地方應(yīng)用型本科高校機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革研究

蔣亮 郭永信 孫雪

摘要：新工科教育背景下，對教學(xué)改革和人才培養(yǎng)過程提出了更高要求。本研究針對當(dāng)前地方應(yīng)用型本科高校機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及存在的問題，從豐富課程題目設(shè)計(jì)、運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具、強(qiáng)化過程管理、建立全面考核機(jī)制等方面討論了機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革的可行辦法。以期提高課程設(shè)計(jì)的教學(xué)效果，強(qiáng)化學(xué)生工程意識(shí)，激發(fā)學(xué)生參加工程實(shí)踐活動(dòng)的熱情，為其他工科課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革提供借鑒。

關(guān)鍵詞：新工科；過程管理；考核機(jī)制；工程意識(shí)

機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是工科院校機(jī)械類專業(yè)及近機(jī)械類專業(yè)必修的一門重要實(shí)踐課程，注重學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，其基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和綜合性等特點(diǎn)十分突出［12］。課程設(shè)計(jì)作為一門實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對其先修課程要求較高，比如：機(jī)械制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、工程材料及成型技術(shù)、互換性與測量技術(shù)等。通過完成課程設(shè)計(jì)，不僅可以鞏固學(xué)生對先修課程基本知識(shí)和基本理論的理解，而且可以掌握基本的機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法和步驟，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及畢業(yè)后從事機(jī)械相關(guān)工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

然而，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)安排比較集中，一般在2～3周時(shí)間內(nèi)完成。通常以二級(jí)齒輪減速機(jī)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，學(xué)生根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)及傳動(dòng)形式，完成全部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算，對傳動(dòng)件及附屬零件展開設(shè)計(jì)，完成總體裝配圖，編制課程設(shè)計(jì)說明書［3］。該教學(xué)方式具有良好的教學(xué)效果，但是教學(xué)模式單一，實(shí)踐性較差，學(xué)生缺乏主動(dòng)性和積極性，只需運(yùn)用前期理論知識(shí)，按照經(jīng)典理論、經(jīng)典公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)與選型，并未考慮合理性、經(jīng)濟(jì)性等因素。最終，出現(xiàn)繪制的圖紙不完整，零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，裝配困難或者無法進(jìn)行裝配，整臺(tái)設(shè)備尺寸過大、質(zhì)量較大等情況，學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力得不到提升。

與傳統(tǒng)的工科教育相比，新工科教育更注重對學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對于地方應(yīng)用型本科高校而言，以服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)為宗旨，為機(jī)械行業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用研究和開發(fā)的創(chuàng)新人才，學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)顯得更加重要。因此，作為機(jī)械專業(yè)及近機(jī)械類專業(yè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在新工科建設(shè)背景下，加強(qiáng)對該機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的建設(shè)，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的主觀學(xué)習(xí)能動(dòng)性，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作精神，達(dá)到知識(shí)、能力和素質(zhì)的有機(jī)融合。

1課程設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及存在的問題

1.1設(shè)計(jì)題目陳舊、缺乏創(chuàng)新

由于減速器的設(shè)計(jì)過程涵蓋了機(jī)械設(shè)計(jì)課程的基本理論和設(shè)計(jì)方法，當(dāng)前，大多數(shù)高校的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)選擇以二級(jí)齒輪減速器為主體的機(jī)械傳動(dòng)裝置作為設(shè)計(jì)課題，具有典型的代表性。具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包含：零件、箱體的設(shè)計(jì)，完成零件圖、裝配圖的繪制以及說明書的編寫［4］。但是，傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)題目和給定參數(shù)多年不變，而且網(wǎng)絡(luò)參考資料眾多，學(xué)生只需要查手冊、套公式，完成設(shè)計(jì)說明書即可，這就導(dǎo)致了相互借鑒的現(xiàn)象。對于課程設(shè)計(jì)中涉及的裝配體結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系等方面知識(shí)缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。此外，傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題目與專業(yè)后續(xù)課程、畢業(yè)設(shè)計(jì)沒有太大的關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)致學(xué)生對該課程的重要性認(rèn)識(shí)不足，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)要求和課程設(shè)計(jì)目的。

