淺析“機械設計基礎”課程教學改革

段紅燕 劉洪芹 李朝暉 何貴平

[摘 要]“機械設計基礎”是機械類專業(yè)的一門基礎專業(yè)技術課，是后續(xù)專業(yè)課程的良好鋪墊，更是機械工程技術人員在生產實踐中必備的基本技能。從課程設計和畢業(yè)設計這兩個方面分析了當前機械設計基礎教學中存在的問題，針對這些問題研究了在課外實施機械創(chuàng)意設計大賽項目的教學方法改革，并加以實踐。通過一個案例說明實施該教學改革后，學生的創(chuàng)新設計能力和工程設計能力得到較大的提高。

[關鍵詞]機械設計;創(chuàng)意設計;大賽項目

[基金項目]蘭州理工大學高等研究項目“以‘多維創(chuàng)新為目標的機械類大學生學科競賽教學改革路徑探索與實踐”（GJ2019C-52）

[作者簡介]段紅燕（1977—），女，河北邯鄲人，博士，蘭州理工大學機電工程學院副教授，主要從事結構疲勞強度與工業(yè)機器人技術及應用研究;劉洪芹（1971—），女，山東高唐人，碩士，蘭州理工大學機電工程學院講師，主要從事機械工程研究與應用研究;李朝暉（1970—），男，甘肅天水人，本科，蘭州理工大學機電工程學院講師，主要從事機構設計與風力機技術研究。

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2020）45-0-03 [收稿日期] 2020-06-05

“機械設計基礎”是工科院校機械類及近機械類專業(yè)的一門專業(yè)基礎技術課，它在機械工程專業(yè)學生的學習過程中起著承前啟后的作用。課程學習所奠定的機械理論基礎是機械工程專業(yè)學生終身學習使用的學術創(chuàng)新和技術變革的動力。[1]本課程講授與工程實踐密切相關的機械理論知識、思維和方法[2，3]。由于對一些工程實踐知識缺乏深度認識，傳統(tǒng)的教學模式又重理論輕實踐[4]，在學習過程中，學生產生了理論與實踐的距離感，理論知識的無用感，導致學生缺乏扎實的專業(yè)知識，培養(yǎng)的專業(yè)人才不能得到社會實踐單位和工程師資質的認可。因此，探索機械設計基礎課程的教學規(guī)律，進行課程改革迫在眉睫。這也是改變教育理念，改變傳統(tǒng)的以課程教學為產出的必經之路。

一、學生工程設計現(xiàn)狀

根據教學計劃的要求，工科學生應完成兩種形式的工程設計：課程設計和畢業(yè)設計。

（一）課程設計

工科院校為每個重要的專業(yè)課程都做了相對精準的設計。我校機械設計基礎與機械設計課程都是設計兩級減速器，設備設計課程設計是夾具設計，液壓傳動課程設計是液壓回路的設計。這些課程設計的最終實施方式是繪制整套圖紙（包括裝配圖和零件圖）。最基本的要求是合理結構，正確圖紙，潤滑可行，零件尺寸、公差和技術要求標記清楚合理可行。目前，大部分高校的機械設計基礎學時僅為60學時左右，有的高校甚至更少。面對目前的這種情況課程設計中，很難達到上述要求。相當一部分學生的結構裝配圖繪制得很勉強，正確標注和制作工藝卡更是困難。后果就是：學生為了完成設計任務，只能抄書，不能正確合理的使用運算結果去設計繪制圖紙。

（二）畢業(yè)設計

工科院校實踐性教學環(huán)節(jié)最為重要的就是畢業(yè)設計，是學生畢業(yè)前夕總結性地獨立作業(yè)，綜合運用所學理論、知識和技能，提高學生獨立工作能力，增強創(chuàng)新意識，是培養(yǎng)學生解決實際問題能力的重要途徑。通過對學生以往多年來的畢業(yè)設計的分析，主要存在以下問題。

1.確定畢業(yè)設計課題后，進入課題的時間較長。畢業(yè)設計的題目來源于實際工程，學生對工程背景了解甚少，致使確定設計方案的時間較長;如何用工程語言精準表達;圖紙繪制相對困難等。導致方案出不來，后續(xù)工作無法再正常開展。

2.創(chuàng)新意識不強。由于遲遲確定不了設計方案，再加上畢業(yè)設計時間緊張，教師不得不“填鴨式”教學。教師在指導過程中，不由自主地把自己的設計理念和思路傳遞給學生，學生習慣性地接受，致使學生的創(chuàng)新意識淡薄。

