新工科背景下工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革探索

◇成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 徐一心 周洪祥 王振玉 呂中意

為適應(yīng)新工科背景下應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求，針對(duì)近年來本校工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)過程中突顯出的各種問題，進(jìn)行了分析和總結(jié)。從我校工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)方法弊端入手，提出了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、提高綜合運(yùn)用知識(shí)能力、增強(qiáng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的教學(xué)方案和教學(xué)手段。以提升本課程在工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)中的前導(dǎo)作用，培養(yǎng)新工科背景下具備更強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的復(fù)合型人才。

在全球新經(jīng)濟(jì)模式和新產(chǎn)業(yè)革命的背景下提出的新工科，是對(duì)培養(yǎng)多元化、多學(xué)科融合、適應(yīng)新產(chǎn)業(yè)需求的卓越工程科技人才進(jìn)行的高等工程教育改革試探[1]?！疤齑笮袆?dòng)”中提出的“問技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容”[2]，明確要求更新工程人才的知識(shí)體系，工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)人才培養(yǎng)方案直接決定了本專業(yè)學(xué)生知識(shí)體系的形成及崗位競(jìng)爭(zhēng)能力。在工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。其主要任務(wù)是讓學(xué)生對(duì)常見機(jī)構(gòu)、構(gòu)件的組成和基本原理有初步了解，并掌握常用零件的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)能夠靈活運(yùn)用到工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，滿足原理和功能上的需要。該課程起到從基礎(chǔ)課到專業(yè)課的銜接作用，并為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，因此該課程的開設(shè)在整個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)培養(yǎng)方案的實(shí)施中舉足輕重。

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程具有機(jī)構(gòu)繁多、公式復(fù)雜、圖表繁瑣、概念抽象等特點(diǎn)，且傳統(tǒng)的教學(xué)方式多以教師講授為主，導(dǎo)致學(xué)生課堂參與性不高，知識(shí)掌握程度不理想。在新工科“問學(xué)生志趣變方法”的理念下，通過改革本課程的教學(xué)手段和教學(xué)方法抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣點(diǎn)，提高課堂任務(wù)的參與積極性，提升學(xué)生的知識(shí)綜合應(yīng)用及創(chuàng)新能力已勢(shì)在必行。

1 教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 近機(jī)類專業(yè)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的生搬硬套

目前，本校承擔(dān)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)工作的教師大多來自機(jī)械類專業(yè)，在教學(xué)大綱和教學(xué)設(shè)計(jì)上只是按照工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的課時(shí)要求在近機(jī)類專業(yè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行章節(jié)的刪減。工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)大多沿用近機(jī)類專業(yè)使用的教材和授課課件，導(dǎo)致課堂中教師講解零件、機(jī)構(gòu)、構(gòu)件等概念時(shí)舉例用到的四沖程內(nèi)燃機(jī)，講解平面四桿機(jī)構(gòu)基本特性時(shí)舉例用到的牛頭刨床，講解輪系的應(yīng)用時(shí)舉例用到的汽車后橋差速器，在工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的前導(dǎo)課程中接觸極少，導(dǎo)致學(xué)生在理解這些知識(shí)點(diǎn)時(shí)晦澀難懂。在平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算、齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算、軸的工作能力計(jì)算等章節(jié)中使用到大量的計(jì)算公式，工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生很難將這些計(jì)算公式和整體產(chǎn)品設(shè)計(jì)聯(lián)系起來，形成系統(tǒng)的工程知識(shí)體系，更難以綜合運(yùn)用知識(shí)以解決今后工作中的實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題。

1.2 課堂理論知識(shí)滿堂灌，缺乏學(xué)生參與

本校為西南地區(qū)理工類應(yīng)用型高校，工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生為理科生源招生，近年來高考錄取分?jǐn)?shù)線高于本科省控線約20分，學(xué)生普遍存在數(shù)理基礎(chǔ)不扎實(shí)、邏輯思維不強(qiáng)的問題，但善于在實(shí)操中學(xué)習(xí)知識(shí)。工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生所上的藝術(shù)設(shè)計(jì)類課程中多以教師布置設(shè)計(jì)任務(wù)或大作業(yè)的形式進(jìn)行，課堂上以學(xué)生完成設(shè)計(jì)任務(wù)為主導(dǎo)，老師提供建議和指導(dǎo)，課堂開放性很強(qiáng)。對(duì)于習(xí)慣于以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法的工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生，當(dāng)接觸到以教師滿堂灌的概念、公式、原理時(shí)自然感到難以適應(yīng)，更無法激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在近年來的教學(xué)中，已暴露出通過課堂理論知識(shí)講授加機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)方式無法適應(yīng)本專業(yè)學(xué)生學(xué)情。

