機(jī)械專業(yè)復(fù)雜工程問題教學(xué)案例剖析

陳永琴+朱敏波+段清娟+張國(guó)淵

（西安電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710071）

摘要：本文結(jié)合專業(yè)認(rèn)證的需求，探討為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力而開展的實(shí)踐教學(xué)課程——《機(jī)械綜合實(shí)踐項(xiàng)目》課程，分別從課程教學(xué)設(shè)計(jì)、課程組織實(shí)施以及課程實(shí)施情況等幾個(gè)方面進(jìn)行論述，以期達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；課程教學(xué)設(shè)計(jì)；課程組織實(shí)施

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）18-0151-03

根據(jù)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生應(yīng)該具備解決“復(fù)雜工程問題”的能力，標(biāo)準(zhǔn)中所提到的“復(fù)雜工程問題”必須具備下述特征（1），同時(shí)具備下述特征（2）—（7）的部分或全部：

（1）必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決。

（2）涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。

（3）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性。

（4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的。

（5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中。

（6）問題相關(guān)各方利益不完全一致。

（7）具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問題。

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，我校在原有實(shí)踐課程的基礎(chǔ)上又開設(shè)了《機(jī)械綜合實(shí)踐項(xiàng)目》課程。

一、《機(jī)械綜合實(shí)踐項(xiàng)目》課程的性質(zhì)

《機(jī)械綜合實(shí)踐項(xiàng)目》是我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)全部學(xué)生必修的實(shí)習(xí)實(shí)踐類課程，是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的綜合性實(shí)踐能力提升課程，采用“方案設(shè)計(jì)+技術(shù)設(shè)計(jì)+實(shí)物制作”的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，以能力提升為主線，將基礎(chǔ)課程內(nèi)容與設(shè)計(jì)任務(wù)相結(jié)合，重在培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、制造工藝能力、實(shí)際動(dòng)手操作能力、工程管理能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

設(shè)計(jì)題目結(jié)合機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽和大學(xué)生綜合能力競(jìng)賽的主題，設(shè)計(jì)問題涉及機(jī)、電、控制、計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)多個(gè)層面，整個(gè)項(xiàng)目周期分為三個(gè)階段，第一階段為系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段，安排在第五學(xué)期，第一階段結(jié)束后要求每組學(xué)生提交方案設(shè)計(jì)報(bào)告一份，并進(jìn)行集中答辯；第二階段為技術(shù)設(shè)計(jì)階段，安排在第六學(xué)期，這一階段結(jié)束后要求提交系統(tǒng)裝配圖或主要零件的二維工程圖及設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份；第三階段為實(shí)物制作階段，安排在第七學(xué)期，要求完成實(shí)物制作，進(jìn)行實(shí)物展示，并完成教師或?qū)W生對(duì)實(shí)物的問辯，最后提交書面總結(jié)報(bào)告一份。項(xiàng)目以團(tuán)隊(duì)形式開展，每組成員為3—6人，指導(dǎo)老師由一組教師和工訓(xùn)中心老師組成。

為加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”的能力，本專業(yè)編寫了“機(jī)械綜合實(shí)踐項(xiàng)目”教學(xué)大綱，進(jìn)行了針對(duì)性的教學(xué)設(shè)計(jì)、組織實(shí)施和達(dá)成情況評(píng)價(jià)。

二、課程教學(xué)設(shè)計(jì)

期望通過《機(jī)械綜合實(shí)踐項(xiàng)目》課程的理論教學(xué)和實(shí)踐訓(xùn)練，使學(xué)生具備教學(xué)目標(biāo)期望的幾方面能力。

1.學(xué)生初步具有擬定機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案的能力，掌握并使用各種技術(shù)、技能和現(xiàn)代化工程工具的能力，培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械系統(tǒng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思維方式和方法，及自主學(xué)習(xí)的能力，為解決復(fù)雜工程問題提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。

2.使學(xué)生掌握機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力分析和設(shè)計(jì)的基本理論和基本方法，能夠針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力分析和設(shè)計(jì)問題建立數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型正確性進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)推理，給出解答。

3.具有文獻(xiàn)檢索、分析歸納的能力以及撰寫分析報(bào)告的能力。

4.培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想，能正確計(jì)算零件的工作能力，并確定其尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)及材料，考慮制造工藝、使用、維護(hù)、經(jīng)濟(jì)和安全等問題，完成具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5.掌握三維模型到工程圖生成和模型數(shù)據(jù)交換，會(huì)應(yīng)用CAD/CAM軟件完成三維零件到二維圖的轉(zhuǎn)換和輸出，能完成簡(jiǎn)單零件的加工，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

6.培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任感和職業(yè)道德，并使學(xué)生具備一定的組織管理能力、較強(qiáng)的表達(dá)能力和人際交往能力，以及在團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮作用的能力，初步具備交流、競(jìng)爭(zhēng)與合作能力。

以上述教學(xué)目標(biāo)為基礎(chǔ)，分析相應(yīng)教學(xué)環(huán)節(jié)具體體現(xiàn)復(fù)雜工程問題的對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)及對(duì)畢業(yè)要求的支撐情況，對(duì)其教學(xué)過程進(jìn)行設(shè)計(jì)（如圖1所示）。

