面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機(jī)械設(shè)計(jì)課程改革和探索

張?jiān)虑?/p>

摘 要：為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)創(chuàng)新型人才的需求，文章根據(jù)本科獨(dú)立學(xué)院教育人才培養(yǎng)的目標(biāo)，分析了我院機(jī)械設(shè)計(jì)課程中存在的不足，提出了在本課程教學(xué)中對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和方法等如何進(jìn)行改革，強(qiáng)化了工程意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過課程改革和實(shí)踐探索，達(dá)到讓學(xué)生既要掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、又要具有較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力的目的，改革取得了一定的成效。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；課程改革；創(chuàng)新能力；實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）10-0090-03

Abstract： In order to adapt to the rapid development of science and technology and meet the demand of social competition for innovative talents， this paper， according to the talent training goals of independence college， analyzed the shortcomings of mechanical design course in our college， and put forward the reform about the teaching content， teaching modes and methods， strengthening the engineering consciousness and innovation ability. Through the curriculum reform and practical exploration， the students should not only have a solid theoretical foundation， but also have a strong practical ability. The reform has achieved some results.

Keywords： Mechanical design； course reform； innovation ability； practice

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展及社會(huì)發(fā)展對(duì)創(chuàng)新型人才需求的增強(qiáng)，在本科獨(dú)立學(xué)院確立的教育培養(yǎng)人才的目標(biāo)中，注重以行業(yè)發(fā)展需求為導(dǎo)向，推動(dòng)教學(xué)改革，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才。機(jī)械設(shè)計(jì)作為培養(yǎng)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課，在學(xué)生的教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃中，起到了承接基礎(chǔ)課和專業(yè)課的橋梁作用，在培養(yǎng)優(yōu)秀機(jī)械設(shè)計(jì)人才方面起著極其重要的作用。

針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)課程存在的一些問題和不足，對(duì)本課程進(jìn)行教學(xué)改革尤為必要。文章從理論教學(xué)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐的角度，在課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和方法、創(chuàng)新實(shí)踐等方面開展了一系列必要的改革和有益的探索，以其進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化工程意識(shí)，加強(qiáng)創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

一、當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

（一）課堂教學(xué)內(nèi)容

機(jī)械設(shè)計(jì)重點(diǎn)討論通用零件的有關(guān)基本理論和方法，以及有關(guān)技術(shù)資料的應(yīng)用等[1]。我院機(jī)械設(shè)計(jì)理論課時(shí)為42個(gè)，講述內(nèi)容包括總論、聯(lián)接、傳動(dòng)以及軸系四大部分，存在教學(xué)內(nèi)容多、課時(shí)少的明顯矛盾。按照教學(xué)進(jìn)度安排，教師全力講授完所有內(nèi)容需近40個(gè)學(xué)時(shí)。再加上課程總復(fù)習(xí)，基本上填滿了總課時(shí)。在課堂的有限時(shí)間內(nèi)，難以讓學(xué)生接觸到更多的工程案例，也難以讓學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來，且課堂案例更新不及時(shí)，未融入較新的創(chuàng)新思維意識(shí)，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力的引導(dǎo)及訓(xùn)練都會(huì)產(chǎn)生削弱作用，不能很好地體現(xiàn)培養(yǎng)高級(jí)應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

（二）教學(xué)模式和方法

當(dāng)前，教學(xué)模式主要采用教師講授式，通過教師課堂講解、學(xué)生聽課、問答、課堂練習(xí)等一些傳統(tǒng)的單一模式來進(jìn)行，未融入較新的教學(xué)模式和創(chuàng)新思維意識(shí)，存在學(xué)生學(xué)習(xí)被動(dòng)、靠機(jī)械重復(fù)來掌握知識(shí)的問題。課堂中忽略了學(xué)生的主體地位，不僅影響其學(xué)習(xí)積極性和自主性，而且不能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生探究問題及解決工程問題能力的培養(yǎng)。

（三）實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)

本課程實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱，僅有6學(xué)時(shí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和2.5周機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，開設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為“螺栓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)”“軸系搭建實(shí)驗(yàn)”和“減速器拆裝實(shí)驗(yàn)”，屬于驗(yàn)證性和認(rèn)知性實(shí)驗(yàn)，缺少設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。且因?qū)嶒?yàn)設(shè)備數(shù)量受限，一般3～4個(gè)人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，導(dǎo)致個(gè)別學(xué)生實(shí)際動(dòng)手較少，敷衍了事，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)的目的。而課程設(shè)計(jì)依然是齒輪減速器的設(shè)計(jì)，題目類型過于單一，缺少對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的強(qiáng)化培養(yǎng)，并且裝配圖和零件圖依然停留在采用圖板、圖紙等進(jìn)行手工繪制階段，與實(shí)際工程設(shè)計(jì)人員已越來越多地使用計(jì)算機(jī)軟件繪圖的現(xiàn)狀相脫節(jié)，不利于學(xué)生計(jì)算機(jī)繪圖與輔助設(shè)計(jì)能力的提高。

