基于智能制造的機械設(shè)計實驗教學(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)合機械類專業(yè)的學(xué)生特點、專業(yè)特點以及學(xué)校對于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標和智能制造的發(fā)展前景需求，針對機械類專業(yè)學(xué)生實驗教學(xué)效果的反饋，分析了當(dāng)前機械設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置、實驗教學(xué)目標的完成情況和實驗教學(xué)存在的急需解決的問題，探索了機械設(shè)計實驗課程教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容中驗證性實驗和創(chuàng)新性實驗的改革，同時優(yōu)化了實驗考核方式。

［關(guān)鍵詞］機械設(shè)計；智能制造；實驗教學(xué)；改革

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）09-0026-03

智能制造[1]是社會發(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是革命性的、具備劃時代意義的。我國雖說是傳統(tǒng)意義上的制造強國，但并不是“智造強國”，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。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)新而獲得的實際收益性價比不高，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、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)人才為重點工作，融學(xué)習(xí)、實踐、研發(fā)于一體，針對學(xué)習(xí)中遇到的問題在實踐中找答案，將實踐中獲得的思路應(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)合機械類專業(yè)特色和智能制造的發(fā)展趨勢，探討機械設(shè)計實驗教學(xué)改革。

一、當(dāng)前機械設(shè)計實驗教學(xué)現(xiàn)狀

機械設(shè)計實驗教學(xué)是機械設(shè)計課程的重要組成環(huán)節(jié)，是學(xué)生將所學(xué)到的關(guān)于零件設(shè)計的理論知識應(yīng)用于解決具體工程問題的重要媒介，更是培養(yǎng)學(xué)生在動手實踐過程中發(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)前的機械設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容雖然貼合理論教學(xué)內(nèi)容，但還是以傳統(tǒng)驗證性實驗為主，實驗內(nèi)容相對單一，實驗效果不理想，實驗?zāi)繕穗y以很好地達成。

我校機械設(shè)計實驗內(nèi)容主要包括機械構(gòu)件展示柜的參觀、滑動軸承實驗、帶傳動實驗、滾動軸承實驗。其中，參觀機械構(gòu)件展示柜的主要實驗內(nèi)容是了解常用連接件、軸系零部件的類型和結(jié)構(gòu)，機械傳動的類型、工作原理、組成結(jié)構(gòu)及失效形式，機械零件的失效形式等。此實驗內(nèi)容既和機械制造技術(shù)基礎(chǔ)這門課的實驗內(nèi)容部分重合，又不能實現(xiàn)提升學(xué)生實際動手操作能力的實驗?zāi)繕?。而滑動軸承實驗、帶傳動實驗和滾動軸承實驗屬于驗證性實驗。其中，滑動軸承實驗的主要內(nèi)容是了解實驗臺的構(gòu)造和工作原理，通過實驗進一步了解動壓潤滑油膜的形成機理，同時觀察載荷和轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時油膜壓力的變化情況，進而測定和繪制徑向滑動軸承徑向油膜壓力曲線和軸向油膜壓力曲線，從而驗證動壓油膜壓力分布情況；帶傳動實驗的主要內(nèi)容是了解帶傳動實驗臺結(jié)構(gòu)及工作原理，通過實驗觀察帶傳動中的彈性滑動和打滑現(xiàn)象，繪制帶傳動滑動曲線和效率曲線圖，驗證初拉力的改變對帶傳動能力的影響；滾動軸承實驗的主要內(nèi)容是了解滾動軸承實驗臺及其工作原理，通過實驗觀察總徑向載荷和軸向載荷發(fā)生變化時軸承徑向載荷分布的情況以及影響，從而驗證e取值的不同對滾動軸承所承受徑向載荷的影響。

上述4種實驗及其內(nèi)容的設(shè)置既不能很好地反映機械專業(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)的目標不相符。另外，機械設(shè)計實驗考核方式單一，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)致實驗教學(xué)內(nèi)容與實驗教學(xué)目標不相符。