1.2設(shè)計(jì)方法和手段落后

課程設(shè)計(jì)中涉及多種零部件的參數(shù)計(jì)算，如齒輪傳動(dòng)、軸、軸承等零件。大多數(shù)計(jì)算仍采用手工計(jì)算，其計(jì)算量較大，效率較低，對學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和能力的要求較高。同時(shí)，同類設(shè)計(jì)對象的步驟相同，重復(fù)性的計(jì)算工作較多，導(dǎo)致學(xué)生很難在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，出現(xiàn)錯(cuò)誤也不易察覺與糾正。此外，設(shè)計(jì)過程中涉及零件圖和裝配圖的繪制，傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)多采用手工繪圖，這種制圖方式所占課程時(shí)間比例較大，嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)效率和課程設(shè)計(jì)進(jìn)度，也影響了學(xué)生對課程設(shè)計(jì)的積極性。機(jī)械類教學(xué)質(zhì)量國標(biāo)中要求“具有在機(jī)械工程實(shí)踐中選擇、運(yùn)用相應(yīng)技術(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具的能力?！蓖瑫r(shí)，提出機(jī)械工程專業(yè)核心知識(shí)領(lǐng)域要求包括“計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)”［5］。因此，學(xué)校應(yīng)該加強(qiáng)普及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，使學(xué)生熟悉先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和手段，增加學(xué)生的設(shè)計(jì)積極性，提高課程設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，使學(xué)生滿足“新工科”背景下就業(yè)市場的需求。

1.3組織管理不足

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)采用集中安排2～3周的授課方式，在課程設(shè)計(jì)過程中會(huì)穿插各種考試，學(xué)生無法集中精力于課程設(shè)計(jì)，導(dǎo)致學(xué)生無法在較短的規(guī)定時(shí)間內(nèi)保質(zhì)保量地完成設(shè)計(jì)目標(biāo)，限制了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，每個(gè)教學(xué)班通常只有一位指導(dǎo)教師，需要指導(dǎo)20～30名以上的學(xué)生，教師資源嚴(yán)重不足。在課程初期，由指導(dǎo)教師分配設(shè)計(jì)任務(wù)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程起到監(jiān)督管理的作用，課程設(shè)計(jì)結(jié)束后，學(xué)生按時(shí)提交設(shè)計(jì)說明書等相關(guān)材料即可［6］。然而，每位學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和能力存在不同，在課程設(shè)計(jì)中需要解決的問題也各不相同，在這種非一對一指導(dǎo)的設(shè)計(jì)過程中，很難保障每位學(xué)生得到有效的指導(dǎo)，影響學(xué)生的設(shè)計(jì)效果和設(shè)計(jì)進(jìn)度，最終導(dǎo)致學(xué)生無法按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)。同時(shí)，指導(dǎo)教師不定期抽查，無法精準(zhǔn)把握學(xué)生課程設(shè)計(jì)的進(jìn)度和知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。有限的教學(xué)資源導(dǎo)致教師組織管理不足、學(xué)生學(xué)習(xí)差異的現(xiàn)象進(jìn)一步擴(kuò)大，最終成績呈現(xiàn)兩極分化現(xiàn)象。

1.4考核單一

指導(dǎo)教師對課程設(shè)計(jì)的考核方式過于簡單，僅僅根據(jù)學(xué)生最終的圖紙和課程設(shè)計(jì)說明書等紙質(zhì)材料來評定學(xué)生成績。該考核方式很難真實(shí)有效地評價(jià)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)開展機(jī)械設(shè)計(jì)的工程化能力和水平，考核完全取決于教師的主觀評價(jià)，缺乏標(biāo)準(zhǔn)性和透明度，沒有調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，違背了課程設(shè)計(jì)教學(xué)的初衷［7］。此外，傳統(tǒng)教學(xué)考核方式限制了教學(xué)和評估的本質(zhì)，僅僅注重理論學(xué)習(xí)結(jié)果的評價(jià)，忽略了學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出來的創(chuàng)造性、團(tuán)隊(duì)合作能力以及責(zé)任感等難以被量化的成果。教育部所印發(fā)的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》文件中強(qiáng)調(diào)了教學(xué)環(huán)節(jié)中的考核應(yīng)加大過程考核成績在總成績中的比重，從而真實(shí)有效地評價(jià)學(xué)生工程化能力和水平［89］。因此，急需制定全面的課程評價(jià)體系，提高對學(xué)生的綜合能力水平的考核。