二、改革措施

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，提高課堂效率

針對(duì)課程內(nèi)容多、課時(shí)少的問題，需要根據(jù)課程特點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)課堂內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。在總論部分，降低機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的計(jì)算難度，要求學(xué)生主要掌握疲勞曲線和極限應(yīng)力圖、穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力下零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算，有關(guān)強(qiáng)度校核計(jì)算公式，要求學(xué)生能夠直接對(duì)公式進(jìn)行應(yīng)用而不再?gòu)?qiáng)求記憶公式，避免學(xué)生在剛進(jìn)入本課程學(xué)習(xí)時(shí)產(chǎn)生畏懼復(fù)雜計(jì)算問題的心理，提高其學(xué)習(xí)自信心。在聯(lián)接部分，包括螺紋聯(lián)接，鍵、花鍵及無鍵連接，銷連接，鉚接，膠接與過盈連接等，重點(diǎn)讓學(xué)生掌握螺栓聯(lián)接的類型和應(yīng)用、受力分析、強(qiáng)度校核和設(shè)計(jì)計(jì)算等內(nèi)容，而其他連接則安排學(xué)生課外自學(xué)，以提高課堂效率。對(duì)于帶和鏈傳動(dòng)，重點(diǎn)學(xué)習(xí)普通V帶傳動(dòng)的內(nèi)容，而鏈傳動(dòng)則簡(jiǎn)述其運(yùn)動(dòng)特性，有關(guān)滾子鏈傳動(dòng)的計(jì)算要求學(xué)生自學(xué)。對(duì)于齒輪傳動(dòng)，重點(diǎn)講述漸開線圓柱齒輪，并省略有關(guān)公式的理論推導(dǎo)，讓學(xué)生掌握公式中參數(shù)的含義及其對(duì)齒輪傳動(dòng)的影響，掌握齒輪設(shè)計(jì)的步驟和方法；而錐齒輪和蝸桿傳動(dòng)，重點(diǎn)掌握其傳動(dòng)特點(diǎn)及受力分析方法，而強(qiáng)度計(jì)算等要求學(xué)生自學(xué)。軸系部分，重點(diǎn)講述軸和滾動(dòng)軸承的內(nèi)容，而滑動(dòng)軸承作為自學(xué)部分，聯(lián)軸器、離合器放在軸系結(jié)構(gòu)搭建的實(shí)驗(yàn)中結(jié)合實(shí)物來觀察和學(xué)習(xí)，以產(chǎn)生深刻的認(rèn)識(shí)。

經(jīng)過以上內(nèi)容的優(yōu)化，在理論課時(shí)中可節(jié)省5～6個(gè)課時(shí)，從而可增加工程實(shí)踐案例的內(nèi)容，讓學(xué)生了解機(jī)械設(shè)計(jì)的新發(fā)展，擴(kuò)其知識(shí)信息量，并將創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思路和方法應(yīng)用到工程實(shí)踐案例的分析中。這不僅拓展了學(xué)生的知識(shí)面，而且逐步培養(yǎng)了學(xué)生結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行創(chuàng)新的意識(shí)。

（二）豐富教學(xué)模式，強(qiáng)化工程意識(shí)

每一種教學(xué)模式都具有其自身的優(yōu)勢(shì)與局限，應(yīng)該綜合運(yùn)用多種教學(xué)模式，提高教學(xué)效果[2]。在教學(xué)模式與教學(xué)目標(biāo)相契合的情況下，教師要考慮實(shí)際教學(xué)條件，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容采用合適的教學(xué)模式完成理論和實(shí)踐教學(xué)。要打破現(xiàn)有的以教師傳授知識(shí)學(xué)習(xí)為主的教學(xué)模式，要突出學(xué)生的主體地位，注重在基礎(chǔ)知識(shí)講授之后，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力。

由于本課程要學(xué)習(xí)幾類不同的通用零件，容易讓學(xué)生產(chǎn)生內(nèi)容繁雜、思路凌亂的感覺。為此，在整個(gè)課程的講授中，始終貫穿“零件使用案例-工作原理-失效形式-受力分析-強(qiáng)度計(jì)算-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的學(xué)習(xí)主線，讓學(xué)生建立一條清晰的學(xué)習(xí)思路主線。

