新工科背景下 “機械設(shè)計課程設(shè)計”教學(xué)改革

李秀紅，李文輝，任家駿，龐蔭銘

(太原理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

高等工程教育在我國高等教育中占有重要的地位。為應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的挑戰(zhàn)，主動服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展和 “一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)＋”等重大戰(zhàn)略實施，加快工程教育改革創(chuàng)新，建設(shè)工程教育強國，對服務(wù)和支撐我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重大意義。教育部明確了 “新工科”建設(shè)行動路線，高校在專業(yè)設(shè)置、人才培養(yǎng)模式、培養(yǎng)質(zhì)量體系等方面都在做相應(yīng)的改革[1－2]。

機械設(shè)計課程是機械類及近機類學(xué)生必修的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，作為機械設(shè)計課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，其主要是以機械產(chǎn)品的設(shè)計為載體，經(jīng)過產(chǎn)品需求分析、方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計到技術(shù)文件編寫，對學(xué)生進行一個產(chǎn)品設(shè)計全過程的訓(xùn)練，在學(xué)生知識、能力和綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)等方面起著重要作用。由于減速器的設(shè)計過程涵蓋了機械設(shè)計課程的基本理論和設(shè)計方法，因此，目前大多數(shù)高校的機械設(shè)計課程設(shè)計題目仍然是一般傳動用途的減速器，設(shè)計任務(wù)是要求學(xué)生能夠完成總裝圖、零件圖的繪制和說明書的編寫。整個設(shè)計環(huán)節(jié)只是重復(fù)性的模仿，缺乏主觀能動性的發(fā)揮，導(dǎo)致了學(xué)生做課程設(shè)計的過程是一個被動學(xué)習(xí)的過程。這種傳統(tǒng)的設(shè)計題目和設(shè)計內(nèi)容很難支撐以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，很難服務(wù)于以大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、人工智能、虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)和智能制造、集成電路、新材料等交叉融合的新產(chǎn)業(yè)，也很難服務(wù)于傳統(tǒng)煤礦機械、紡織機械及通用機械等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

為此，針對新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)需求，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、人工智能、虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)，立足“新工科”建設(shè)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維，使學(xué)生能由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為 “自主、探究及合作”的學(xué)習(xí)，提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學(xué)科交叉融合、自主學(xué)習(xí)、團隊協(xié)作能力和工程能力為目標(biāo)，進行機械設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)改革是非常必要的[3－5]。

1 總體改革思路

基于產(chǎn)教融合、科教結(jié)合、校企合作和各種競賽，將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入課程設(shè)計的教學(xué)過程，積極探索探究性和創(chuàng)新性的設(shè)計題目，調(diào)整和更新課程設(shè)計內(nèi)容，鼓勵學(xué)生采用參數(shù)化和智能化的設(shè)計方法，將機械工程技術(shù)與信息技術(shù)相融合，加強師資隊伍建設(shè)，聚焦需求、發(fā)揮優(yōu)勢、主動實踐，大力培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才，服務(wù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。總體思路如圖1所示。

圖1 總體改革思路

2 課程設(shè)計題目

以往的機械設(shè)計課程設(shè)計題目比較單一，大多數(shù)高校多年來都是以一般用途的減速器作為設(shè)計題目，傳動系統(tǒng)的方案和設(shè)計需求都有指導(dǎo)教師給定，學(xué)生按照任務(wù)書的要求完成設(shè)計任務(wù)，以達到能夠設(shè)計一般簡單傳動裝置的教學(xué)目的。然而由于這種被動學(xué)習(xí)的方式，使得學(xué)生對傳統(tǒng)題目缺乏新鮮感，很容易形成定勢思維，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力及工程素養(yǎng)的培養(yǎng)，也很難滿足新業(yè)態(tài)、新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求[6－8]。

為了激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新和主動設(shè)計的學(xué)習(xí)興趣，將大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目、全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、挑戰(zhàn)杯競賽及校企合作項目等與課程設(shè)計相結(jié)合，以學(xué)科競賽和項目任務(wù)為驅(qū)動，將競賽和項目內(nèi)容轉(zhuǎn)化為課程設(shè)計內(nèi)容，豐富課程設(shè)計題目，使課程設(shè)計題目由過去單一的減速器向多樣化的題目轉(zhuǎn)變，從過去教師命題設(shè)計向?qū)W生自主選題及教師命題相結(jié)合的方式轉(zhuǎn)變，將學(xué)生被動式轉(zhuǎn)變?yōu)轫椖框?qū)動的探究式學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供更自由的選擇和發(fā)展需求[9]。