3.畢業(yè)實習環(huán)節(jié)沒有起作用。確定畢業(yè)設計課題后，學生們需要去一些工廠進行考察。他們不能完全理解制造商提供的工藝圖紙。裝配圖上表達的結構原理和裝配線只能大致理解。究其原因，在高校制圖教學中，裝配圖教學相對簡單，加上學生的工程實踐較少，知識面比較窄，對于復雜的機器裝配圖看起來吃力，識圖能力較差。

4.圖紙的正確表達和標注存在問題。零件圖與裝配圖不一致，因為零件圖中表達的內容與裝配圖無關。有些學生隨意標注公差，特別是零件圖上的公差要求與裝配圖上的公差要求不符。撰寫技術要求時，不清楚裝配圖和零件圖的技術要求表達重點。

二、機械設計基礎教學存在的問題分析

作為機械設計專業(yè)的一門基礎課程，在教學中應反思存在的問題，歸納為以下幾點。

1.機械設計基礎講授內容與工程實際應用存在很大差距。機械設計依據，是根據機械的工作原理、結構、運動、力和能量傳遞方式的要求，各部件的材質、形狀和尺寸，潤滑方法的概念、分析和計算，并將其轉化為具體的描述，作為制造工作過程的依據。陳舊的授課內容，在實際的工程設計實踐中很少用到。工程實際重在機構的設計而非分析。學生把桿件、齒輪、凸輪和它們的組合理解為機構，對其進行結構分析、運動分析、力分析等，但在實際的工程應用中，用到的機構大都是傳統(tǒng)機構的改進，學生對于實際的機械產品沒有感性認識，所以，應補充一些與工程應用聯(lián)系較緊密的或學科前沿知識。

2.機械設計基礎的各章節(jié)之間比較獨立，與其他課程結合少，綜合性不強，對學生工程實際能力的培養(yǎng)不夠。機械設計基礎理論章節(jié)的各章節(jié)之間比較獨立，大都是理論力學內容的延伸，與機械類的課程結合較少，現(xiàn)代創(chuàng)新機構和現(xiàn)代優(yōu)化設計工具很少涉及，與實際產品設計存在較大差距。

3.考核制度不完善。機械設計基礎課程的考核形式以閉卷為主，幾乎都是對理論知識的考核，不利于對學生工程實際能力的培養(yǎng)。

以上問題的存在，使得機械設計基礎教學不能與時俱進，導致一定程度上的理論脫離實際、教學枯燥、學習熱情減退、教學質量下降。

三、機器創(chuàng)意設計大賽與機械設計基礎教學

針對機械設計基礎教學中存在的上述問題，開展機械設計基礎教學的改革、研究和實踐。在教學過程中，讓學生通過課余時間完成作業(yè)，并鼓勵參加機器創(chuàng)意設計大賽，經層層選拔，直至參加全國性的機械創(chuàng)新設計大賽和全國“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練挑戰(zhàn)賽”等。在課程的第一堂課即布置大作業(yè)，提出要求，讓學生明確任務，比如：要完成機器的機械結構和控制硬件，并編寫控制程序，其中包括功能分析、運動學與動力學計算、電控圖和程序等。

教師根據每屆的大賽主題制定題目，也可以由學生自主選題，教師進行指導。學生則自愿組合，以4～5人為一組完成這項大作業(yè)。通過這樣的活動實施，迫使學生理論聯(lián)系實際，帶著問題去學習，激發(fā)學生對機械設計基礎課程及科創(chuàng)活動的興趣。教育理論家已經明確指出，“讓學生在體驗和創(chuàng)造的過程中學習是最有效的學習方法”[5]。在完成作業(yè)的過程中，會出現(xiàn)具體的問題需要學生解決。通過解決問題的過程體驗，可以激發(fā)學生自主學習的積極性，提高學習興趣。探索解決問題的方法，可以激發(fā)學生的創(chuàng)造熱情和創(chuàng)新能力。

近年來，通過對競賽難度和內容的不斷改革，以及對學生的艱苦指導，涌現(xiàn)出了許多優(yōu)秀作品：如學生制作的多功能行走輪椅車獲得甘肅省第六屆挑戰(zhàn)杯一等獎，自制車模在第八屆全國大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽中獲得全國總決賽二等獎，舞蹈機器人在“中國機器人大賽暨RoboCup公開賽”舞蹈機器人大學組競賽中獲得一等獎等，這些好成績是在機械設計基礎教學中引入機器創(chuàng)意設計大賽項目完成的，學生對參與競賽和創(chuàng)新設計的興趣濃厚，使他們對學習機械設計基礎課的熱情越來越高，大大提高了他們的綜合科技制作能力。

