(xué)中操作能力鍛煉的實(shí)踐環(huán)節(jié)，機(jī)械設(shè)計(jì)類的2門基礎(chǔ)課程均有各自的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

1.1 《機(jī)械原理》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

機(jī)械原理實(shí)踐教學(xué)主要體現(xiàn)在為期2周的課程設(shè)計(jì)階段及與課程同步的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分三階段進(jìn)行，具體流程如圖1所示。

第1階段，借助前期教改項(xiàng)目研究，提出了“三模塊，多層次”［2，3］的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系，如圖2所示。

圖1 三階段實(shí)驗(yàn)改革流程

圖2 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系

第2階段，借助長江大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)被評為國家特色專業(yè)這一契機(jī)，引進(jìn)了一批新的關(guān)于機(jī)械原理課程實(shí)驗(yàn)可自主創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備不僅能讓學(xué)生們將課本上所學(xué)的連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)3大機(jī)構(gòu)的理論知識加以應(yīng)用，同時(shí)也能讓他們在該設(shè)備上進(jìn)行自主創(chuàng)新，拼接自己想要的組合機(jī)構(gòu)，并通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)動仿真實(shí)踐功能很方便地證實(shí)所設(shè)計(jì)的組合機(jī)構(gòu)的合理性、正確性。通過此項(xiàng)改革，學(xué)生們大大提高了學(xué)習(xí)興趣，有的同學(xué)甚至還對該實(shí)驗(yàn)設(shè)備提出了改進(jìn)建議。以上這些動手操作不僅能鞏固學(xué)生的課堂所學(xué)理論知識，同時(shí)也鍛煉了他們的實(shí)踐能力。

第3階段，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。老師根據(jù)課堂內(nèi)容布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)來擬定實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及操作步驟。如學(xué)習(xí)完四連桿機(jī)構(gòu)演變內(nèi)容后，老師要求學(xué)生進(jìn)行機(jī)構(gòu)演變，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。這時(shí)學(xué)生想到了利用連桿機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)開窗功能、汽車車廂的翻轉(zhuǎn)功能、起重機(jī)的舉升功能等。他們利用實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新設(shè)備可自行完成各個實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。第3個階段的實(shí)驗(yàn)改革由于對學(xué)生的要求高，目前還處于選修實(shí)驗(yàn)階段，只有部分感興趣的學(xué)生參與，沒有全部普及。

1.2 《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程以《工程制圖》和《機(jī)械原理》為理論基礎(chǔ)，經(jīng)過這3門課程的學(xué)習(xí)，知識體系將更加完善，設(shè)計(jì)思路將更加清晰。《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是與理論教學(xué)相輔相成的教學(xué)環(huán)節(jié)，是提高學(xué)生實(shí)踐能力的重要手段。

機(jī)械工程學(xué)院設(shè)有常規(guī)的帶傳動實(shí)驗(yàn)、齒輪傳動效率測試實(shí)驗(yàn)、螺栓組拉力測試實(shí)驗(yàn)和軸承的效率測試實(shí)驗(yàn)。近年來，隨著創(chuàng)新教育的開展，上述4個實(shí)驗(yàn)已經(jīng)無法滿足學(xué)生們對課堂內(nèi)容的完全消化和理解，學(xué)生們不再滿足于觀察性實(shí)驗(yàn)而是希望進(jìn)行更多的操作性實(shí)驗(yàn)。為此，于2014年引進(jìn)了一套創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)組合柜，該實(shí)驗(yàn)裝置是由一系列零件模塊組成的，學(xué)生可以任意拆裝組合各零件，形成模塊，連上電機(jī)進(jìn)行傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動演示：實(shí)現(xiàn)包括帶傳動、鏈傳動及齒輪傳動在內(nèi)的3大傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的組合和拆裝，同時(shí)還包括系列軸系類零部件的組合裝備的運(yùn)動演示。以上這些都屬于該設(shè)備的常規(guī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)際上該設(shè)備還具備創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的功能，即學(xué)生可以根據(jù)所想，將任意2類傳動機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行操作連接，進(jìn)行所想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再演示其運(yùn)動情況，實(shí)現(xiàn)組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動合理性判斷。利用該設(shè)備，學(xué)生的想法就可以得到驗(yàn)證，正確與否，動手便知。同時(shí)教師還將該實(shí)驗(yàn)設(shè)備用于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽項(xiàng)目上，有了該設(shè)備，學(xué)生們可自行否定那些不成熟的設(shè)計(jì)方案，肯定那些正確可行的設(shè)計(jì)方案。