大綱要求的重點(diǎn)和難點(diǎn)部分，教師要充分利用板書、多媒體課件、動(dòng)畫等手段將課程內(nèi)容講述詳盡，并啟發(fā)學(xué)生舉一反三、學(xué)用結(jié)合，讓學(xué)生牢固地掌握基礎(chǔ)知識(shí)和分析問題的方法，重視系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)知識(shí)，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。如在講述帶傳動(dòng)的彈性滑動(dòng)和打滑時(shí)，借助Flash動(dòng)畫讓學(xué)生形象的觀察帶和帶輪間運(yùn)動(dòng)速度的差異。通過逐漸增大載荷觀察彈性滑動(dòng)區(qū)域的變化及向打滑的轉(zhuǎn)變，加深學(xué)生對(duì)帶傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)。針對(duì)各類齒輪傳動(dòng)的受力分析，由于其受力種類、方向判斷等都不盡相同，一直是學(xué)生易混淆出錯(cuò)的地方。為了系統(tǒng)化地讓學(xué)生掌握本部分內(nèi)容，教師要設(shè)計(jì)教與學(xué)互動(dòng)環(huán)節(jié)。如先讓學(xué)生在黑板上畫出每一類齒輪的受力分析示意圖，然后再引導(dǎo)學(xué)生分析每種力在各類齒輪上的作用特點(diǎn)，找出各類齒輪受力的異同。這種做法精簡(jiǎn)了內(nèi)容，強(qiáng)化了學(xué)生的記憶和理解。通過該互動(dòng)方法，作業(yè)中的錯(cuò)誤大大減少了。

為提高教學(xué)質(zhì)量和效率，建立了機(jī)械設(shè)計(jì)模型室。要充分利用模型室提供的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，將部分基本教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)移到模型室進(jìn)行教學(xué)，適當(dāng)開展情景式教學(xué)。讓學(xué)生對(duì)模型室陳列的零部件、減速器等模型產(chǎn)生直觀認(rèn)知，彌補(bǔ)其空間想象力和形象思維能力的不足，并將其置身于實(shí)際模型之中學(xué)習(xí)，不僅可以降低課程的抽象性和難度，豐富的實(shí)物模型還有助于學(xué)生擴(kuò)大知識(shí)面，激發(fā)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和興趣。如滾動(dòng)軸承部分，通過學(xué)生觀察各類軸承的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)分析其受載情況等，教師再進(jìn)一步結(jié)合實(shí)物講述總結(jié)，以加深對(duì)軸承的理解，則看似繁多零亂的內(nèi)容卻可以讓學(xué)生很好地掌握，產(chǎn)生的教學(xué)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于教師在教室的全力講解。對(duì)于課程的自學(xué)部分，教師有針對(duì)性地提出一些問題，適當(dāng)開放模型室，讓學(xué)生在模型室內(nèi)自學(xué)而找出問題的答案，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立觀察問題和分析問題的能力。對(duì)于學(xué)生存在疑問較多的地方，教師在課堂中再給予解答和概述。不僅擴(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)面，而且提高了學(xué)習(xí)效率，兼顧了課程的完整性。

以探究式教學(xué)模式[3]增加工程案例的分析。教師根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度，針對(duì)零件的實(shí)際工程應(yīng)用提出問題，讓學(xué)生以分組的形式課外求解問題的答案，教師在課堂上再對(duì)學(xué)生的解答進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，對(duì)他們的疑問進(jìn)行點(diǎn)撥和啟發(fā)，并對(duì)那些具有突破的學(xué)生給予鼓勵(lì)，提高教師教學(xué)的靈活性。如完成減速器拆裝實(shí)驗(yàn)后，讓學(xué)生以風(fēng)力發(fā)電增速齒輪箱為研究對(duì)象，完成對(duì)該增速齒輪箱的組成、工作原理、傳動(dòng)特點(diǎn)等的分析，并對(duì)傳動(dòng)方案進(jìn)行再設(shè)計(jì)或改造。通過類似問題的對(duì)比分析，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力和自主學(xué)習(xí)的能力，并將創(chuàng)新設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，拓展學(xué)生對(duì)工程問題的認(rèn)識(shí)。此外，學(xué)生在解決問題的過程中，一般需要到圖書館查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)、數(shù)據(jù)庫(kù)文獻(xiàn)資料等。因此，還提高了他們查閱技術(shù)資料和檢索信息的能力。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用的普及，為建設(shè)開放式學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)造了有利條件，為此，在課程改革中嘗試了微課[4]，對(duì)課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)和機(jī)械設(shè)計(jì)的新成果、新產(chǎn)品錄制微課，便于學(xué)生利用零碎的時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)和課外回顧課堂內(nèi)容，使學(xué)生不受地域的影響、自主加強(qiáng)學(xué)習(xí)。

（三）搭建創(chuàng)新平臺(tái)，鼓勵(lì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

一般，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)可以從加強(qiáng)其創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手實(shí)踐等方面入手。開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)的訓(xùn)練和競(jìng)賽，激發(fā)學(xué)生的積極性，讓學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去觀察分析問題，解決實(shí)際問題。

