基于任務(wù)驅(qū)動的機械綜合設(shè)計能力培養(yǎng)

摘 ?要：隨著科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速，人才競爭日益激烈，作為新工科重要專業(yè)改革項目中的機械類工程人才培養(yǎng)的需求更加迫切。以設(shè)計為主線、注重綜合和設(shè)計能力培養(yǎng)的機械設(shè)計類課程，在構(gòu)建本科生專業(yè)知識的完整體系結(jié)構(gòu)中占有重要地位。本文在分析機械設(shè)計類教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基于任務(wù)驅(qū)動的機械綜合設(shè)計能力培養(yǎng)嘗試，從設(shè)計任務(wù)導(dǎo)向入手，將機械設(shè)計理論教學(xué)與實踐教學(xué)有機融合，在加強基礎(chǔ)設(shè)計理論學(xué)習(xí)的同時緊密結(jié)合工程問題的解決需求，在工程設(shè)計任務(wù)實現(xiàn)的過程中綜合所學(xué)理論和技能，開展工程設(shè)計能力的培養(yǎng)。結(jié)果表明該方法有利于激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)和提升機械綜合設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞：任務(wù)驅(qū)動;機械設(shè)計;本科教學(xué);工程教育

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

概述

在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速、綜合國力競爭愈加激烈的大背景下，人才的作用舉足輕重、競爭日益激烈，要能夠在世界經(jīng)濟政治復(fù)雜的變化中不斷發(fā)展進(jìn)步，工程教育起著重要的作用?？萍己彤a(chǎn)業(yè)的變革，使得工程教育不僅面臨構(gòu)建工科人才培養(yǎng)新體系、模式的要求，同時面對需要推出工科人才培養(yǎng)新理念、高質(zhì)量的挑戰(zhàn)。制造業(yè)作為國民經(jīng)濟重要的基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)，對產(chǎn)業(yè)人才的需求更為迫切，機械類專業(yè)作為一個涉及面眾多的基礎(chǔ)學(xué)科，為機械工程、動力工程、航空航天等提供基礎(chǔ)，被列為新工科19個專業(yè)改革項目中，機械類人才培養(yǎng)對于新工科建設(shè)和滿足產(chǎn)業(yè)需求有著非常重要的影響。訓(xùn)練和培養(yǎng)具備分析、解決工程實際問題能力和創(chuàng)新意識的人才，是機械類工程教育的重要任務(wù)。

1.機械設(shè)計類課程特點

從產(chǎn)業(yè)市場和機械專業(yè)本科人才能力認(rèn)證的要求來看，機械類人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容是要培養(yǎng)學(xué)生掌握一定的工程專業(yè)知識，能夠針對較為復(fù)雜的機械工程問題進(jìn)行分析研究、方案設(shè)計、工程設(shè)計，能夠在設(shè)計過程中開發(fā)運用現(xiàn)代設(shè)計軟件、工具等完成機械系統(tǒng)設(shè)計，同時具備一定的創(chuàng)新精神。

機械設(shè)計類課程是機械類專業(yè)本科教育中重要的基礎(chǔ)理論教學(xué)和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，國內(nèi)工科學(xué)校的這類課程基本上是以《機械設(shè)計》和《機械設(shè)計課程設(shè)計》為主。課程的特點是以設(shè)計為主線、注重綜合，與實際問題結(jié)合緊密，在設(shè)計和創(chuàng)新能力培養(yǎng)上具有明顯的優(yōu)勢。在理論課程中系統(tǒng)學(xué)習(xí)機械零部件設(shè)計基礎(chǔ)知識、基礎(chǔ)理論，在實踐環(huán)節(jié)注重綜合知識運用能力和設(shè)計技能的培養(yǎng)。