1.3 教學(xué)手段單一，缺少與專業(yè)課的銜接

目前課堂教學(xué)使用的課件普遍比較陳舊，大多數(shù)機(jī)構(gòu)案例動(dòng)畫多以機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖等二維圖形的形式代替真實(shí)三維圖形，對(duì)于二維圖形接觸較少的工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生在理解上會(huì)大到折扣。教師授課內(nèi)容以傳統(tǒng)的教材章節(jié)作為單位，章節(jié)之間缺少系統(tǒng)整合，極少將知識(shí)點(diǎn)與工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)課聯(lián)系起來，造成學(xué)生無法在后續(xù)課程中運(yùn)用本課程知識(shí)解決實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題。

2 教學(xué)改革內(nèi)容及方法

2.1 修改教學(xué)大綱及教學(xué)內(nèi)容

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)大綱依據(jù)《高等工業(yè)學(xué)校機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求（多學(xué)時(shí)）》[3]和本校近年的教學(xué)實(shí)踐，與工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀相結(jié)合制定而出。教學(xué)理論學(xué)時(shí)為36，實(shí)踐學(xué)時(shí)為12。由于學(xué)時(shí)壓縮，去掉了8個(gè)章節(jié)的內(nèi)容。在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上以提高學(xué)生的機(jī)械認(rèn)知能力為核心，進(jìn)一步掌握相關(guān)機(jī)械原理。同時(shí)，對(duì)于學(xué)生后續(xù)課程在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可能會(huì)涉及到的間隙運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧、聯(lián)軸器、離合器等，要求學(xué)生應(yīng)當(dāng)了解。而對(duì)于原理和校核計(jì)算中涉及的復(fù)雜公式推導(dǎo)、力學(xué)演算這些較難理解的內(nèi)容從原教學(xué)大綱中去掉。常用機(jī)構(gòu)和零件的結(jié)構(gòu)和原理作為大綱中要求重點(diǎn)掌握的內(nèi)容。

2.2 更新教學(xué)案例并與設(shè)計(jì)任務(wù)相結(jié)合

以提高工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)貼合度，并結(jié)合學(xué)科前沿技術(shù)、民生熱點(diǎn)產(chǎn)品為指導(dǎo)思想更改教學(xué)實(shí)例。淘汰傳統(tǒng)的機(jī)械類機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中常使用的加工機(jī)械、包裝機(jī)械等工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生接觸極少、較難理解的教學(xué)案例。增加更能反映民生需求、具有時(shí)代特點(diǎn)的產(chǎn)品實(shí)例，比如通過展示自拍桿、智能伸縮晾衣架、社區(qū)健身器材、網(wǎng)紅小家電等，講解簡(jiǎn)單的可調(diào)節(jié)、伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成、材料選擇及機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)可靠性和機(jī)構(gòu)形狀的影響。這些案例貼近生活、簡(jiǎn)單易懂，按照從易到難循序漸進(jìn)的過程逐漸建立起學(xué)生對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的興趣。同時(shí)，可以讓學(xué)生對(duì)以上教學(xué)案例的實(shí)物進(jìn)行拆解，在動(dòng)手的過程中進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的理解和記憶。

在課程章節(jié)的學(xué)習(xí)過程中，針對(duì)具體的知識(shí)點(diǎn)，提出產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)。例如，在平面四桿機(jī)構(gòu)這一章中，教師先通過讓學(xué)生觀察機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)畫，了解平行四邊形機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特點(diǎn)。然后為學(xué)生布置“應(yīng)用平行四邊形機(jī)構(gòu)的家用機(jī)械”設(shè)計(jì)任務(wù)，要求所設(shè)計(jì)的與日常生活相關(guān)的家庭用產(chǎn)品中必須包含平行四邊形機(jī)構(gòu)，并且結(jié)合設(shè)計(jì)類課程所學(xué)知識(shí)完成造型設(shè)計(jì)。任務(wù)實(shí)施過程中，學(xué)生3-4人為一組，每組選出一位組長(zhǎng)，以組為單位完成設(shè)計(jì)任務(wù)，要求每位組員都提出一項(xiàng)設(shè)計(jì)方案，通過小組討論選出最優(yōu)作為本組最終方案，在最后設(shè)計(jì)產(chǎn)品展示環(huán)節(jié)，由組長(zhǎng)陳述最終方案的優(yōu)點(diǎn)。在本項(xiàng)目中，有的組設(shè)計(jì)了家用折疊梯子、伸縮晾衣架、窗戶開啟機(jī)構(gòu)、簡(jiǎn)易踏步機(jī)等方案，其中如圖1所示為學(xué)生所設(shè)計(jì)落地式可折疊晾衣架，應(yīng)用平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了晾衣架的展開和收縮，結(jié)構(gòu)靈活小巧，折疊后不占空間。在設(shè)計(jì)任務(wù)完成的過程中，不斷提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感和對(duì)機(jī)械的興趣，也提高了團(tuán)隊(duì)合作能力、增強(qiáng)將來的崗位適應(yīng)能力。