隨著高鐵、風(fēng)電、機器人等新產(chǎn)品的發(fā)展，也可以將課程設(shè)計題目從一般用途的減速器改為高鐵、機器人及風(fēng)電使用的減速箱或者增速箱，使得學(xué)生對現(xiàn)有技術(shù)及現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品需求及設(shè)計要求有更深刻的理解。通過這種豐富、多樣化及與需求接軌的設(shè)計題目，提升學(xué)生的設(shè)計興趣和工程技術(shù)創(chuàng)新能力，形成對復(fù)雜工程的系統(tǒng)視野。

3 課程設(shè)計內(nèi)容

機械設(shè)計課程設(shè)計的內(nèi)容一般包含傳動裝置的總體設(shè)計、關(guān)鍵零部件的設(shè)計計算、總裝圖及零件圖的繪制以及設(shè)計說明書的編寫等。通過這些設(shè)計環(huán)節(jié)和內(nèi)容對所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識進行鞏固、加深和擴展。然而在設(shè)計的過程中，由于學(xué)生缺少工程知識訓(xùn)練、缺乏工程背景，導(dǎo)致學(xué)生在設(shè)計過程中，僅重視強度計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，沒有很好地考慮加工工藝及制造裝配精度等問題，使得學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計與實際的工程應(yīng)用很難銜接。因此為了培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，讓所學(xué)理論為工程設(shè)計更好的服務(wù)，以問題為導(dǎo)向，以繼承與創(chuàng)新為主要途徑，將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展，以及行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新需求引入教學(xué)過程，以產(chǎn)品 “構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行”的全生命周期為載體，更新機械設(shè)計課程設(shè)計內(nèi)容，增設(shè)三維建模仿真和模型制作等內(nèi)容，要求學(xué)生提交開題報告、設(shè)計報告及三維模型或者實物作品等；建立從理論學(xué)習(xí)、設(shè)計訓(xùn)練、動手實踐再到工程探究的課程設(shè)計教學(xué)鏈條，實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的交叉螺旋進行，使學(xué)生獲得有意義的綜合實踐體驗，通過主動實踐，形成未來工程師的綜合品質(zhì)和工程能力，使學(xué)生在知識、能力和素養(yǎng)三方面全面發(fā)展。

4 課程設(shè)計手段

目前，機械設(shè)計課程設(shè)計的任務(wù)為:一張裝配圖，兩張零件圖，一份計算說明書。大多數(shù)學(xué)生都是手工繪圖，也有少數(shù)學(xué)生用計算機繪圖，還有極個別的學(xué)生采用三維建模，但覆蓋面很少。這種傳統(tǒng)的設(shè)計手段很難滿足企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級、技術(shù)更新的需求。盡管學(xué)校個別專業(yè)模塊增設(shè)了CAD/CAM原理及有限元分析課程，但是現(xiàn)有的課程體系很難將所學(xué)工程設(shè)計方法、手段與實踐課程相融合。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，各種工程設(shè)計軟件已經(jīng)在各類企業(yè)中廣泛使用，計算機輔助設(shè)計與制造已成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計與制造的主要技術(shù)手段。為了與企業(yè)需求相融合，與企業(yè)的新技術(shù)新設(shè)計手段相接軌，基于現(xiàn)有的課程體系結(jié)構(gòu)，在機械設(shè)計課程設(shè)計中增設(shè)了三維建模、仿真與模型制作等內(nèi)容，強制學(xué)生采用現(xiàn)代化的工程設(shè)計手段(UG、Solidworks和ANSYS)完成課程設(shè)計。在課程設(shè)計的準(zhǔn)備階段，對于沒有學(xué)習(xí)過這些設(shè)計分析軟件的同學(xué)，可以集中培訓(xùn)10～16小時，教會學(xué)生基本的操作(建模、裝配及分析)，并在課程設(shè)計階段進一步學(xué)習(xí)、掌握其在工程設(shè)計中的應(yīng)用。在設(shè)計階段，鼓勵學(xué)生采用參數(shù)化的設(shè)計方法，建立智能數(shù)據(jù)庫，將機械工程技術(shù)與信息技術(shù)相融合，培養(yǎng)學(xué)生既具備科學(xué)與基礎(chǔ)理論修養(yǎng)，又能從多學(xué)科的視角進行產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計[10－12]。

