以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)改革與實踐

姜波　苗建偉　張翠翠　別磊　都行

摘 要：為適應(yīng)當前傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級對應(yīng)用型人才機械設(shè)計綜合能力不斷提高的需求，對機械設(shè)計基礎(chǔ)課程開展教學(xué)改革，革新教學(xué)理念，將OBE成果導(dǎo)向理念和CDIO工程教育模式融入課程教學(xué)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，引入ADAMS、CATIA、ANSYS等CAD/CAE分析軟件輔助教學(xué)。建立以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)體系，采用多元化過程性考核，以培養(yǎng)和提升學(xué)生的設(shè)計綜合實踐能力。

關(guān)鍵詞：能力培養(yǎng) 機械設(shè)計基礎(chǔ) 教學(xué)改革 OBE理念

1 引言

我國高等教育長期以來過于注重知識的傳授和學(xué)科的系統(tǒng)性，解決問題的現(xiàn)代信息技術(shù)手段方面的教學(xué)滯后，對學(xué)生獨立思考能力、實踐能力、工程軟件應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足，使得培養(yǎng)出來的學(xué)生實際動手能力較弱、工程軟件應(yīng)用能力薄弱、解決工程問題的能力和創(chuàng)新能力不足，難以適應(yīng)社會的需要。為此，擬針對高等院校機械專業(yè)應(yīng)用型人才工程能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)，對機械設(shè)計基礎(chǔ)課程開展教學(xué)研究，革新教學(xué)理念，將OBE成果導(dǎo)向理念[1]和CDIO工程教育模式[2]融入課程教學(xué)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，引入ADAMS[3]、CATIA、ANSYS等CAD/CAE分析軟件，強化過程性考核，建立以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)體系，加強機械類專業(yè)學(xué)生的工程設(shè)計能力，分析和解決實際問題的能力，創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的高素質(zhì)機械類應(yīng)用型創(chuàng)新人才作積極的探索和實踐。

2 教學(xué)理念與目標

2.1 教學(xué)理念

機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的教學(xué)貫徹以立德樹人為根本，以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，重視基本理論和基礎(chǔ)知識理解與應(yīng)用，融入OBE成果導(dǎo)向理念[4-6]和CDIO工程教育模式強化學(xué)生的工程實踐應(yīng)用能力培養(yǎng)，促進創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力養(yǎng)成的教學(xué)理念。

2.2 教學(xué)目標

依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標和課程理念，堅持正確價值觀引領(lǐng)下的知識、能力、情感和價值培養(yǎng)。團隊制定了機械設(shè)計基礎(chǔ)課程四維培養(yǎng)目標：一、課程教學(xué)遵循立德樹人和學(xué)生職業(yè)發(fā)展要求的價值引領(lǐng)；二、使學(xué)生掌握機械機構(gòu)和零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)理論知識及其應(yīng)用技術(shù)；三、培養(yǎng)學(xué)生從機構(gòu)方案設(shè)計與分析、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、整機設(shè)計到產(chǎn)品開發(fā)的工程綜合設(shè)計能力；四、結(jié)合日常生活和社會實踐，開展養(yǎng)德修為教育，挖掘蘊含課程內(nèi)容中的思政元素，結(jié)合民族歷史、科技進步和工業(yè)發(fā)展講設(shè)計，引領(lǐng)學(xué)生樹立正確人生理想，培養(yǎng)家國情懷。

3 教學(xué)體系構(gòu)建

結(jié)合當前機械行業(yè)轉(zhuǎn)型升級對機械工程師機械產(chǎn)品設(shè)計及現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用能力的要求，構(gòu)建了機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的教學(xué)體系，如圖1所示。該體系由機械工程師基礎(chǔ)設(shè)計知識模塊和機械工程師綜合設(shè)計能力模塊兩大模塊組成。其中機械工程師基礎(chǔ)設(shè)計知識模塊包括常用機構(gòu)及其設(shè)計、機械系統(tǒng)方案設(shè)計、機械零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程軟件應(yīng)用等內(nèi)容，強調(diào)基本理論知識和基礎(chǔ)應(yīng)用能力的培養(yǎng)；機械工程師綜合設(shè)計能力模塊包括項目大作業(yè)、綜合性實驗、課程設(shè)計、學(xué)科競賽和科技創(chuàng)新活動等內(nèi)容，全過程融入OBE成果導(dǎo)向和CDIO工程育人模式，充分落實學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位，強調(diào)學(xué)生的工程綜合設(shè)計能力的培養(yǎng)與實踐。同時融入課程思政教育，實現(xiàn)四位一體的知識、能力、情感、價值教學(xué)目標。

4 教學(xué)內(nèi)容改革與實施

4.1 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

為貫徹機械設(shè)計基礎(chǔ)課程以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)理念，對教學(xué)內(nèi)容進行精簡，去掉繁瑣難懂的公式推導(dǎo)，保留核心的機械設(shè)計基本理論和知識，同時引入ADAMS、CATIA、ANSYS工程軟件應(yīng)用實踐內(nèi)容，增加工程實踐項目案例教學(xué)，使學(xué)生親歷方案構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能分析、制作與運行調(diào)試的完整機械產(chǎn)品設(shè)計周期。課程教學(xué)主要內(nèi)容包括：常用機構(gòu)設(shè)計與分析、運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、連接、軸系零部件、典型傳動部件、工程軟件應(yīng)用和機械系統(tǒng)整機設(shè)計實踐。