二、機械設(shè)計實驗教學(xué)改革探索

從我?，F(xiàn)有機械設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置和實驗效果反饋的實際情況來看，機械設(shè)計實驗教學(xué)改革勢在必行。實驗內(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)生對所學(xué)理論基礎(chǔ)知識的綜合應(yīng)用能力，同時，還要注重提升學(xué)生將所掌握的機械專業(yè)基礎(chǔ)知識應(yīng)用于解決實際工程問題的能力。因此，對于機械設(shè)計實驗教學(xué)的改革需要從機械設(shè)計實驗教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、考核方式等方面進行設(shè)置。

（一）優(yōu)化實驗教學(xué)大綱

實驗教學(xué)大綱是基于學(xué)生已掌握的理論知識，為提升學(xué)生解決實際工程問題的能力而設(shè)置的。實驗教學(xué)是為了幫助學(xué)生驗證所學(xué)理論、鞏固和加深理解所學(xué)知識。學(xué)生需了解機械設(shè)計實驗的方法，掌握實驗臺工作原理和操作規(guī)程、儀器使用方法、測量設(shè)計、實驗結(jié)果分析、實驗報告書寫等。通過實驗技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的作風(fēng)、嚴謹?shù)目茖W(xué)實驗態(tài)度和獨立分析與解決實際問題的能力。

我校原機械設(shè)計實驗教學(xué)大綱共8個學(xué)時，教學(xué)內(nèi)容是基礎(chǔ)性和驗證性實驗，包括參觀機械構(gòu)件展示柜、滑動軸承實驗、帶傳動實驗、滾動軸承實驗。學(xué)生對于基礎(chǔ)性實驗和驗證性實驗的自主能動性較差，在做實驗時常走馬觀花、敷衍了事，對理論課上所講的內(nèi)容缺乏綜合的實踐經(jīng)驗，實驗效果較差。由于學(xué)時有限，針對目前實驗教學(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)生進一步掌握機械設(shè)計相關(guān)內(nèi)容，增強學(xué)生理論學(xué)習(xí)興趣和主動性。而對于參觀機械構(gòu)件展示柜和滾動軸承實驗這些重復(fù)性的基礎(chǔ)性和驗證性實驗，應(yīng)從原實驗教學(xué)大綱中去除，同時增設(shè)創(chuàng)新性實驗。

機械設(shè)計這門課是專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的橋梁，起著承前啟后的作用，對于機械類學(xué)生對機械專業(yè)知識實踐應(yīng)用的掌握深度和廣度起著決定性作用。在設(shè)置實驗內(nèi)容時，既要考慮學(xué)生的實驗興趣和自主能動性，又要結(jié)合學(xué)校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的實際，所以在去除原有部分實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，應(yīng)增加設(shè)置培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力的實驗，此實驗是學(xué)生可以自行選擇主題的創(chuàng)新性實驗。結(jié)合“產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同育人培養(yǎng)目標，聯(lián)系我校實際情況，此創(chuàng)新性實驗可以企業(yè)實際生產(chǎn)為主題。可利用校企合作平臺，與本地相關(guān)企業(yè)合作進而設(shè)置符合學(xué)生實際情況的創(chuàng)新性實驗課題，同時提高創(chuàng)新性實驗在本課程中的分值占比，對學(xué)生的考核應(yīng)更注重對實驗過程的考核。

結(jié)合原有實驗學(xué)時和內(nèi)容以及改革后實驗內(nèi)容的設(shè)置，機械設(shè)計實驗學(xué)時需增加8個學(xué)時。在原有實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上刪掉參觀機械構(gòu)件展示柜和滾動軸承試驗，只保留帶傳動實驗和滑動軸承實驗?；趯嶒灲虒W(xué)培養(yǎng)的目標，帶傳動實驗和滑動軸承實驗共占2個學(xué)時，而創(chuàng)新性實驗占14個學(xué)時。創(chuàng)新性實驗內(nèi)容的具體設(shè)置需要結(jié)合學(xué)校實際情況和本地企業(yè)實際情況，也可以讓學(xué)生自行選擇主題。

