融入現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革

俞成濤 邱睿 王秀英 丁凱

摘??要：針對目前機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的課程中學(xué)生設(shè)計(jì)過程固定化和陳舊化，結(jié)合新工科建設(shè)以及現(xiàn)代工程快速發(fā)展的新需求，提出將現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)融入課程設(shè)計(jì)中。文中給出了具體的教學(xué)改革措施和現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)融入方案，并建立了新的課程考核及成績評定方式。該教學(xué)方法可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械的興趣，提高其對現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，培養(yǎng)其現(xiàn)代化設(shè)計(jì)思想。并且對今后的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐課程的教學(xué)也具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)??課程設(shè)計(jì)??現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)??教學(xué)改革

中圖分類號：G642;TH122-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

Teaching?Reform?of?Course?Exercise?of?Mechanical?Design?Incorporating?Modern?Design?Technology

YU?Chengtao??QIU?Rui*??WANG?Xiuying??DING?Kai

（School?of?Mechanical?Engineering，?Jiangsu?University?of?Technology，?Changzhou，?Jiangsu?Province，?213001?China）

Abstract：?In?view?of?the?immobilization?and?obsolescence?of?students?design?process?in?the?course?of?course?exercise?of?mechanical?design，?combined?with?the?new?demand?of?the?construction?of?new?engineering?and?the?rapid?development?of?modern?engineering，?the?modern?design?technology?is?proposed?to?integrate?into?the?course?design.?This?paper?gives?concrete?education?reform?measures?and?the?integration?scheme?of?modern?design?technology，?and??establishes?the?new?methods?for?course?examination?and?achievement?evaluation.?This?teaching?method?can?stimulates?studentsinterest?in?learning?machinery，?improves?their?application?to?modern?design?technology，?cultivates?their?modern?design?ideas，?and?also?has?certain?guiding?significance?to?the?teaching?of?practical?curriculum?of?the?course?exercise?in?the?future.

Key?Words：?Mechanical?design;?Course?exercise;?Modern?design?technology;?Teaching?reform

隨著“中國制造2025”“人工智能2.0”“互聯(lián)網(wǎng)+”與傳統(tǒng)制造業(yè)全面融合，需要更多和更新型工科設(shè)計(jì)和制造人才的支撐，迫切需要?jiǎng)?chuàng)新工程教育理念，發(fā)展新工科教育[1]。另外，在工程專業(yè)認(rèn)證的推動(dòng)下，基于OBE教育理論，對工程專業(yè)教育的人才培養(yǎng)模式的變革，對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，實(shí)施個(gè)性化復(fù)合型人才的培養(yǎng)都迫在眉睫[2]。作為機(jī)械類及相關(guān)專業(yè)的重要的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性和綜合性。也是對工程制圖、材料力學(xué)、機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、工程材料與成形技術(shù)等課程知識的綜合應(yīng)用。因而，《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》可以作為機(jī)械類專業(yè)新工科建設(shè)的一個(gè)重要突破口，通過傳統(tǒng)實(shí)踐課程和現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)跨界融合式發(fā)展，實(shí)質(zhì)性推進(jìn)知識與能力并重的復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)進(jìn)程[3-4]?，F(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)是對二維技術(shù)的突破和發(fā)展，在三維建模的基礎(chǔ)上，還具有運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)等分析功能，也是數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造和管理的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代產(chǎn)品創(chuàng)新的基本工具，更是影響我國制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)[5]。而當(dāng)前還普遍存在的人才培養(yǎng)與人才需求的錯(cuò)位問題以及由此引發(fā)的嚴(yán)峻的就業(yè)形勢等問題，在這種背景下探索筆者學(xué)校學(xué)生以現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)為依托的新型教學(xué)策略以適應(yīng)新形勢的需要，就顯得尤為迫切。

1??機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前，大部分高校均采用“帶式運(yùn)輸機(jī)”作為課程設(shè)計(jì)的題目。帶式運(yùn)輸機(jī)主要結(jié)構(gòu)包含電動(dòng)機(jī)、帶傳動(dòng)、齒輪減速器以及聯(lián)軸器等部分，基本涵蓋了《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的大部分內(nèi)容，具有一定的綜合性、合理性和適用性，這也是眾多學(xué)校的《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》一直采用了該題目的原因之一。課程設(shè)計(jì)實(shí)踐過程包含撰寫計(jì)算說明書，繪制減速器二維裝配圖、軸和齒輪的二維零件圖。但隨著時(shí)代的發(fā)展以及學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量要求的逐步提高，此教學(xué)模式已難以維持新時(shí)代人才培養(yǎng)的目標(biāo)[6]，主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