4.2 融入OBE理念和CDIO教育模式的教學(xué)實施

為培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思維和設(shè)計實踐能力，在教學(xué)過程中充分調(diào)動學(xué)生的積極性和參與度，采用小組項目式教學(xué)，利用好課上和課下的時間，結(jié)合常用機構(gòu)設(shè)計與分析、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析、全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、工程實踐與創(chuàng)新能力競賽、三維數(shù)字化設(shè)計大賽等學(xué)科競賽主題開展從簡單到復(fù)雜的遞進式項目教學(xué)，使學(xué)生參與方案構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)與運行調(diào)試的全過程，將OBE教育理念和CDIO教育模式融入教學(xué)過程。教學(xué)實施過程如圖2所示，在教學(xué)實施的過程中，學(xué)生充分體會到了學(xué)習(xí)的樂趣，產(chǎn)出了豐富的學(xué)習(xí)成果，獲得全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、工程實踐與創(chuàng)新能力競賽等省級以上獎項80余項，部分成果如圖3所示。融入OBE理念和CDIO教育模式的教學(xué)過程，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性和在學(xué)習(xí)中的主體作用，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決復(fù)雜工程問題的實踐能力。

4.3 CAD/CAE工程軟件融入教學(xué)

隨著計算機輔助設(shè)計技術(shù)的普及和發(fā)展，ADAMS、CATIA、ANSYS等工程軟件已經(jīng)成為機械裝備行業(yè)開展產(chǎn)品設(shè)計與分析的重要工具，為了讓學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)能夠跟行業(yè)接軌，在機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的教學(xué)中將ADAMS、CATIA、ANSYS等CAD/CAE工程軟件的應(yīng)用融入教學(xué)，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)機械設(shè)計基本理論和知識時能夠同步學(xué)習(xí)CAD/CAE工程軟件的應(yīng)用技術(shù)，并能夠運用工程軟件解決機械設(shè)計中的技術(shù)問題。例如在進行平面機構(gòu)運動學(xué)分析內(nèi)容的講解時，采用ADAMS軟件搭建曲柄搖桿機構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機構(gòu)兩種典型四桿機構(gòu)的模型，分析兩種機構(gòu)的運動特性變化規(guī)律。

假設(shè)兩種機構(gòu)具有相同的行程速比系數(shù)K=1.414，主動件均為曲柄，且其長度與角速度相等。具體尺寸分別為：①曲柄搖桿機構(gòu)：曲柄a=50mm，連桿b=200mm，搖桿c=300mm，機架d=210mm；②擺動導(dǎo)桿機構(gòu)：曲柄a=50mm，機架d=210mm。選擇兩機構(gòu)運動中搖桿和導(dǎo)桿均處于右極限位置的瞬時時刻，通過ADAMS軟件進行模型創(chuàng)建，添加轉(zhuǎn)動副、移動副等運動副約束關(guān)系和轉(zhuǎn)動驅(qū)動，并設(shè)置曲柄的角速度為60°/s，仿真時長為6s。得到兩機構(gòu)的仿真模型、速度和加速度特性曲線如圖4、5所示。從曲線圖中我們可以看到，曲柄搖桿機構(gòu)搖桿的運動曲線加速段時間短，平均加速度值較大，減速段的時間約為加速段的1.5倍；擺動導(dǎo)桿機構(gòu)導(dǎo)桿在一個行程中的加、減速時間相等，速度、加速度變化對稱，具有單程對稱性。通過仿真分析可知在行程速比系數(shù)、曲柄長度及輸入角速度相等的條件下，導(dǎo)桿機構(gòu)的運動平穩(wěn)性較好，曲柄搖桿機構(gòu)的速度和加速度極值及變化較大，運動平穩(wěn)性較差。通過ADAMS軟件搭建機構(gòu)的仿真模型對機構(gòu)進行運動特性分析的方法，對于在機構(gòu)設(shè)計中進行機構(gòu)的正確選型和對機構(gòu)工作性能的評價起到了很好的輔助作用。

5 課程考核評價體系

結(jié)合機械設(shè)計基礎(chǔ)課程以方案構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能分析與制作等實踐過程來實現(xiàn)學(xué)生機械產(chǎn)品設(shè)計知識的獲取和能力的培養(yǎng)，采用多元化的成績考核評價體系，包括過程性評定和終結(jié)性評定。其中過程性評價占比70%，具體內(nèi)容包括：課前預(yù)習(xí)10%（線上學(xué)習(xí)5%、項目活動5%）、課堂表現(xiàn)15%（出勤5%、互動討論10%）、課后學(xué)習(xí)20%（作業(yè)10%、項目實踐10%）、課程思政5%、實驗10%、階段測驗10%。終結(jié)性評定占比30%。具體見圖6所示。

6 結(jié)語

通過建立以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)體系，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，引入ADAMS、CATIA、ANSYS等CAD/CAE分析軟件，將OBE成果導(dǎo)向理念和CDIO工程教育模式融入教學(xué)過程，建立多元化評價考核體系，對機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)改革，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，使學(xué)生學(xué)習(xí)和項目實踐的過程中完成調(diào)研分析、獨立構(gòu)思、方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作、運行調(diào)試的完整產(chǎn)品設(shè)計過程。所完成的設(shè)計作品在機械創(chuàng)新設(shè)計大賽等學(xué)科競賽中取得優(yōu)異的成績，專業(yè)綜合設(shè)計實踐能力得到鍛煉和提升，為今后的專業(yè)學(xué)習(xí)和更好地服務(wù)行業(yè)企業(yè)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

基金項目：吉林省高等教育教學(xué)改革研究課題《以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的機械設(shè)計基礎(chǔ)課程建設(shè)改革與實踐》（編號：20224BR4CV3009N）。

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