面向創(chuàng)新社會的精密機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)實(shí)踐課程改革

陳小強(qiáng)

摘要：我國把建設(shè)創(chuàng)新型國家作為面向未來的重大戰(zhàn)略選擇，以創(chuàng)造為基本特征的工程技術(shù)和以培養(yǎng)工程師為基本目標(biāo)的工程教育成為實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)的先鋒。精密機(jī)械設(shè)計課程改革要圍繞測控儀器特點(diǎn)，緊扣工程實(shí)踐，以具有現(xiàn)代設(shè)計特征的設(shè)計題目改革為基礎(chǔ)，通過設(shè)計牽引、自主學(xué)習(xí)為主線，注重現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，注重工程實(shí)踐能力與再學(xué)習(xí)能力，強(qiáng)調(diào)設(shè)計規(guī)律的學(xué)習(xí)與能力素質(zhì)的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)實(shí)踐與工程實(shí)踐的結(jié)合，并利用VR技術(shù)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與設(shè)計能力，輔之課程實(shí)踐組織形式和成績評定方法的改革，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新;設(shè)計題目改革;設(shè)計實(shí)踐牽引;全面能力與素質(zhì)培養(yǎng)

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）52-0103-02

我國把建設(shè)創(chuàng)新型國家作為面向未來的重大戰(zhàn)略選擇，以創(chuàng)造為基本特征的工程技術(shù)和以培養(yǎng)工程師為基本目標(biāo)的工程教育理應(yīng)成為實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)的先鋒[1]。然而，我國大學(xué)教育普遍存在課程目標(biāo)脫離工業(yè)需要、課程內(nèi)容偏離工程實(shí)踐、學(xué)生學(xué)習(xí)游離中心地位[2]的情況，迫切需要改革，以適應(yīng)國家轉(zhuǎn)型升級的戰(zhàn)略需要。

一、精密機(jī)械設(shè)計課程改革的必要性

（一）精密機(jī)械在現(xiàn)代測控技術(shù)及儀器中具有重要作用

測控儀器作為信息獲取、變送、傳輸、處理和控制的光機(jī)電一體化裝置，精密機(jī)械裝置與結(jié)構(gòu)仍是測控儀器的基礎(chǔ)。精密機(jī)械也廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和各種科學(xué)儀器、精密機(jī)床、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人及伺服系統(tǒng)等。因此精密機(jī)械系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量直接影響其性能指標(biāo)、工作可靠性和穩(wěn)定性。精密機(jī)械質(zhì)量與測控儀器的總體性能、質(zhì)量息息相關(guān)。

（二）設(shè)計題目專業(yè)特色不突出，學(xué)習(xí)積極性不高，實(shí)踐過程流于形式

以學(xué)生為中心，通過學(xué)生的設(shè)計實(shí)踐，將前修課程知識綜合運(yùn)用于設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、繪圖，完成設(shè)計題目，是學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計方法與一般規(guī)律、提高能力與素質(zhì)以及獨(dú)立工作能力與思維眼界的重要教學(xué)活動。但減速器設(shè)計題目已用多年，設(shè)計資料與專業(yè)背景和專業(yè)綜合設(shè)計脫節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，流程學(xué)習(xí)、迭代設(shè)計流于形式，學(xué)習(xí)收獲不多。

（三）不注重現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械照搬設(shè)計過程，缺乏工程實(shí)踐能力與再學(xué)習(xí)能力

課程要求學(xué)生2周內(nèi)完成減速器總體、電動機(jī)、傳動、零件的設(shè)計與計算并畫圖。然而，學(xué)生往往選取相似案例參數(shù)，按有效功率P解決零件的強(qiáng)度設(shè)計問題，脫離工程實(shí)踐。同時，結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容盲目地抄圖冊，缺乏對零件的理解和認(rèn)識，忽略零件的細(xì)節(jié)設(shè)計，忽略海量的信息資源對學(xué)生模仿、啟迪與提高的促進(jìn)作用。雖然學(xué)生完成了課程設(shè)計，但仍達(dá)不到掌握機(jī)械設(shè)計一般步驟和方法的初衷，這嚴(yán)重影響課程設(shè)計的質(zhì)量和效果，限制了學(xué)生的創(chuàng)造力。

二、調(diào)整設(shè)計題目，切實(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計規(guī)律的學(xué)習(xí)與能力素質(zhì)的培養(yǎng)

在測控系統(tǒng)中，精密機(jī)械作為各部分協(xié)調(diào)的集成系統(tǒng)，從功能上分，一類是結(jié)構(gòu)設(shè)計，另一類是運(yùn)動裝置的設(shè)計，因此把二維高精度機(jī)械滑臺作為學(xué)生課程設(shè)計題目，涵蓋精密機(jī)械設(shè)計教程的傳動、導(dǎo)軌、支撐及有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計，也包括教程沒有而工程實(shí)踐中必須掌握的原理、運(yùn)動、動力學(xué)及步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計。其設(shè)計實(shí)現(xiàn)過程需要不斷迭代才能最終得出正確的結(jié)果，因此題目更符合工程實(shí)踐規(guī)律，與測控專業(yè)更適應(yīng)。

（一）以任務(wù)為牽引，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，突出能力培養(yǎng)