1.1??模式固定、千篇一律

由于課程設(shè)計(jì)題目長期使用，與之配套的手冊、教材或課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教材等相關(guān)資料比較多，設(shè)計(jì)步驟固定，學(xué)生不需要太多思考，只需按照設(shè)計(jì)資料上的要求，按部就班，就能夠完成課程設(shè)計(jì)的任務(wù)。甚至將往屆學(xué)生的課程設(shè)計(jì)說明書作為模版，只修改其中的一些數(shù)據(jù)，就可以較好地完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)。

1.2??時(shí)間緊，走流程

根據(jù)課程特點(diǎn)，課程設(shè)計(jì)基本上設(shè)置在理論課結(jié)束之后，更多的是在下一學(xué)期期初進(jìn)行，經(jīng)過一個(gè)假期之后，學(xué)生基本上對所學(xué)的理論知識多數(shù)已經(jīng)生疏，因?yàn)檎n程設(shè)計(jì)時(shí)間緊迫只有2個(gè)星期，前期計(jì)算的時(shí)間只有兩三天，時(shí)間緊迫、知識遺忘，再加上現(xiàn)成的參考資料，導(dǎo)致了課程設(shè)計(jì)更多地成為學(xué)生照葫蘆畫瓢，套公式、換參數(shù)、走流程的2周。

1.3??教學(xué)方法固定

目前，課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排一般為設(shè)計(jì)計(jì)算草稿和手工繪制裝配圖草圖（6天），繪制正式裝配圖和零件圖（4天），整理設(shè)計(jì)計(jì)算說明書（1天），答辯（1天）。并且在理論課授課過程中并沒有穿插課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，導(dǎo)致理論課與實(shí)踐課脫節(jié)。在2周的時(shí)間內(nèi)，學(xué)生需要將理論課的內(nèi)容串聯(lián)起來完成設(shè)計(jì)計(jì)算，還要手工繪圖，對于學(xué)生而言疲于完成任務(wù)，而缺少時(shí)間深入思考和探討，故而綜合實(shí)踐的預(yù)期效果也大打折扣。

1.4??技術(shù)手段陳舊

課程設(shè)計(jì)中采用二維手繪圖紙的本意是通過此舉讓學(xué)生理解工程制圖在機(jī)械領(lǐng)域的重要性，以及制圖的嚴(yán)謹(jǐn)性，同時(shí)也是《工程制圖》課程的一次實(shí)戰(zhàn)練習(xí)。然而，由于時(shí)間緊等因素影響，學(xué)生更多的是參照樣圖，照搬照抄。好的同學(xué)了解每個(gè)零部件的位置、功能和作用，能夠按照設(shè)計(jì)的參數(shù)繪制；也有很多同學(xué)，僅僅是畫得“像”，而并沒有按照設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行，甚至于不清楚每個(gè)零部件的名稱和作用。整個(gè)過程中學(xué)生缺乏思考和主動(dòng)探索，更重要的是此過程中并沒有強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代化工具解決復(fù)雜工程問題的能力，難以滿足數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)時(shí)代機(jī)械制造企業(yè)對復(fù)合型創(chuàng)新人才的需求。另外，手工繪制二維圖紙還帶來了一定的缺點(diǎn)就是：（1）?圖紙是二維的形式呈現(xiàn)，缺乏與三維實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)，對于沒有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和力學(xué)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生來說，極易感覺枯燥乏味，導(dǎo)致學(xué)生機(jī)械地模仿甚至盲目地抄襲；（2）?在設(shè)計(jì)計(jì)算過程容易缺乏全面考慮，導(dǎo)致繪制工程圖錯(cuò)誤較多很難查出或者發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤又難以修改、甚至懶得修改；（3）?由于圖紙手工繪制，不能進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致學(xué)生無法通過改變參數(shù)直觀地觀察對設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。另外，老師也不容易檢驗(yàn)學(xué)生設(shè)計(jì)的正確性、合理性或可靠性等。

可見，以往這種模式已經(jīng)無法體現(xiàn)以學(xué)生為中心的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)理念，嚴(yán)重制約了學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，并且已明顯落后于企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)對工科學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的要求。

