基于智能制造的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

王思琪　熊巍　賀秋冬

［摘 要］文章以湖北工程學(xué)院為例，結(jié)合機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生特點(diǎn)、專業(yè)特點(diǎn)以及學(xué)校對(duì)于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)和智能制造的發(fā)展前景需求，針對(duì)機(jī)械類專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的反饋，分析了當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的完成情況和實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的急需解決的問題，探索了機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的改革，同時(shí)優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)考核方式。

［關(guān)鍵詞］機(jī)械設(shè)計(jì)；智能制造；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；改革

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）09-0026-03

智能制造[1]是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢，尤其在低端制造業(yè)上的人工智能探索將會(huì)是革命性的、具備劃時(shí)代意義的。我國雖說是傳統(tǒng)意義上的制造強(qiáng)國，但并不是“智造強(qiáng)國”，一些與制造業(yè)相關(guān)的核心技術(shù)依然是由西方國家掌握。近年來我國在新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展上跟上了時(shí)代步伐，在新的賽道上處于世界領(lǐng)先水平，但在制造業(yè)這條賽道上依然任重道遠(yuǎn)。從傳統(tǒng)意義上的制造技術(shù)的研發(fā)革新來說，西方國家成熟領(lǐng)先的制造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到較高水平，要想從傳統(tǒng)的制造技術(shù)上尋求突破，一方面人力成本投入巨大且無法確定產(chǎn)出，另一方面通過技術(shù)創(chuàng)新而獲得的實(shí)際收益性價(jià)比不高，因而意義不大。

隨著我國人口紅利消退，制造業(yè)成本上升，大量低端制造業(yè)公司將工廠外遷至印度、泰國等更具人力資源優(yōu)勢的發(fā)展中國家，曾經(jīng)我們引以為傲的制造業(yè)面臨著巨大的內(nèi)外部挑戰(zhàn)。因此，制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、改革、轉(zhuǎn)型是我國當(dāng)下最迫切需要解決的問題之一，國家近年發(fā)布了多項(xiàng)政策支持制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型[2]。當(dāng)前以華為技術(shù)有限公司、深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司等為代表的明星企業(yè)，正在不遺余力地加大智能制造的研發(fā)投入，加速全產(chǎn)業(yè)鏈的“去西方化”。種種跡象表明，我國是具備發(fā)展智能制造的基礎(chǔ)與條件的，在國家種種強(qiáng)有力的政策的引導(dǎo)下，我們目前亟待解決的問題是加速“人工制造”向“人工智造”的轉(zhuǎn)變[3]。中國智造要想走向世界，必須先從學(xué)校抓起。所有的技術(shù)革新與創(chuàng)造都離不開人的投入，尤其是具備創(chuàng)新思想的技術(shù)人才。

高校的育人思想要著重體現(xiàn)創(chuàng)新，要能摸清世界脈搏、跟上世界節(jié)奏，要以培養(yǎng)優(yōu)秀的創(chuàng)新研發(fā)人才為重點(diǎn)工作，融學(xué)習(xí)、實(shí)踐、研發(fā)于一體，針對(duì)學(xué)習(xí)中遇到的問題在實(shí)踐中找答案，將實(shí)踐中獲得的思路應(yīng)用到研發(fā)中，拓寬培育思路，使學(xué)生的“興趣”與“學(xué)習(xí)”互相增益。本文以湖北工程學(xué)院（以下簡稱我校）為例，結(jié)合機(jī)械類專業(yè)特色和智能制造的發(fā)展趨勢，探討機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

一、當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是機(jī)械設(shè)計(jì)課程的重要組成環(huán)節(jié)，是學(xué)生將所學(xué)到的關(guān)于零件設(shè)計(jì)的理論知識(shí)應(yīng)用于解決具體工程問題的重要媒介，更是培養(yǎng)學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的綜合能力的重要途徑。而我校當(dāng)前的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容雖然貼合理論教學(xué)內(nèi)容，但還是以傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)單一，實(shí)驗(yàn)效果不理想，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)難以很好地達(dá)成。

我校機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括機(jī)械構(gòu)件展示柜的參觀、滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)、帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)、滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)。其中，參觀機(jī)械構(gòu)件展示柜的主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是了解常用連接件、軸系零部件的類型和結(jié)構(gòu)，機(jī)械傳動(dòng)的類型、工作原理、組成結(jié)構(gòu)及失效形式，機(jī)械零件的失效形式等。此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既和機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)這門課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容部分重合，又不能實(shí)現(xiàn)提升學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作能力的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。而滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)、帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)和滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。其中，滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是了解實(shí)驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)造和工作原理，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步了解動(dòng)壓潤滑油膜的形成機(jī)理，同時(shí)觀察載荷和轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時(shí)油膜壓力的變化情況，進(jìn)而測定和繪制徑向滑動(dòng)軸承徑向油膜壓力曲線和軸向油膜壓力曲線，從而驗(yàn)證動(dòng)壓油膜壓力分布情況；帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是了解帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作原理，通過實(shí)驗(yàn)觀察帶傳動(dòng)中的彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，繪制帶傳動(dòng)滑動(dòng)曲線和效率曲線圖，驗(yàn)證初拉力的改變對(duì)帶傳動(dòng)能力的影響；滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是了解滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)臺(tái)及其工作原理，通過實(shí)驗(yàn)觀察總徑向載荷和軸向載荷發(fā)生變化時(shí)軸承徑向載荷分布的情況以及影響，從而驗(yàn)證e取值的不同對(duì)滾動(dòng)軸承所承受徑向載荷的影響。

