面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)改革研究

劉志強(qiáng) 胡朝斌

[摘? ? ? ? ? ?要]? 隨著機(jī)械類專業(yè)越來(lái)越多參與工程教育專業(yè)認(rèn)證，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程被眾多專業(yè)設(shè)置為必修專業(yè)基礎(chǔ)課。然而，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的教學(xué)設(shè)置重點(diǎn)是機(jī)構(gòu)組成與運(yùn)動(dòng)原理、機(jī)械受力分析、機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)等，偏重于機(jī)械的尺寸幾何設(shè)計(jì)與力學(xué)分析的內(nèi)容。這對(duì)機(jī)械類力學(xué)薄弱專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。提出利用現(xiàn)代教育技術(shù)手段，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助圖解法、CAD/CAE工具的方式，開(kāi)展了教學(xué)改革與實(shí)踐研究，取得了良好的效果。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 工程教育專業(yè)認(rèn)證;機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ);教學(xué)方法;改革

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2021）42-0190-02

工程教育認(rèn)證對(duì)近機(jī)械類專業(yè)提出了綜合考慮環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的前提下，基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題展開(kāi)研究，并利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析工具，給出設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方案的高要求。隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證在眾多近機(jī)械類專業(yè)的不斷擴(kuò)展，越來(lái)越多的專業(yè)培養(yǎng)方案將機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)置為專業(yè)必修基礎(chǔ)課程，其包含“機(jī)械原理”和“機(jī)械零件設(shè)計(jì)”兩部分內(nèi)容。在培養(yǎng)近機(jī)械類工程技術(shù)人才的全局中，起到承前啟后的作用，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程打下必要的基礎(chǔ)。

基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，本課程將培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力、工程意識(shí)作為教學(xué)目標(biāo)，通過(guò)理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的遞進(jìn)融合，培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)分析、受力分析和機(jī)器動(dòng)力學(xué)等方面的基本理論和基本知識(shí)，具有初步的機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生具有運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具的能力，并掌握通用機(jī)械零件的設(shè)計(jì)原理與方法，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和今后從事設(shè)計(jì)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

然而，由于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)置是面向機(jī)械類專業(yè)設(shè)置，重點(diǎn)是機(jī)構(gòu)組成與運(yùn)動(dòng)原理、機(jī)械受力分析、機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)等，偏重在機(jī)械的尺寸幾何設(shè)計(jì)與力學(xué)分析的內(nèi)容，這對(duì)近機(jī)械類力學(xué)薄弱專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。特別是該課程的傳統(tǒng)教學(xué)常以理論公式推導(dǎo)為主，對(duì)于近機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生在認(rèn)知和理解上有較大的障礙。為此，探討如何在滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證目標(biāo)的前提下，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程進(jìn)行改革，使其適應(yīng)近機(jī)械類學(xué)生力學(xué)計(jì)算知識(shí)薄弱的特點(diǎn)，仍然能增強(qiáng)學(xué)生的機(jī)械理論基礎(chǔ)，提高學(xué)生對(duì)機(jī)械相關(guān)技術(shù)工作的適應(yīng)性，并培養(yǎng)其開(kāi)發(fā)創(chuàng)新能力。

一、基于計(jì)算機(jī)輔助圖解法的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的教學(xué)改革與實(shí)踐

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)內(nèi)容中涉及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)）、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析（速度和加速度計(jì)算）、受力分析（力、自鎖分析）、機(jī)械平衡等。目前分析機(jī)構(gòu)問(wèn)題主要采用圖解法、解析法和實(shí)驗(yàn)法等常規(guī)方法。