（二）優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容

基于目前機械設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置以及學(xué)生實驗效果反饋情況，機械設(shè)計實驗內(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，對現(xiàn)有實驗內(nèi)容進行刪減，同時增加創(chuàng)新性實驗內(nèi)容，比如開放性作品設(shè)計制造，如此既能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，又能讓學(xué)生對所學(xué)理論知識進行綜合運用。新增設(shè)的創(chuàng)新性實驗的內(nèi)容，要結(jié)合理論內(nèi)容中的常用通用傳動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（靜）壓滑動軸承、滾動軸承等，常用連接件如普通螺栓、銷釘、聯(lián)軸器、離合器等，常用驅(qū)動裝置如電動機、彈簧等，機械零部件的潤滑和密封，結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求、步驟、方法和準則等。

具體操作如下：對保留的帶傳動和滑動軸承實驗壓縮教學(xué)學(xué)時，教學(xué)內(nèi)容不作調(diào)整；新增設(shè)的創(chuàng)新性實驗可以由教師根據(jù)合作企業(yè)的具體情況，設(shè)置開放性實驗主題（以某企業(yè)的實際應(yīng)用為基礎(chǔ)），開放性作品主要是由學(xué)生采用團隊合作的方式完成，學(xué)生根據(jù)設(shè)置的主題進行組隊，3人一組，自行組隊，根據(jù)小組所選的主題來開展實驗。首先，進行原理方案設(shè)計，設(shè)計出原理方案圖；其次，進行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，給出結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖等；最后，進行總體設(shè)計，根據(jù)原理方案、技術(shù)路線、實驗內(nèi)容等設(shè)計并制造出能實現(xiàn)某種功能的機構(gòu)或機器，同時給出設(shè)計說明書，說明其基本功能、基本構(gòu)成、基本原理，并完成工程圖，做出實物圖。實物圖需能進行相應(yīng)操作。為了保證所有的學(xué)生都能積極主動地參加，每組完成后都要制作PPT，每人都要詳細展示自己所設(shè)計和完成的那一部分內(nèi)容，由小組組長對自己團隊所做出的實物進行演示。為了激發(fā)學(xué)生的實驗興趣和動力，教師和學(xué)院會邀請校內(nèi)外專家來指導(dǎo)學(xué)生。學(xué)生們所完成的作品都會被相關(guān)專家點評和打分。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及以上學(xué)科類或全科類競賽。

（三）優(yōu)化實驗考核方式

實驗結(jié)果的考核主要是考核學(xué)生對所學(xué)理論知識的掌握程度和應(yīng)用其解決實際問題的能力?；趦?yōu)化后的驗證性和創(chuàng)新性實驗內(nèi)容的設(shè)置，實驗考核方式也進行了相應(yīng)的修改。優(yōu)化后的考核方式更注重對學(xué)生實驗過程的考核，實驗過程在所有得分設(shè)置項中占比最高。驗證性實驗占比20%，創(chuàng)新性實驗占比80%。其中，驗證性實驗的考核包括考勤（占比5%）、實驗過程（占比10%）、結(jié)果分析（占比5%）；創(chuàng)新性實驗的考核包括完成的作品工程圖、作品實物圖以及作品展示成績，實驗過程占比50%，小組自評占比10%，組間互評占比20%。實驗過程一項主要是對學(xué)生自主創(chuàng)作的考核；小組自評是指本組作品完成后，本組成員對自己完成的作品打分；組間互評是指每組作品都完成后，小組成員針對其他組的設(shè)計說明書、工程圖紙、實物圖和作品展示等給出分數(shù)。在所有作品都展示完后，教師會請相關(guān)專家對所有作品進行點評并給出分數(shù)，前五名可獲專家推薦參加省級及以上學(xué)科類或全科類競賽。獲專家推薦參加相關(guān)學(xué)科競賽并獲獎的作品，可讓團隊成員獲得滿分的成績?？己瞬患案竦男〗M成員不再進行補考，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，將機械設(shè)計理論教學(xué)和實驗教學(xué)相結(jié)合，增強學(xué)生對所掌握的機械設(shè)計理論內(nèi)容進行實踐應(yīng)用的能力，為學(xué)生提供更自由的思維發(fā)散空間，進一步提升教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

［ 參 考 文 獻 ］

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

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

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

［責(zé)任編輯：周侯辰］