課程理論與實踐結(jié)合在提升學(xué)生機械設(shè)計能力與工程綜合素質(zhì)，構(gòu)建其專業(yè)知識的完整體系結(jié)構(gòu)中占有重要地位。對于學(xué)生形成正確的設(shè)計思想、掌握機械設(shè)計方法、培養(yǎng)綜合設(shè)計能力起著舉足輕重的作用。如何在打穩(wěn)根基的同時激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，使得創(chuàng)新思維培養(yǎng)和設(shè)計能力提升齊頭并進(jìn)，是機械設(shè)計類課程建設(shè)和改革的關(guān)鍵。

2.任務(wù)驅(qū)動的機械綜合設(shè)計能力培養(yǎng)思路

2.1現(xiàn)狀和問題

傳統(tǒng)的工科本科機械設(shè)計類教學(xué)過程中，《機械設(shè)計》和《機械設(shè)計課程設(shè)計》是兩門獨立的課程，《機械設(shè)計》主要針對設(shè)計基本理論和方法進(jìn)行理論知識教學(xué)，重點學(xué)習(xí)通用機械零部件的基本知識和主要設(shè)計方法，《課程設(shè)計》進(jìn)行設(shè)計實踐教學(xué)，完成中等復(fù)雜程度的機械傳動裝置的設(shè)計。

目前教學(xué)過程中存在的問題主要表現(xiàn)在兩個方面：

1）學(xué)生工程意識弱。受以往學(xué)習(xí)經(jīng)歷、方法和教育教學(xué)理念的影響，近些年來本科學(xué)生的工程意識普遍偏弱，對工程問題認(rèn)識欠缺。絕大部分學(xué)生沒有或很少接觸、關(guān)注工程設(shè)備設(shè)施，對生活中常見的機器、設(shè)備中的機械系統(tǒng)也了解甚少，工程實際需求和思維方式急需加強引導(dǎo);

2）兩門課程在內(nèi)容和方法上相關(guān)性高，分別開展教學(xué)活動使得學(xué)生在兩個階段的學(xué)習(xí)中存在對學(xué)習(xí)對象認(rèn)識不清、方法不能靈活應(yīng)用，基礎(chǔ)知識不扎實，應(yīng)用中技術(shù)過程和工藝方法不熟悉等問題，影響設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計能力的培養(yǎng)和提升。這種設(shè)置方式主要是基于歷史傳統(tǒng)，相比于歐美的機械工程類專業(yè)，在課程的設(shè)置和內(nèi)容方面，存在著較大的不同。

2.2任務(wù)驅(qū)動機械設(shè)計綜合設(shè)計能力培養(yǎng)思路

任務(wù)驅(qū)動下的機械設(shè)計綜合設(shè)計能力培養(yǎng)，是以目前機械設(shè)計課程和機械設(shè)計課程設(shè)計為基礎(chǔ)和依托，探索理論與實踐的進(jìn)一步有機融合的教學(xué)方式，在掌握基礎(chǔ)知識的同時，加強綜合運用和設(shè)計能力的培養(yǎng)。主要的思路是：

從設(shè)計任務(wù)導(dǎo)向入手，由任務(wù)需求出發(fā)，分析明確設(shè)計任務(wù)要求，帶著問題開展學(xué)習(xí)和設(shè)計工作;在加強基礎(chǔ)設(shè)計理論學(xué)習(xí)的同時緊密結(jié)合工程問題的解決方法的探索，在工程設(shè)計任務(wù)實現(xiàn)的過程中及時綜合、靈活運用所學(xué)理論和技能，完成設(shè)計工作;熟悉工程設(shè)計各階段的特點，強化工程設(shè)計的能力培養(yǎng)。搭建引導(dǎo)、鼓勵、自主進(jìn)取的教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生能夠掌握設(shè)計理論及方法，有效針對工程實踐中所遇到的設(shè)計問題進(jìn)行分析并解決問題，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和成就感，有效提升學(xué)習(xí)效果。