由于圖解法直觀易于理解，一直是教學(xué)過(guò)程中重點(diǎn)介紹的方法。然而，傳統(tǒng)的圖解法求解過(guò)程中需要使用尺規(guī)作圖工具進(jìn)行作圖求解，精度較差且僅能求解瞬時(shí)位置參數(shù)，在工程問(wèn)題求解中應(yīng)用受限。解析法雖然精度較高，但是其需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和編程能力，這增加了應(yīng)用的難度。實(shí)驗(yàn)法雖然直觀，但是受限于機(jī)構(gòu)尺寸和成本，應(yīng)用同樣有局限。為此本文提出在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中引入計(jì)算機(jī)輔助圖解法，用于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析。也就是采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD理念，在CAD軟件基礎(chǔ)上二次開(kāi)發(fā)圖解法模塊，可以綜合計(jì)算機(jī)精度高與圖解法形象直觀的優(yōu)點(diǎn)，便于學(xué)生掌握設(shè)計(jì)理論與方法，提高主觀能動(dòng)性。

在實(shí)踐中，開(kāi)發(fā)了基于NX三維設(shè)計(jì)軟件二次開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助圖解法進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與性能分析的插件，提供給學(xué)生使用。這樣近機(jī)械類學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，既可以深刻理解相關(guān)基礎(chǔ)理論和掌握機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)性能分析的方法。如圖1所示，開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助圖解法具備功能模塊，包括機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、力學(xué)分析三個(gè)模塊。

二、基于現(xiàn)代教育技術(shù)與CAD/CAE集成流程的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的教學(xué)改革與實(shí)踐

為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)的需求，針對(duì)近機(jī)類專業(yè)學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)和知識(shí)面需求之間的矛盾，將現(xiàn)代教育技術(shù)（多媒體和網(wǎng)絡(luò)）、數(shù)字化設(shè)計(jì)與分析方法（計(jì)算機(jī)輔助圖解法、CAD/CAE）、網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)、案例資源、課程創(chuàng)新設(shè)計(jì)與考核改革等相結(jié)合，開(kāi)展了相應(yīng)改革與探索實(shí)踐。充分利用先進(jìn)的現(xiàn)代教育技術(shù)與設(shè)計(jì)工具，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。

設(shè)計(jì)離不開(kāi)工具，利用CAD成熟的設(shè)計(jì)工具包（IN-VENTOR和SolidWorks邁迪工具包，有軸、帶輪、齒輪、軸設(shè)計(jì)工具）和CAE工具，使學(xué)生擺脫煩瑣的計(jì)算工作，著重在分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)性能的影響分析、多種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化比較，建立“設(shè)計(jì)一評(píng)價(jià)一再設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)迭代思想。并利用CAD軟件中的機(jī)械零件庫(kù)，培養(yǎng)學(xué)生選型設(shè)計(jì)、類比設(shè)計(jì)、改進(jìn)設(shè)計(jì)的能力。最后利用三維CAD模型生成二維圖技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)空間結(jié)構(gòu)的想象與設(shè)計(jì)的綜合能力。

在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)包括理論課程學(xué)習(xí)模塊、計(jì)算機(jī)輔助圖解法創(chuàng)新設(shè)計(jì)工具模塊、CAD/CAE交互設(shè)計(jì)與分析模塊和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。其中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)包括：三維PDF的虛擬機(jī)構(gòu)測(cè)繪實(shí)驗(yàn)技術(shù)、基于unity 3d虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬裝配實(shí)驗(yàn)技術(shù)、基于CAD/CAE的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與方案評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)以及基于Dreamweaver的實(shí)驗(yàn)資源（機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模塊庫(kù)、案例庫(kù)）。

三、結(jié)論

面向工程教育專業(yè)認(rèn)證，通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程和相應(yīng)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)化改革，螺旋漸進(jìn)式組織開(kāi)展案例式教學(xué)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目式課程設(shè)計(jì)，開(kāi)展課程基礎(chǔ)內(nèi)容與課程設(shè)計(jì)實(shí)踐融合的“化整為零”法的貫通式的教學(xué)方式等實(shí)施，促進(jìn)了近機(jī)械類專業(yè)課程間交叉融合。

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◎編輯 魯翠紅