2 提高課程設(shè)計(jì)要求，促使學(xué)生親手操作

課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是除實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)外另一個彌補(bǔ)課堂知識、提高學(xué)生實(shí)踐操作能力的有效途徑。因此，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力為目的的教學(xué)改革，該環(huán)節(jié)是必不可少的。機(jī)械設(shè)計(jì)類的3門基礎(chǔ)課程均有各自的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

2.1 《工程制圖》課程設(shè)計(jì)

《工程制圖》課程是一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是大部分學(xué)生感到比較頭疼的課程。目前存在的主要問題有［4］：教師注重理論知識點(diǎn)的講解，對實(shí)踐零件測繪環(huán)節(jié)中畫零件圖及裝備圖的內(nèi)容往往一帶而過；多數(shù)學(xué)生也只關(guān)心理論筆試考試的分?jǐn)?shù)，對實(shí)踐環(huán)節(jié)的大作業(yè)敷衍了事?？偟恼f來，教師沒有手把手教會學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)繪圖操作，學(xué)生們往往相互復(fù)制文檔交差。這樣勢必會影響到大三專業(yè)課相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)中畫圖作業(yè)及畢業(yè)設(shè)計(jì)的繪圖質(zhì)量，加上學(xué)生的空間想象能力有限，導(dǎo)致學(xué)生無法用圖形正確表述自己的設(shè)計(jì)內(nèi)容，進(jìn)一步影響到畢業(yè)設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量。

2年來，學(xué)院將《工程制圖》課程實(shí)踐環(huán)節(jié)與工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)相結(jié)合，要求學(xué)生們對為期4周的工程實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的作品進(jìn)行零件測繪實(shí)踐。除了常規(guī)的完成零件工作圖及裝配圖的繪制工作外，還鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)一些能培養(yǎng)工程實(shí)踐能力的PRE等系列相關(guān)軟件，并采用軟件實(shí)現(xiàn)零部件及整個作品的三維模型。學(xué)生既能學(xué)習(xí)工程實(shí)訓(xùn)中的各種加工環(huán)節(jié)的操作技能，同時(shí)也能鍛煉他們的工程制圖能力。由于學(xué)生完成的是實(shí)際題目的訓(xùn)練，而不是虛擬假設(shè)題目的練習(xí)，這樣使他們更有成就感，更能發(fā)現(xiàn)和解決新的問題，從而提高工程實(shí)踐能力。

2.2 《機(jī)械原理》課程設(shè)計(jì)

教師在傳統(tǒng)的要求基礎(chǔ)上，增加了方案的動畫仿真、三維造型、計(jì)算結(jié)果曲線繪制及計(jì)算過程的可視化編程環(huán)節(jié)。由于學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識存在差異，指導(dǎo)教師針對上述環(huán)節(jié)加以控制，計(jì)算結(jié)果曲線繪制是強(qiáng)制環(huán)節(jié)，要求每個學(xué)生必須完成，其他環(huán)節(jié)則由操作能力較強(qiáng)的學(xué)生在教師指導(dǎo)下單獨(dú)完成的。整個環(huán)節(jié)做下來，學(xué)生不僅掌握了與課程設(shè)計(jì)題目相關(guān)的知識點(diǎn)，同時(shí)也為他們的實(shí)踐操作能力提供了鍛煉的機(jī)會。

2.3 《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)