上述4種實(shí)驗(yàn)及其內(nèi)容的設(shè)置既不能很好地反映機(jī)械專業(yè)的特色，也難以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，與應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)不相符。另外，機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)考核方式單一，不夠客觀科學(xué)，不利于學(xué)生自主思考、自主創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)不相符。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

從我?，F(xiàn)有機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置和實(shí)驗(yàn)效果反饋的實(shí)際情況來看，機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革勢在必行。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置既要與理論教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合，又要注重鍛煉學(xué)生對(duì)所學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，同時(shí)，還要注重提升學(xué)生將所掌握的機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際工程問題的能力。因此，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革需要從機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、考核方式等方面進(jìn)行設(shè)置。

（一）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱

實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱是基于學(xué)生已掌握的理論知識(shí)，為提升學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力而設(shè)置的。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是為了幫助學(xué)生驗(yàn)證所學(xué)理論、鞏固和加深理解所學(xué)知識(shí)。學(xué)生需了解機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方法，掌握實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作原理和操作規(guī)程、儀器使用方法、測量設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫等。通過實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的作風(fēng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)態(tài)度和獨(dú)立分析與解決實(shí)際問題的能力。

我校原機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱共8個(gè)學(xué)時(shí)，教學(xué)內(nèi)容是基礎(chǔ)性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，包括參觀機(jī)械構(gòu)件展示柜、滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)、帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)、滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)。學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的自主能動(dòng)性較差，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)常走馬觀花、敷衍了事，對(duì)理論課上所講的內(nèi)容缺乏綜合的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果較差。由于學(xué)時(shí)有限，針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上應(yīng)以提高學(xué)生利用所學(xué)綜合知識(shí)分析問題和解決問題的能力為核心，注重激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新創(chuàng)造思維，從而促使學(xué)生進(jìn)一步掌握機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生理論學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。而對(duì)于參觀機(jī)械構(gòu)件展示柜和滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)這些重復(fù)性的基礎(chǔ)性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，應(yīng)從原實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中去除，同時(shí)增設(shè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

機(jī)械設(shè)計(jì)這門課是專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的橋梁，起著承前啟后的作用，對(duì)于機(jī)械類學(xué)生對(duì)機(jī)械專業(yè)知識(shí)實(shí)踐應(yīng)用的掌握深度和廣度起著決定性作用。在設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，既要考慮學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和自主能動(dòng)性，又要結(jié)合學(xué)校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的實(shí)際，所以在去除原有部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，應(yīng)增加設(shè)置培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力的實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)是學(xué)生可以自行選擇主題的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。結(jié)合“產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同育人培養(yǎng)目標(biāo)，聯(lián)系我校實(shí)際情況，此創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)可以企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)為主題?？衫眯Ｆ蠛献髌脚_(tái)，與本地相關(guān)企業(yè)合作進(jìn)而設(shè)置符合學(xué)生實(shí)際情況的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課題，同時(shí)提高創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)在本課程中的分值占比，對(duì)學(xué)生的考核應(yīng)更注重對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的考核。

結(jié)合原有實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和內(nèi)容以及改革后實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置，機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)需增加8個(gè)學(xué)時(shí)。在原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上刪掉參觀機(jī)械構(gòu)件展示柜和滾動(dòng)軸承試驗(yàn)，只保留帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)和滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)?；趯?shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)的目標(biāo)，帶傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)和滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)共占2個(gè)學(xué)時(shí)，而創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)占14個(gè)學(xué)時(shí)。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的具體設(shè)置需要結(jié)合學(xué)校實(shí)際情況和本地企業(yè)實(shí)際情況，也可以讓學(xué)生自行選擇主題。

（二）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

基于目前機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果反饋情況，機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)手段急需改革。為充分發(fā)揮學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性，對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行刪減，同時(shí)增加創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比如開放性作品設(shè)計(jì)制造，如此既能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，又能讓學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用。新增設(shè)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，要結(jié)合理論內(nèi)容中的常用通用傳動(dòng)零件如直齒圓柱齒輪、普通V帶、蝸輪蝸桿等，常用支撐零件如直軸、曲軸、液體動(dòng)（靜）壓滑動(dòng)軸承、滾動(dòng)軸承等，常用連接件如普通螺栓、銷釘、聯(lián)軸器、離合器等，常用驅(qū)動(dòng)裝置如電動(dòng)機(jī)、彈簧等，機(jī)械零部件的潤滑和密封，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求、步驟、方法和準(zhǔn)則等。