采取的主要技術(shù)路線為：

1）選擇工程設(shè)計問題，分析確定機械系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)要求;重點引導(dǎo)分析設(shè)計對象、應(yīng)用環(huán)境條件、主要技術(shù)指標(biāo)，從使用者的角度去分析問題，體會需求。

2）分組選擇設(shè)計任務(wù)要求，進(jìn)行針對設(shè)計任務(wù)的方案選擇和設(shè)計;從機械系統(tǒng)的基本組成出發(fā)，提出可行性的方案，分析確定。

3）在機械基礎(chǔ)零部件設(shè)計理論和方法學(xué)習(xí)過程中，針對設(shè)計系統(tǒng)方案中所確定的主要零部件進(jìn)行設(shè)計和計算，保證可靠的工作能力。

4）應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計工具，進(jìn)行主要零部件設(shè)計;包括非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)件的選型，設(shè)計中應(yīng)特別注意零部件之間的裝配接口設(shè)計和匹配關(guān)系。

5）機械系統(tǒng)整體裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配過程中出現(xiàn)問題的調(diào)整和改進(jìn)，零部件設(shè)計的修改和完善。

6）設(shè)計文檔編寫及結(jié)果完成。

3.培養(yǎng)實踐示例

設(shè)計任務(wù)：專用半自動三軸鉆床鉆頭驅(qū)動裝置設(shè)計

基本任務(wù)描述：此裝置為專用半自動鉆床中的鉆頭工作部分。三個鉆頭以相同的切削速度做切削主運動，切削孔位置呈三角形布置，工件幾何尺寸、切削過程中工作載荷、工作條件等詳細(xì)設(shè)計要求參數(shù)見參考文獻(xiàn)[3]（第三部分設(shè)計任務(wù)七）。因篇幅所限，本文重點給出設(shè)計結(jié)果，詳細(xì)設(shè)計過程及計算分析內(nèi)容略。

4.結(jié)論

工程機械類本科人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)之一是要培養(yǎng)能夠針對復(fù)雜的機械工程問題進(jìn)行分析研究、運用基礎(chǔ)知識、設(shè)計工具實現(xiàn)工程設(shè)計的能力，機械設(shè)計類課程是設(shè)計能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。從設(shè)計任務(wù)導(dǎo)向入手，將機械設(shè)計理論教學(xué)與實踐教學(xué)有機融合，在加強基礎(chǔ)設(shè)計理論學(xué)習(xí)的同時緊密結(jié)合工程問題的解決，在工程設(shè)計任務(wù)實現(xiàn)的過程中綜合所學(xué)理論和技能，實現(xiàn)工程設(shè)計能力的培養(yǎng)。從方案構(gòu)思、分析計算、設(shè)計實現(xiàn)的完整設(shè)計過程的學(xué)習(xí)和工作實踐，有利于學(xué)生掌握設(shè)計基礎(chǔ)知識、有目的和針對性的進(jìn)行知識學(xué)習(xí)和靈活綜合運用，有效的培養(yǎng)和提升機械綜合設(shè)計能力。同時針對工程實踐中的設(shè)計問題進(jìn)行分析并解決問題的教學(xué)思路，有利于建立創(chuàng)新、引導(dǎo)、鼓勵學(xué)生自主進(jìn)取的教學(xué)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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[3] ?王之櫟、王大康，機械設(shè)計綜合課程設(shè)計[M]，機械工業(yè)出版社，2007.8

[4] ?朱立達(dá)、鞏亞東、于天彪 ，新工科視域下機械類創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索與思考[J]，高教學(xué)刊，2020（15），31-36

[5] ?王玲玲、富立、胡曉光、段海濱，工程項目及問題驅(qū)動的導(dǎo)航方向?qū)嵺`課程教學(xué)探討[J]，實驗室研究與探索，2018，（6）.153-157

作者簡介：馬綱，北京航空航天大學(xué)機械學(xué)院機械設(shè)計系，副教授。