減速器設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的典型內(nèi)容，因?yàn)樗钅荏w現(xiàn)該課程課內(nèi)所有知識的應(yīng)用情況［5］。為此，學(xué)院采取如下改革措施：大題目不變，仍然是減速器的設(shè)計(jì)問題，但改變了實(shí)現(xiàn)減速傳動的傳動方案，由原來每班統(tǒng)一要求一個傳動方案，改成每班多個傳動方案，并且每人一組數(shù)據(jù)。這就要求學(xué)生每人必須從頭到尾完整地計(jì)算一遍，無法直接抄襲其他學(xué)生的作品，同時(shí)最后階段的繪圖工作也無法得到確切尺寸。另外，還設(shè)有最后一關(guān)的答辯環(huán)節(jié)，可供教師判斷學(xué)生實(shí)踐工作量的多少，進(jìn)而對實(shí)踐成績給予客觀評定。這樣下來，學(xué)習(xí)不認(rèn)真的學(xué)生少了，向教師和同學(xué)請教的學(xué)生多了，這些現(xiàn)象都說明學(xué)生們開始切實(shí)行動起來了。課程設(shè)計(jì)結(jié)束后，從學(xué)生交上來的報(bào)告、圖紙來看，質(zhì)量有明顯提高。

3 結(jié)合第二課堂，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力

與此同時(shí)，在工程實(shí)踐能力培養(yǎng)方面還有一個改革舉措，就是鼓勵有創(chuàng)新想法的學(xué)生積極開展第二課堂的學(xué)習(xí)創(chuàng)新。結(jié)合前面《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，首先要求學(xué)生在課程設(shè)計(jì)時(shí)選做自選課題（可以是往屆創(chuàng)新大賽主題作品或教師們發(fā)明的創(chuàng)新機(jī)械），在課程設(shè)計(jì)過程中成立獨(dú)立團(tuán)隊(duì)，并有專門教師來指導(dǎo)他們利用工程軟件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，檢驗(yàn)運(yùn)動干涉，驗(yàn)證學(xué)生的創(chuàng)新構(gòu)思，最后完成包括工程圖在內(nèi)的詳細(xì)機(jī)械設(shè)計(jì)，并依托學(xué)校的創(chuàng)新實(shí)踐基地制造出實(shí)物，參加包括大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國挑戰(zhàn)杯大賽在內(nèi)的各類大賽。當(dāng)然這個過程可能會延續(xù)2個學(xué)期，同時(shí)也需要得到學(xué)院及教師們的大力支持，這對學(xué)生來說是提高其工程實(shí)踐能力的絕佳途徑；同時(shí)這部分學(xué)生能參加大賽并獲獎，勢必會起到較好的輻射作用，促使更多學(xué)生積極參與實(shí)踐教學(xué)改革和進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐活動，形成良好的循環(huán)。

4 結(jié)語

通過上述諸多改革與實(shí)踐，學(xué)生們查閱資料、動手繪圖、自主創(chuàng)新能力及學(xué)習(xí)熱情都得到了顯著的提高，實(shí)踐環(huán)節(jié)也不再是形同虛設(shè)，能起到鍛煉學(xué)生工程實(shí)踐能力的作用。隨著改革的進(jìn)一步深化，還要加大實(shí)驗(yàn)室建設(shè)力度，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行升級改造，多增加開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓更多的學(xué)生能親手操作。另外，教師對課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)也要進(jìn)一步探索能培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的新措施，使得教學(xué)效果越來越好。

［1］陳煒峰 .農(nóng)機(jī)化專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)系列課程建設(shè)與改革 ［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2001（4）：121～123.

［2］周傳喜 .機(jī)械類基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)改革研究與實(shí)踐 ［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，6（11）：183～184.

［3］管鋒，周傳喜 .機(jī)械原理課程實(shí)踐性環(huán)節(jié)的教學(xué)改革與實(shí)踐 ［J］.長江大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2011，34（4）：121～122.

［4］鐘陽，李巧云 .淺談高職機(jī)械制圖課程教學(xué)改革 ［J］.職業(yè)，2015（3）：43～44.

［5］呂相艷，任立敏，夏智星，等 .試談機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)改革 ［J］.黑龍江科技信息，2014（25）：41.