具體操作如下：對(duì)保留的帶傳動(dòng)和滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)壓縮教學(xué)學(xué)時(shí)，教學(xué)內(nèi)容不作調(diào)整；新增設(shè)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)可以由教師根據(jù)合作企業(yè)的具體情況，設(shè)置開放性實(shí)驗(yàn)主題（以某企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用為基礎(chǔ)），開放性作品主要是由學(xué)生采用團(tuán)隊(duì)合作的方式完成，學(xué)生根據(jù)設(shè)置的主題進(jìn)行組隊(duì)，3人一組，自行組隊(duì)，根據(jù)小組所選的主題來開展實(shí)驗(yàn)。首先，進(jìn)行原理方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出原理方案圖；其次，進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，給出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖等；最后，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，根據(jù)原理方案、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等設(shè)計(jì)并制造出能實(shí)現(xiàn)某種功能的機(jī)構(gòu)或機(jī)器，同時(shí)給出設(shè)計(jì)說明書，說明其基本功能、基本構(gòu)成、基本原理，并完成工程圖，做出實(shí)物圖。實(shí)物圖需能進(jìn)行相應(yīng)操作。為了保證所有的學(xué)生都能積極主動(dòng)地參加，每組完成后都要制作PPT，每人都要詳細(xì)展示自己所設(shè)計(jì)和完成的那一部分內(nèi)容，由小組組長對(duì)自己團(tuán)隊(duì)所做出的實(shí)物進(jìn)行演示。為了激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和動(dòng)力，教師和學(xué)院會(huì)邀請(qǐng)校內(nèi)外專家來指導(dǎo)學(xué)生。學(xué)生們所完成的作品都會(huì)被相關(guān)專家點(diǎn)評(píng)和打分。所有作品按得分排序，得分最高的前5組的作品獲推薦參加省級(jí)及以上學(xué)科類或全科類競賽。

（三）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)考核方式

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的考核主要是考核學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的掌握程度和應(yīng)用其解決實(shí)際問題的能力?；趦?yōu)化后的驗(yàn)證性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置，實(shí)驗(yàn)考核方式也進(jìn)行了相應(yīng)的修改。優(yōu)化后的考核方式更注重對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的考核，實(shí)驗(yàn)過程在所有得分設(shè)置項(xiàng)中占比最高。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占比20%，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)占比80%。其中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的考核包括考勤（占比5%）、實(shí)驗(yàn)過程（占比10%）、結(jié)果分析（占比5%）；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的考核包括完成的作品工程圖、作品實(shí)物圖以及作品展示成績，實(shí)驗(yàn)過程占比50%，小組自評(píng)占比10%，組間互評(píng)占比20%。實(shí)驗(yàn)過程一項(xiàng)主要是對(duì)學(xué)生自主創(chuàng)作的考核；小組自評(píng)是指本組作品完成后，本組成員對(duì)自己完成的作品打分；組間互評(píng)是指每組作品都完成后，小組成員針對(duì)其他組的設(shè)計(jì)說明書、工程圖紙、實(shí)物圖和作品展示等給出分?jǐn)?shù)。在所有作品都展示完后，教師會(huì)請(qǐng)相關(guān)專家對(duì)所有作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)并給出分?jǐn)?shù)，前五名可獲專家推薦參加省級(jí)及以上學(xué)科類或全科類競賽。獲專家推薦參加相關(guān)學(xué)科競賽并獲獎(jiǎng)的作品，可讓團(tuán)隊(duì)成員獲得滿分的成績?？己瞬患案竦男〗M成員不再進(jìn)行補(bǔ)考，而是下一學(xué)年再次考核。

三、結(jié)語

靈活性的教學(xué)是為了提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主思考的積極性。在智能制造背景下，教師更應(yīng)積極探索教育教學(xué)新方法和新手段，將機(jī)械設(shè)計(jì)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)所掌握的機(jī)械設(shè)計(jì)理論內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用的能力，為學(xué)生提供更自由的思維發(fā)散空間，進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 吳國興，范君艷，樊江玲. 智能制造背景下應(yīng)用型本科機(jī)械類專業(yè)人才培養(yǎng)[J]. 教育與職業(yè)， 2017（16）：89-92.

[2] 周濟(jì).智能制造：“中國制造2025”的主攻方向[J]. 中國機(jī)械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[3] 宋若冰，武立波，張文孝. 以創(chuàng)新為導(dǎo)向的機(jī)械基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015，18（1）：106-107.

［責(zé)任編輯：周侯辰］