2改革措施

2.1豐富課程設(shè)計(jì)題目

在新工科背景下，以學(xué)生專業(yè)能力培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)、落腳點(diǎn)，適當(dāng)擴(kuò)大選題范圍，豐富機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的題目，對傳統(tǒng)減速器題目進(jìn)行更新替代。課程設(shè)計(jì)的選題來源很廣，主要來源于教師科研課題、機(jī)械類相關(guān)競賽和企業(yè)項(xiàng)目等方面［10］。首先，高校教師具有扎實(shí)的專業(yè)理論基礎(chǔ)，指導(dǎo)教師從自身科研項(xiàng)目中篩選出具有較好代表性的課程設(shè)計(jì)題目，將課程設(shè)計(jì)題目從一般用途的減速器改為高鐵、機(jī)器人、風(fēng)機(jī)等使用的減速箱或者增速箱。其次，以學(xué)科競賽為驅(qū)動(dòng)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新和主動(dòng)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)興趣，比如機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、挑戰(zhàn)杯競賽和全國機(jī)器人大賽等。將競賽內(nèi)容轉(zhuǎn)化為課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，豐富課程設(shè)計(jì)題目，從傳統(tǒng)的命題式設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦傎愹?qū)動(dòng)的探究式學(xué)習(xí)。最后，校企實(shí)踐基地可以為課程設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)方向，以企業(yè)項(xiàng)目任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，由高校教師與企業(yè)工程師共同指導(dǎo)，加深學(xué)生對現(xiàn)有產(chǎn)品及技術(shù)的認(rèn)知，形成對復(fù)雜工程的系統(tǒng)視野。

此外，設(shè)置不同難度等級(jí)的課程設(shè)計(jì)題目，學(xué)生根據(jù)自身專業(yè)水平自選或者自行設(shè)計(jì)題目，指導(dǎo)教師經(jīng)過探討、分析、調(diào)整、修改后確定最終選題，確保題目具有可操作性，解決設(shè)計(jì)題目單一化問題，滿足不同層次學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程中各方面能力鍛煉要求。這樣不僅可以保障課程設(shè)計(jì)任務(wù)的順利完成，而且可以提高學(xué)生理論運(yùn)用能力及創(chuàng)新能力。

2.2融入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

當(dāng)前，部分高校已經(jīng)開展現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究，比較常用的就是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，如CAD二維制圖及三維建模，但是對于運(yùn)動(dòng)仿真的分析不足，后期應(yīng)要求學(xué)生利用三維軟件完成整個(gè)課程設(shè)計(jì)建模及組裝，并開展運(yùn)動(dòng)仿真的研究，也可借助學(xué)校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行3D打印，開展實(shí)體裝配。傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)按照公式對軸等零部件進(jìn)行校核，但是計(jì)算量較大，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，對于較復(fù)雜的局部位置的應(yīng)力強(qiáng)度難以精確校核。可以通過有限元仿真對零部件展開分析，特別是應(yīng)力集中處的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行精確校核。當(dāng)然，鑒于學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和專業(yè)水平不同，可以分小組形式開展有限元分析或者選擇具有代表性的零件進(jìn)行仿真分析。此外，可以通過ANSYS、MATLAB等具有優(yōu)化模塊的軟件開展機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，如進(jìn)行成本、壽命、體積和重量等多目標(biāo)的優(yōu)化，此環(huán)節(jié)存在一定難度，作為選做任務(wù)［1112］。課程設(shè)計(jì)融入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，加強(qiáng)學(xué)生對現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)手段的應(yīng)用，同時(shí)可以加深學(xué)生對整個(gè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的直觀認(rèn)識(shí)和深入理解。