5 加強師資隊伍建設(shè)

新工科背景下，課程設(shè)計的改革不僅僅對設(shè)計題目、設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計手段提出了新的要求，對師資隊伍也提出了新的要求。目前，很多青年教師缺乏工程背景，對企業(yè)存在的問題及需求、新技術(shù)、新業(yè)態(tài)了解甚微，在課程設(shè)計的指導(dǎo)過程中很難在材料選擇、結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計中啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新。因此，在教師的培養(yǎng)過程中，應(yīng)以問題和項目為導(dǎo)向，鼓勵教師去企業(yè)進行調(diào)研或者學(xué)習(xí)，了解新材料、新工藝及新結(jié)構(gòu)在高端裝備中的應(yīng)用，提升教師的工程實踐能力。在課程設(shè)計的過程中，啟發(fā)學(xué)生除了常用的材料外，可根據(jù)企業(yè)新的需求，選擇新材料；在考慮產(chǎn)品加工工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計時，也可以采用集成化、模塊化的結(jié)構(gòu)等，擴充學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。

6 教學(xué)效果

基于產(chǎn)教融合、科教結(jié)合和校企合作，依托于全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、挑戰(zhàn)杯競賽等項目，率先在2012級學(xué)生機械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)中實施新的教學(xué)改革。首先在全校機械類學(xué)生中公布大賽主題，并將教師的科研項目及企業(yè)需求與傳統(tǒng)的減速器設(shè)計題目相融合，匯總成可供學(xué)生選擇的設(shè)計題目，然后由學(xué)生自主選擇設(shè)計題目，極大地調(diào)動了學(xué)生的能動性和積極性。經(jīng)過三周的設(shè)計訓(xùn)練后，學(xué)生基本掌握了產(chǎn)品從方案—總體設(shè)計—結(jié)構(gòu)設(shè)計—技術(shù)文件編寫的全過程。新的課程設(shè)計教學(xué)過程培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)、創(chuàng)新能力和使用新技術(shù)的能力，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

7 結(jié)束語

機械設(shè)計課程設(shè)計改革是新工科背景下培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)和設(shè)計能力的內(nèi)在組成部分。適應(yīng)新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)需求，改革課程設(shè)計題目、內(nèi)容、手段，加強師資隊伍建設(shè)，以產(chǎn)品 “構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行”的全生命周期為載體，建立從理論學(xué)習(xí)、設(shè)計訓(xùn)練、動手實踐再到工程探究的課程設(shè)計教學(xué)鏈條，實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的交叉螺旋進行，建成能滿足企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級及行業(yè)需求的實踐課程。

[1]陸國棟.“新工科”建設(shè)的五個突破與初步探索[J].中國大學(xué)教學(xué)，2017(5):38－41.

[2]李培根.工科何以而新[J].高等工程教育研究，2017(4):1－4.

[3]任玉燦，馬軼群，張永清，等.機械創(chuàng)新設(shè)計與機械設(shè)計課程設(shè)計銜接式教學(xué)方法初探[J].科技論壇，2016(17):160－161.

[4]李天箭，丁曉紅.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育在機械設(shè)計課程設(shè)計環(huán)節(jié)中的探索實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33(4):22－24.

[5]劉好潔，張燕燕，康紅偉，等.基于學(xué)生角度的機械設(shè)計課程設(shè)計的學(xué)習(xí)與探討[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2015， 13(2):216－218.

[6]黃曉玫，李鴻飛，黃濤.強化培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2014，31(2):1－3， 8.

[7]張忠福.建立以能力培養(yǎng)為中心的實踐教學(xué)體系[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28(2):11－14.

[8]尹凝霞，李廣慧.機械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)改革初探[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，9(2):120－121， 128.

[9]石云霞，王新華，陳彩鳳.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機械設(shè)計課程設(shè)計改革探索[J].科技資訊，2016(30):91－92.

[10]張燕燕，康紅偉.《機械設(shè)計課程設(shè)計》教學(xué)改革的實踐與探索[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2014，12(3):101－103.

[11]陳愛華.實驗教學(xué)體系改革探索與實踐[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2012，10(3):54－55.

[12]房海蓉，方躍法.談機械原理實踐教學(xué)改革對學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2003，2(3):63－66.