四、具體案例分析—升降移動式護理輪椅車的設計

下面以升降移動式護理輪椅車（該產品申請了國家發(fā)明專利）為例，在機械設計基礎課程教學中引入機械創(chuàng)新設計競賽，促進了教學的發(fā)展，提高了學生的創(chuàng)新能力。在學習了連桿機構及其優(yōu)化設計后，項目組學生通過市場調研，確立了對現(xiàn)有輪椅車進行優(yōu)化改進的目標。

該產品的設計背景是：目前市場上提供的輪椅，主要功能是為殘疾人解決行走問題，而且結構簡單。然而，如何解決將殘疾患者從床上移到輪椅上或從輪椅移到床上的問題，是殘疾人或行動困難患者護理中的難點。由于殘疾人或偏癱患者沒有自理能力，他們經常需要兩個或更多的人來解決上下輪椅的問題。

該產品的創(chuàng)新之處在于使用螺旋機構和四桿機構，輪椅的高度可以根據患者的需要進行調整。它可以放下輪椅，通過椅面、椅背和輔助導軌形成擔架式雙軌移動機構，方便患者上下輪椅。升降移動式護理輪椅車的結構造型圖如圖1所示，升降移動式護理輪椅車原理圖如圖2所示，升降移動式護理輪椅車的工作狀態(tài)示意圖如圖3所示。

1.前導向輪;2.前導向輪鎖緊機構;3.腳踏板;4.大車輪鎖緊裝置;5.升降機構;6.坐墊平移機構;7.座椅;8.扶手;9.靠背;10.靠背角度調節(jié)機構;11.大車輪及手輪;12.座椅平移機構;13.輪椅支架。

機械設計基礎課程教學的幾部分知識：螺旋機構、四桿機構、機構優(yōu)化設計與機械系統(tǒng)設計，以上是該機械產品的運用制作技術。一個好的作品就是一堂生動的機械原理課。對于學生來說，參與該產品的設計和生產，不僅可以鞏固和提高機械設計的基礎知識，還可對其他相關的專業(yè)課程進一步學習，理論知識與實踐應用相結合，可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、實踐能力、團隊協(xié)作能力及寫作能力也得到鍛煉。

五、結語

本文從課程設計和畢業(yè)設計兩個方面分析了機械設計基礎教學中存在的問題。例如，現(xiàn)有的教學方法多注重專業(yè)基礎知識，缺乏創(chuàng)新設計思維和實踐應用能力。淺析機械創(chuàng)新設計競賽項目的教學方法改革在專業(yè)課程教學中的應用。學生通過參與諸如此類的大賽項目的制作，“機械設計基礎”課程所講授的各類普通機構在實物生產中靈活運用，因此綜合能力也會提升。

在當前形勢下，為更好地培養(yǎng)高素質專業(yè)技術人才，提高綜合技能。機械設計基礎教學模式和教學內容都需要進行課程教學改革。在機械設計基礎教學中引入機器創(chuàng)意設計大賽項目，對于提高機械設計基礎教學效果和提升學生創(chuàng)新能力大有好處，該教學方法值得推廣。

參考文獻

[1]張毅杰，施杰，孔令瓊.面向新工科機械設計基礎課程體系的DTPC教學模式研究[J].農業(yè)教育研究，2019（2）：30-34.

[2]于靖軍，郭衛(wèi)東，陳殿生.面向工程教育的STEP教學模式[J]. 高等工程教育研究，2017（4）：73-77.

[3]邊宇樞，楊洋，郭衛(wèi)東.機械設計綜合實踐課教學改革探索與實踐[J].大學教育，2018（1）：44-46.

[4]徐春明，周艷，孫瑛，等.基于“卓越計劃”的《機械設計基礎》實驗教學改革探索[J].教育教學論壇，2019（5）：269-272.

[5]張堯成，楊莉，戴軍.應用技術型大學《機械設計基礎》課程改革淺談[J].課程教育研究，2015（2）：226-227.

Analysis on the Teaching Reform of "Fundamentals of Mechanical Design"：

Taking Machine Creative Design Contest as an Example

DUAN Hong-yan， LIU Hong-qin， LI Zhao-hui， HE Gui-ping

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Lanzhou University of Technology，

Lanzhou， Gansu 730050， China）

Abstract： Fundamentals of Mechanical Design is a basic professional technology course for machine related majors， which is not only a good follow-up course but also provides necessary practical techniques for Chinese technical personnel of mechanical engineering. This article analyses the existing problems of this course from two aspects including course design and graduation project. In terms of addressing the potential existing problems， the participation of Machine Creative Design Contest may play a crucial role in teaching reform. This article studies a case， which illustrates that students' innovative design and engineering design ability are greatly improved after the implementation of the teaching reform.

Key words： mechanical design; creative design; competition project