本課程具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)性和實(shí)踐性，在已開設(shè)的6學(xué)時(shí)基本實(shí)驗(yàn)中，為保證實(shí)驗(yàn)效果，在實(shí)驗(yàn)開始之前要求學(xué)生完成與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容密切相關(guān)的預(yù)習(xí)，以改善實(shí)驗(yàn)效果，提高課堂效率，避免走馬觀花式實(shí)驗(yàn)，并對(duì)每個(gè)學(xué)生定量分配實(shí)驗(yàn)任務(wù)。為進(jìn)一步擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，在實(shí)驗(yàn)中教師要介紹相關(guān)的工程背景，典型工程應(yīng)用實(shí)例等，以增加工程實(shí)踐的內(nèi)容。對(duì)于2.5周的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生采用計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件來完成。不僅可以提高作圖效率，而且可以讓學(xué)生有更充足的時(shí)間理解設(shè)計(jì)的內(nèi)容，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量。同時(shí)，鼓勵(lì)大家開拓新的題目，而不再局限于二級(jí)齒輪減速器的設(shè)計(jì)。為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力及工程實(shí)踐能力，增設(shè)了32學(xué)時(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新傳動(dòng)方案的搭建和計(jì)算機(jī)輔助建模分析。在已有的工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)手實(shí)踐。并注重開展應(yīng)用型、綜合提高型和創(chuàng)新型等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[5]，以滿足不同層次學(xué)生的需求。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)開設(shè)期間，開放實(shí)驗(yàn)室以增加學(xué)生的課外學(xué)時(shí)。本綜合實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生設(shè)計(jì)出了連桿式機(jī)械手、打包機(jī)等優(yōu)秀的傳動(dòng)裝置。

此外，為開展課外創(chuàng)新活動(dòng)，建立了大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，購(gòu)置了車床、銑床、鉆床及數(shù)控雕刻機(jī)等加工設(shè)備，并配有教師指導(dǎo)機(jī)床的操作，為動(dòng)手及創(chuàng)新能力較強(qiáng)的學(xué)生提供了一個(gè)發(fā)揮自身特長(zhǎng)的平臺(tái)。近年來，借助省級(jí)及院級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目，開展了爬壁機(jī)器人、自動(dòng)化立體停車庫(kù)、走迷宮機(jī)器人等江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目，結(jié)合學(xué)生的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，順利完成了實(shí)體模型的設(shè)計(jì)制作，取得了良好的成績(jī)，培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的高級(jí)應(yīng)用型人才。從實(shí)驗(yàn)室走出的一些畢業(yè)生還成功實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)業(yè)，將自己的產(chǎn)品推向了國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)期間，還參加了各類國(guó)家級(jí)、省級(jí)大學(xué)生競(jìng)賽，并取得了突出的成績(jī)。如在第14屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽Robomasters賽中，首次參賽，即在華東賽區(qū)賽中取得亞軍、在全國(guó)總決賽中取得二等獎(jiǎng)的好成績(jī)。在近幾年舉辦的江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽中，多次取得冠軍、亞軍、季軍等成績(jī)。實(shí)驗(yàn)室學(xué)生取得的優(yōu)異成績(jī)，離不開平時(shí)對(duì)創(chuàng)新能力培養(yǎng)和重視的積累，也有力地證明了課程改革的有效性。通過該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，也將機(jī)械設(shè)計(jì)的課堂創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的后續(xù)培養(yǎng)，延續(xù)到創(chuàng)新作品設(shè)計(jì)平臺(tái)上，有利于人才的個(gè)性化和多樣化發(fā)展，滿足了社會(huì)對(duì)新型人才的需求。

三、結(jié)束語

為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展對(duì)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的需求，提高大學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，文章在分析機(jī)械設(shè)計(jì)課程現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)課程進(jìn)行了一系列改革和探索。機(jī)械設(shè)計(jì)課程改革以行業(yè)發(fā)展需求為導(dǎo)向，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合課程的學(xué)習(xí)特點(diǎn)豐富教學(xué)模式和方法，提高課堂教學(xué)效率和質(zhì)量，強(qiáng)化工程實(shí)踐，培養(yǎng)具有一定創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才，改革取得了一定的成效。

參考文獻(xiàn)

[1]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2006：5.

[2]萬偉.三十年來教學(xué)模式研究的現(xiàn)狀、問題與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)教育學(xué)刊，2015（1）：60-67.

[3]盛武，盛智愚，劉影，等.探究式高校課堂有效教學(xué)模式設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2012（4）：445-448.

[4]蘇小兵，管玨琪，錢冬明，等.微課概念辨析及其教學(xué)應(yīng)用研究[J].中國(guó)電化教育，2014（7）：94-99.

[5]胡家秀，陳峰.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.