圖1 落地式可折疊晾衣架

2.3 使用現(xiàn)代信息技術(shù)完善教學(xué)手段

利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段如三維造型軟件、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、虛擬仿真計(jì)算等，可以有效地將機(jī)器或機(jī)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造直觀形象的展現(xiàn)給學(xué)生，還可以模擬從零件到整機(jī)的裝配過程，啟發(fā)學(xué)生的三維空間想象能力。

以講解圓柱齒輪傳動(dòng)為例，其典型的應(yīng)用為汽車手動(dòng)變速器。通過拆解和裝配手動(dòng)變速器的各組成零部件可以讓學(xué)生對(duì)圓柱齒輪傳動(dòng)的原理和傳動(dòng)的過程有更直觀的了解。但是由于學(xué)時(shí)所限，無法安排充足的課時(shí)讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成手動(dòng)變速器的拆裝。為了解決以上矛盾，可采用CATIA等軟件建立變速器的各零部件三維模型，基于坐標(biāo)系完成各零部件的裝配，還可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)變速器的運(yùn)動(dòng)仿真。在使用三維軟件進(jìn)行虛擬裝配的過程中，學(xué)生如同親臨機(jī)器進(jìn)行零部件的安裝和拆卸，而且可以反復(fù)進(jìn)行練習(xí)和思考，通過觀看運(yùn)動(dòng)仿真視頻理解變速器實(shí)現(xiàn)不同檔位速度和力矩改變的過程。又如講解凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，可以使用ADAMS軟件建立不同凸輪廓線的凸輪機(jī)構(gòu)三維模型，通過動(dòng)力學(xué)分析得到推桿位移、速度、加速度的變化情況，在學(xué)生觀察的過程中教師總結(jié)出推桿常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過采用三維軟件的教學(xué)方式，將原本抽象、復(fù)雜的問題變得更具體、直觀，學(xué)生的動(dòng)手積極性和求知欲都得到了充分調(diào)動(dòng)，學(xué)生對(duì)知識(shí)的記憶變得更加深刻。

2.4 加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)和參賽力度

加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的實(shí)踐，通過課堂上教師設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)針對(duì)性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，將理論應(yīng)用到實(shí)踐中，再鼓勵(lì)學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行模型制作和模型虛擬仿真，再次驗(yàn)證理論再實(shí)踐，形成了循環(huán)推進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)。實(shí)現(xiàn)了“學(xué)中做，做中學(xué)”的知行合一。同時(shí)將課堂內(nèi)的設(shè)計(jì)作品及實(shí)驗(yàn)室學(xué)生的操作情況一并納入到期末成績(jī)的考核中，構(gòu)成更全面完善的考核機(jī)制，引導(dǎo)學(xué)生從只關(guān)注期末考試到注重平時(shí)成績(jī)積累的轉(zhuǎn)變。

鼓勵(lì)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生或與機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生組隊(duì)參加校級(jí)、省級(jí)、國(guó)家級(jí)科技創(chuàng)新或工業(yè)設(shè)計(jì)大賽，以設(shè)計(jì)大賽作為依托，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)實(shí)踐、自主深入學(xué)習(xí)。在近兩年的各級(jí)各類賽事中，工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生作品“新型外賣派送車設(shè)計(jì)”獲得院級(jí)“苗子工程”優(yōu)秀項(xiàng)目獎(jiǎng)。2021年四川省大學(xué)生工業(yè)設(shè)計(jì)大賽中，學(xué)生作品“自走數(shù)控雙邊采茶機(jī)”、“自動(dòng)進(jìn)食器改良設(shè)計(jì)”、“新型可爬樓式電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)”、“生鮮物流周轉(zhuǎn)箱”等共計(jì)七件分別獲得一等獎(jiǎng)，獲得二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)作品共計(jì)九件，實(shí)現(xiàn)了參賽數(shù)量和質(zhì)量雙突破。

3 結(jié)束語

通過結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)特點(diǎn)，對(duì)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的理論和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化整合，一切以學(xué)生為中心，培養(yǎng)滿足“新工科”時(shí)代背景下的復(fù)合型人才。課程改革后，本課程及格率由2017級(jí)的84.2%到2019級(jí)的93.6%，提高了9.4%。學(xué)生對(duì)課程的教學(xué)評(píng)價(jià)平均分2017級(jí)為82.1分，2018級(jí)為87.3分，2019級(jí)為92.4分。可以看出學(xué)生對(duì)本課程的興趣和認(rèn)可度都有了很大的提高。目前在川開電氣有限公司、成都愛迪邇工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有限公司等校外實(shí)習(xí)基地的工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生受到用人單位的一致好評(píng)。通過機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生知識(shí)掌握程度的提升，運(yùn)用實(shí)踐能力的突破，就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的增強(qiáng)三個(gè)環(huán)節(jié)的并舉。