2??現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)融入舉措

2.1??將課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容融入理論課程

現(xiàn)在的《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》理論授課過程中，理論性較強(qiáng)，但與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。為踐行“工程專業(yè)認(rèn)證”的教育理念，實(shí)行“N”+1的過程考核形式，往往要求學(xué)生以小組形式提交創(chuàng)新設(shè)計(jì)大作業(yè)。但是，學(xué)生在此期間內(nèi)將所學(xué)的內(nèi)容串聯(lián)起來完成理解并應(yīng)用就已經(jīng)具有一定的難度，更何況要進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，所以往往學(xué)生交上來的大作業(yè)質(zhì)量參差不齊，難有實(shí)質(zhì)性的較好的成果。而以減速器為模型，將其融入進(jìn)理論課中，首先可以幫助其明確學(xué)習(xí)目標(biāo)；其次，學(xué)習(xí)過程中穿插著應(yīng)用，可以加深學(xué)生對理論知識的理解，要比傳統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)完成后再進(jìn)行課程設(shè)計(jì)效果好；另外，應(yīng)用理論知識解決實(shí)際問題，能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，可以在理論課初始階段就引入“帶式運(yùn)輸機(jī)”的案例，并以此貫穿整個(gè)授課過程。具體為：在緒論課中介紹“機(jī)械”“機(jī)器”“機(jī)構(gòu)”等概念時(shí)即可以“帶式運(yùn)輸機(jī)”為例，其中包含帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等常用機(jī)構(gòu)，軸、軸承等通用零部件；從帶傳動(dòng)開始結(jié)合“帶式運(yùn)輸機(jī)”中的V帶設(shè)計(jì)作為學(xué)生的實(shí)際演練對象，以及齒輪傳動(dòng)、軸的設(shè)計(jì)等。每章節(jié)的授課結(jié)束后要求學(xué)生按照各自的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并隨機(jī)請幾位同學(xué)進(jìn)行分享教學(xué)，講解自己的設(shè)計(jì)計(jì)算過程，作為課后作業(yè)的一部分。等理論課結(jié)束時(shí)，每位同學(xué)的課程設(shè)計(jì)計(jì)算部分也已經(jīng)完成。

2.2?現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)與課程設(shè)計(jì)的有效結(jié)合

課程設(shè)計(jì)中，減速器主要由箱體、箱蓋、齒輪、軸以及軸承等零部件組成，根據(jù)三維軟件的功能特點(diǎn)，將減速器進(jìn)行了如圖1所示的拆分。每個(gè)零部件以三維實(shí)體的形式呈現(xiàn)，能夠促進(jìn)學(xué)生去認(rèn)識和理解每個(gè)零部件的形態(tài)和功能；再通過裝配，模擬真實(shí)減速器的裝配過程，從而理解各零部件裝配順序和配合關(guān)系等；并通過裝配體干涉以檢查各零部件設(shè)計(jì)是否正確；還可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真。經(jīng)過此環(huán)節(jié)后，學(xué)生除了對現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)手段的應(yīng)用得到進(jìn)一步加強(qiáng)，還對整個(gè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程有了更為直觀的認(rèn)識和深入的理解。

常用的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)軟件，如美國PTC公司的PRO／E、美國UGS公司的UG、法國Dassault公司的高端CATIA和中端SolidWorks以及Autodesk公司的Inventor等均具有很多模塊，功能非常強(qiáng)大，基本上都可以實(shí)現(xiàn)如圖2所示的幾種基本的功能[7-8]。將這些功能與該課程進(jìn)行結(jié)合后，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并且提升自身技術(shù)能力。

2.3?分組設(shè)置，合理分配參數(shù)，引入研究性理念

傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中，一般給定3個(gè)原始參數(shù)：運(yùn)輸帶工作拉力F，運(yùn)輸帶工作速度v和卷筒直徑D，并且為了學(xué)生之間的設(shè)計(jì)具有一定的差異性，隨機(jī)組合3個(gè)參數(shù)分配給每位學(xué)生。此法雖然達(dá)到了每位學(xué)生的計(jì)算參數(shù)各不相同的目的，但是學(xué)生之間的結(jié)果毫無對比性，缺乏研究和探討的基礎(chǔ)。為此，在理論計(jì)算過程中，班級學(xué)生以4～6人分為一組，將原始參數(shù)中的1個(gè)參數(shù)作為變量，而其余參數(shù)相同分配給同一組學(xué)生。不同組之間變換不同參數(shù)變量再進(jìn)行分配。此舉的目的是既能保證每位同學(xué)的參數(shù)的差異性，同組之間同學(xué)還可以對比研究此變量參數(shù)對最終的設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生的影響，甚至不同組學(xué)生之間也具有一定的對比性，從而培養(yǎng)學(xué)生的研究能力。另外，為了更多地觀察不同參數(shù)對結(jié)果的影響，還可以增加參數(shù)作為初始變量，比如減速器中小齒輪的齒數(shù)、齒輪的中心距等。