通過課程實(shí)踐，學(xué)生能樹立正確的設(shè)計思想，培養(yǎng)綜合運(yùn)用精密機(jī)械課程及其他先修課程理論與工程實(shí)際知識，以及分析、比較、選擇機(jī)械裝置的能力，借此獲得相應(yīng)的思維方式，使學(xué)生具有專業(yè)知識的再學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力。這一直是大家思考的問題，也是不斷進(jìn)行教學(xué)方案與方法改進(jìn)的動力。為此，調(diào)整設(shè)計題目，改變課程模式，將原課程傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)性手工設(shè)計，學(xué)生照搬指導(dǎo)書、教師講解，學(xué)生機(jī)械模仿設(shè)計實(shí)踐，改為由任務(wù)書提出要求，學(xué)生由任務(wù)牽引，在必要的資料輔助下，教師給予必要的節(jié)點(diǎn)啟發(fā)式指導(dǎo)，由學(xué)生自我規(guī)劃任務(wù)計劃，完成資料的收集、學(xué)習(xí)、分析、比較，完成計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程圖繪制，完成速度、精度校核，達(dá)成任務(wù)書要求，由此獲得能力提高。

（二）系統(tǒng)設(shè)計思想、現(xiàn)代設(shè)計軟件的應(yīng)用，縮短學(xué)習(xí)實(shí)踐與工程實(shí)踐的距離

對于設(shè)計響應(yīng)速度快、運(yùn)動速度與定位精度要求高的精密數(shù)控滑臺，沿用傳統(tǒng)設(shè)計方法，按靜剛度、強(qiáng)度設(shè)計傳動及元件，不能保證系統(tǒng)的動態(tài)精度與強(qiáng)度問題，也很難真正實(shí)現(xiàn)正確的迭代設(shè)計[3]。為此，我們要求學(xué)生首先研究運(yùn)動與精度、響應(yīng)速度、行程、荷載的關(guān)系，分析裝置的運(yùn)動、慣性、控制、傳動、步距角與轉(zhuǎn)矩的誤差，啟發(fā)學(xué)生以精度為切入點(diǎn)進(jìn)行精度設(shè)計，然后進(jìn)行電機(jī)、傳動、支撐設(shè)計計算及直線運(yùn)動導(dǎo)軌、工作臺、底座、行程控制設(shè)計;強(qiáng)調(diào)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，收集現(xiàn)代零部組件資料，并通過這些資料的學(xué)習(xí)、分析、比較用于設(shè)計實(shí)踐;要求用SLIDWORK完成裝配體建模與工程圖，Simulation和Motion完成關(guān)鍵零部件的應(yīng)力、變形分析及裝置的運(yùn)動檢測，學(xué)習(xí)通過裝配模型運(yùn)動仿真與動力學(xué)仿真實(shí)現(xiàn)迭代設(shè)計。

（三）開發(fā)二維機(jī)械滑臺Unity課件，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與設(shè)計能力

近年來，VR在虛擬教學(xué)中得到廣泛運(yùn)用，其完美的光影效果生動表現(xiàn)教學(xué)概念與體現(xiàn)建構(gòu)主義思想。這些優(yōu)點(diǎn)促使我們開發(fā)了基于Unity平臺的二維機(jī)械滑臺VR課件，并將其應(yīng)用在課程中。課件為學(xué)生設(shè)置情境，以學(xué)生為中心，生動逼真表現(xiàn)滑臺各零部組件的裝配關(guān)系、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、傳動剛度、加速度與荷載、阻尼振動與精度應(yīng)力與應(yīng)變等理論問題和結(jié)構(gòu)問題，學(xué)生通過學(xué)習(xí)體驗(yàn)獲得滑臺知識。

三、改革課程實(shí)踐組織形式，完善成績評定方法，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展

原由一人完成的設(shè)計，我們調(diào)整為3名學(xué)生組成小組來承擔(dān)，同時增加有限元分析與動力學(xué)仿真。小組須有任務(wù)分工、計劃工作節(jié)點(diǎn)、交互原則安排，工作才能進(jìn)行。成績分為優(yōu)、良、中、及格與不及格，由成果質(zhì)量、答辯成績、平時成績（設(shè)計紀(jì)律、工作態(tài)度、團(tuán)隊合作精神）三項(xiàng)共同構(gòu)成。其中，成績主要考查計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計、圖面表達(dá)與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)用、說明書的質(zhì)量;平時成績強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)態(tài)度，鼓勵嚴(yán)謹(jǐn)、踏實(shí)、敢于創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)協(xié)作，強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)是求實(shí)的自我評價與小組成員的互評?？傊?，將成績評定作為促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展的重要手段。

四、結(jié)束語

我國把建設(shè)創(chuàng)新型國家作為面向未來的重大戰(zhàn)略選擇。課程改革必須適應(yīng)創(chuàng)新社會人才培養(yǎng)的需要，通過具有適應(yīng)測控儀器精密機(jī)械專業(yè)需求和現(xiàn)代設(shè)計特點(diǎn)的設(shè)計題目改革，以學(xué)生為中心，由任務(wù)牽引，基于系統(tǒng)設(shè)計思想、現(xiàn)代設(shè)計軟件與信息技術(shù)的學(xué)習(xí)應(yīng)用，縮短學(xué)習(xí)實(shí)踐與工程實(shí)踐的距離，注重工程實(shí)踐能力與再學(xué)習(xí)能力的學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)設(shè)計規(guī)律的學(xué)習(xí)與能力素質(zhì)的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)實(shí)踐與工程實(shí)踐的結(jié)合，并利用VR技術(shù)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與設(shè)計能力，輔之課程實(shí)踐組織形式和成績評定方法的改革，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔軍.回歸工程實(shí)踐：我國高等工程教育課程改革研究[D].南京大學(xué)，2011.11

[2]陸小華.工程創(chuàng)新能力的認(rèn)識和培養(yǎng)方法[J].高等工程教育研究，2008，（2）：14-18.

[3]Robert.Norton.Machine Design[M].US：Pearson Education Asia Ltd.2016（v）.