2.3科學(xué)組織及強(qiáng)化過程管理

課程設(shè)計(jì)基于項(xiàng)目教學(xué)法展開教學(xué)，將課程設(shè)計(jì)分成若干個(gè)項(xiàng)目單元融于教學(xué)環(huán)節(jié)中。課程初期，學(xué)生自由組隊(duì)，形成一個(gè)3～5人的小組并確定組長，組長配合教師統(tǒng)籌負(fù)責(zé)小組設(shè)計(jì)工作。課程設(shè)計(jì)過程中涉及多個(gè)方面的內(nèi)容，比如：設(shè)計(jì)手冊的查閱、零部件的設(shè)計(jì)及校核、零件圖和裝配圖的繪制、三維建模仿真、答辯PPT制作及匯報(bào)等工作，學(xué)生根據(jù)自己的專業(yè)水平及興趣選擇相應(yīng)工作，并建立甘特圖，以時(shí)間順序顯示所要完成的工作，并及時(shí)更新任務(wù)進(jìn)程。盡管每人獨(dú)立負(fù)責(zé)其中的某一部分工作，但是仍然強(qiáng)調(diào)小組成員之間的相互溝通、相互配合以及相互監(jiān)督，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作設(shè)計(jì)能力和團(tuán)隊(duì)精神。為了充分發(fā)揮教師在課程設(shè)計(jì)過程中的指導(dǎo)及管理作用，為學(xué)生選定專用教室，定期檢查學(xué)生出勤情況。嚴(yán)格的出勤管理可以確保學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程中投入充足的時(shí)間，加強(qiáng)學(xué)生對課程設(shè)計(jì)的重視程度。不定期安排線下集中輔導(dǎo)和線上單獨(dú)解答環(huán)節(jié)，可以及時(shí)糾正學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，精準(zhǔn)掌握學(xué)生的設(shè)計(jì)進(jìn)度，督促學(xué)生按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，還能根據(jù)每次的檢查結(jié)果判斷學(xué)生是否獨(dú)立完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作，作為后期課程成績的評定依據(jù)。

2.4建立全面的課程評價(jià)體系

課程設(shè)計(jì)的考核評價(jià)綜合考慮設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)成果、答辯評分和組內(nèi)互評成績，分別占總評成績的20%、50%、20%和10%。設(shè)計(jì)過程主要考慮平時(shí)的考勤情況、項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)完成情況以及解決問題的合理性等方面；設(shè)計(jì)成果包含傳統(tǒng)的零件圖和裝配體圖紙以及設(shè)計(jì)說明書，重點(diǎn)考核設(shè)計(jì)的合理性、創(chuàng)新性、圖紙的完整性和設(shè)計(jì)說明書的規(guī)范性；強(qiáng)化課程答辯所占比例，邀請具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)教師參與答辯，以小組的形式逐一進(jìn)行答辯審查，指導(dǎo)教師根據(jù)圖紙和說明書提出問題，并給出修改意見，同時(shí)對每個(gè)小組及成員在答辯時(shí)的陳述表達(dá)能力給予一定打分，客觀評定學(xué)生對理論知識(shí)的掌握情況，在考核評價(jià)中加入組內(nèi)互評成績，每個(gè)小組成員根據(jù)組員在設(shè)計(jì)過程中的表現(xiàn)和貢獻(xiàn)進(jìn)行打分，計(jì)入總成績［6，13］。采用全面的課程評價(jià)體系，可以較好地考核學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程中的綜合表現(xiàn)，避免出現(xiàn)個(gè)別學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程中貢獻(xiàn)不足，最終卻憑借紙質(zhì)材料獲得較高得分的情況發(fā)生。

結(jié)語

機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)無法滿足新工科建設(shè)理念，存在以下問題：設(shè)計(jì)題目陳舊、缺乏創(chuàng)新、設(shè)計(jì)方法和手段落后、組織管理不足以及課程考核單一，課程改革迫在眉睫。為了滿足新工科建設(shè)對學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)要求，以學(xué)生專業(yè)能力培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)、落腳點(diǎn)，適當(dāng)擴(kuò)大選題范圍，豐富機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的題目；融入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)三種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，提高學(xué)生設(shè)計(jì)能力；基于項(xiàng)目教學(xué)法強(qiáng)化過程管理，提高課程設(shè)計(jì)的實(shí)施效果；最終，建立全面的課程評價(jià)體系，更加科學(xué)、有效、合理地評價(jià)學(xué)生課程成績。

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基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)?；A(chǔ)科學(xué)（自然科學(xué)）研究項(xiàng)目（22KJB460039）；“太湖之光”科技攻關(guān)（基礎(chǔ)研究）（K20221048）；無錫市科協(xié)軟科學(xué)研究課題（KX22B45）

作者簡介：蔣亮（1987—），男，漢族，江蘇淮安人，博士，高級(jí)工程師，研究方向：空泡動(dòng)力學(xué)、工業(yè)裝備研發(fā)與智慧運(yùn)維。

*通訊作者：郭永信（1989—），男，漢族，山東菏澤人，博士，講師，研究方向：精密制造技術(shù)及摩擦學(xué)。