2.4?建立新的課程考核及成績評定形式

目前，《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》課程的最終的成果包括設(shè)計(jì)計(jì)算說明書1份、裝配圖草圖和正式圖各1張、齒輪和軸零件圖各1張。其中，說明書和所有圖紙均采用手工寫作和繪制。如表1所示，結(jié)合現(xiàn)代化設(shè)計(jì)軟件后，手工繪圖可改進(jìn)為三維零件和裝配體繪制，并生成二維工程圖紙。由于已經(jīng)將課程設(shè)計(jì)的理論計(jì)算部分在理論課階段完成，所以在課程設(shè)計(jì)進(jìn)行階段只需要首先將計(jì)算說明書整理完成即可；然后根據(jù)各自的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行三維零件的繪制，在零件繪制的過程中，可以進(jìn)一步完善計(jì)算部分的內(nèi)容；所有零件繪制完成后，再進(jìn)行三維模型裝配，并生成和完善總裝配和齒輪、軸的二維工程圖；此外，對模型進(jìn)行爆炸視圖，生成拆裝動(dòng)畫，并模擬齒輪傳動(dòng)過程；應(yīng)用力學(xué)分析模塊，對減速器中的齒輪或軸進(jìn)行強(qiáng)度分析，并與理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比分析；最后，每個(gè)小組將各自的設(shè)計(jì)結(jié)果做對比，并根據(jù)分配的原始參數(shù)特點(diǎn)，進(jìn)行分析研究該參數(shù)變化對設(shè)計(jì)過程中哪些結(jié)果產(chǎn)生了影響，并且將結(jié)果和原始參數(shù)的變化趨勢進(jìn)行歸納總結(jié)，形成小組報(bào)告進(jìn)行提交。具體的項(xiàng)目進(jìn)度安排和成績評定方式如表1所示。

3?如何能夠切實(shí)達(dá)到預(yù)定目標(biāo)和效果

由于將課程設(shè)計(jì)理論計(jì)算部分結(jié)合到理論課授課環(huán)節(jié)中，所以最好由同一個(gè)老師講授理論課和課程設(shè)計(jì)課程，并最好安排在同一個(gè)學(xué)期，方便老師制訂統(tǒng)一的授課計(jì)劃，全程掌控學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度。首先，提前要求學(xué)生熟練操作三維設(shè)計(jì)軟件。其次，制訂好教學(xué)方案，將《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程各章節(jié)內(nèi)容與課程設(shè)計(jì)對應(yīng)設(shè)計(jì)任務(wù)有機(jī)結(jié)合。另外，以學(xué)生為中心，分組設(shè)置，小組成員之間能夠相互促進(jìn)；并且三維模型生動(dòng)形象，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性、主動(dòng)性，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。最后，做好過程監(jiān)控，完善考評標(biāo)準(zhǔn)。

4?結(jié)論

該文針對傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐課程教學(xué)的不足之處，提出了將現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)融入實(shí)踐課程創(chuàng)新教學(xué)方法，并完善了教學(xué)體系。

（1）?結(jié)合現(xiàn)代化工業(yè)應(yīng)用軟件，以達(dá)到促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的目的，進(jìn)一步落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力；提高學(xué)生工程軟件應(yīng)用能力，增加就業(yè)籌碼；提高學(xué)生的宏觀思維和創(chuàng)新能力，以適應(yīng)當(dāng)前機(jī)械制造企業(yè)對數(shù)字化、信息化高端人才的需求，從而培養(yǎng)符合企業(yè)需求的具有應(yīng)用和創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才。

（2）?理論與實(shí)踐更好地結(jié)合，使學(xué)生切實(shí)感受到學(xué)有所用、學(xué)為何用、學(xué)如何用，從而調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)習(xí)的熱情，培養(yǎng)和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，掌握現(xiàn)代化創(chuàng)新設(shè)計(jì)工具并深入理解機(jī)械設(shè)備整體設(shè)計(jì)的思維，從而真正地為我國制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵共性技術(shù)提供創(chuàng)新型應(yīng)用人才。

（3）?通過建立以計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、繪圖為主線的新教學(xué)模式，使學(xué)生的設(shè)計(jì)、繪圖觀念發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)真正意義上的設(shè)計(jì)思想現(xiàn)代化，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和個(gè)性發(fā)展的應(yīng)用型本科人才。

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