三、課程組織實(shí)施

1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。通過指導(dǎo)老師的輔導(dǎo)和相關(guān)文獻(xiàn)的檢索，學(xué)生以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的功能要求為目標(biāo)，以機(jī)械總體設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，采用系統(tǒng)分析的方法，擬定機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)方案，完成各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。要求每組學(xué)生提出3種系統(tǒng)傳動(dòng)方案，從功能、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面進(jìn)行分析和比較，決策出最優(yōu)方案，繪制出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖或者三維模型原理圖，并對(duì)主執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度綜合和運(yùn)動(dòng)分析。

2.技術(shù)設(shè)計(jì)。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)傳動(dòng)方案的功能參數(shù)要求，如傳遞的功率、速度、負(fù)載等，應(yīng)用相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，提出傳動(dòng)方案，確定總傳動(dòng)比、分配各級(jí)傳動(dòng)比和電機(jī)型號(hào)，進(jìn)行關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算，并考慮零件的結(jié)構(gòu)工藝性和安裝的合理性及安全性，對(duì)裝置總體進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)建立三維模型，并完成主要零件的二維工程圖繪制。

3.實(shí)物制作。針對(duì)具體的方案進(jìn)行工藝過程設(shè)計(jì)，進(jìn)行優(yōu)選方案后的成本分析及工程管理技能等的提高訓(xùn)練，對(duì)特定主題的實(shí)物加工制造并裝配調(diào)試。

四、課程達(dá)成評(píng)價(jià)

本課程分三個(gè)階段進(jìn)行，最終考核的成績(jī)分布比例是第一階段“系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)”占40%，第二階段“技術(shù)設(shè)計(jì)”占30%，第三階段“實(shí)物制作”占30%。在每階段結(jié)束時(shí)，根據(jù)相應(yīng)的考評(píng)環(huán)節(jié)評(píng)價(jià)該課程對(duì)畢業(yè)要求的達(dá)成情況。

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段的考評(píng)環(huán)節(jié)有團(tuán)隊(duì)協(xié)作、系統(tǒng)方案、設(shè)計(jì)報(bào)告及答辯。

技術(shù)設(shè)計(jì)階段的考評(píng)環(huán)節(jié)有團(tuán)隊(duì)協(xié)作、建模圖紙及設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。

實(shí)物制作階段的考評(píng)環(huán)節(jié)有團(tuán)隊(duì)協(xié)作、實(shí)物作品及結(jié)題報(bào)告。

團(tuán)隊(duì)協(xié)作考核標(biāo)準(zhǔn)是“能夠傾聽他人意見，勝任團(tuán)隊(duì)中的角色，并完成相應(yīng)的職責(zé)?！?/p>

設(shè)計(jì)報(bào)告考核內(nèi)容有“總體方案的分析、比較，并給出最優(yōu)方案；對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度綜合、運(yùn)動(dòng)分析。”

答辯環(huán)節(jié)要求“與同學(xué)、老師進(jìn)行有效溝通和交流，表達(dá)清晰，有理有據(jù)回答相關(guān)提問?！?/p>

建模繪圖要求“完成技術(shù)設(shè)計(jì)，并繪制圖紙或三維建模?！?/p>

實(shí)物制作要求“制作實(shí)物并展示”。

結(jié)題報(bào)告要求寫出結(jié)題報(bào)告及心得體會(huì)。

在最后達(dá)成評(píng)價(jià)時(shí)針對(duì)每一評(píng)分環(huán)節(jié)給出相應(yīng)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)略）。

五、課程實(shí)施情況

我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)從2013級(jí)開始開設(shè)《機(jī)械綜合實(shí)踐項(xiàng)目》課程，給定的題目是以當(dāng)年創(chuàng)新大賽和綜合能力競(jìng)賽的主題（或?qū)W生自定的題目）為主要研究對(duì)象，要求從機(jī)器功能要求出發(fā)，擬定機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)方案，完成各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析，在學(xué)期結(jié)束后，每組提交方案設(shè)計(jì)報(bào)告一份，并進(jìn)行集中答辯。

從團(tuán)隊(duì)協(xié)作、系統(tǒng)方案、提交的方案設(shè)計(jì)報(bào)告及答辯表現(xiàn)等方面評(píng)價(jià)《機(jī)械綜合實(shí)踐項(xiàng)目》第一階段課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況。從評(píng)價(jià)結(jié)果來看，大部分同學(xué)能夠在團(tuán)隊(duì)中分擔(dān)任務(wù)，并承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任；從系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和提交的設(shè)計(jì)報(bào)告來看，學(xué)生具有擬定機(jī)械系統(tǒng)方案的能力，能夠針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題建立合理的數(shù)學(xué)模型，并能把自己的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行較完善的文字描述；從評(píng)價(jià)結(jié)果反映出同學(xué)們的答辯表現(xiàn)不佳（目標(biāo)值是5分，但評(píng)價(jià)值只有3.87分），問題主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是答辯PPT制作沒有經(jīng)驗(yàn)，背景混亂，主次不明顯；另一方面是有些學(xué)生公開發(fā)言沒有信心，不能有條不紊地講述出自己的設(shè)計(jì)思想，也不能準(zhǔn)確回答答辯老師提出的問題，導(dǎo)致答辯成績(jī)不理想，這是后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)需要加強(qiáng)改進(jìn)的地方。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì).工程教育認(rèn)證一點(diǎn)通[M].北京：教育科學(xué)出版社，北京，2015.

[2]中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)秘書處.工程教育認(rèn)證工作指南[Z].2015-3.

收稿日期：2016-11-30

基金項(xiàng)目：西安電子科技大學(xué)教改項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：陳永琴（1971-），女，陜西石泉人，西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授。