從系列課程角度考慮機械原理與機械設(shè)計課程的內(nèi)容設(shè)置

[摘 要]將機械原理和機械設(shè)計及課程設(shè)計放在本科生培養(yǎng)課程體系之中，依據(jù)兩門課程的地位和作用，分析這兩門課程及其課程設(shè)計在內(nèi)容設(shè)置上存在的一些問題和不足，并提出改進的措施。

[關(guān)鍵詞]機械原理與機械設(shè)計 課程體系 內(nèi)容設(shè)置

[中圖分類號] G642 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）01-0055-02

一、引 言

大學(xué)課程主要包括基礎(chǔ)課、專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課三個不同層次。作為專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程的機械原理和機械設(shè)計是起到承接數(shù)學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)等基礎(chǔ)課程并使其在機械工程領(lǐng)域應(yīng)用，讓機械類及近機械類本科生建立起本學(xué)科基本概念并培養(yǎng)專業(yè)基本技能，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)起鋪墊作用。因此，這兩門課程的主要目的應(yīng)是培養(yǎng)學(xué)生具備利用先修課程知識分析和設(shè)計簡單機械的能力。但從目前教學(xué)內(nèi)容安排來看，要實現(xiàn)這一目標(biāo)還存在一些需要改進的地方。這方面的已有的一些改革往往把兩門課程和本科生培養(yǎng)的整個課程體系分割開來，孤立地進行課程內(nèi)容的調(diào)整。通常是為擴大學(xué)生知識面而增加教學(xué)內(nèi)容[1， 2]，結(jié)果導(dǎo)致課程教學(xué)偏離培養(yǎng)目標(biāo)。只有將改革放在整個課程體系中，圍繞兩門課程性質(zhì)和任務(wù)進行教學(xué)內(nèi)容調(diào)整，才能有效解決存在的問題，避免陷入一味從廣度和深度增加內(nèi)容的改革誤區(qū)[3]。

二、存在的問題

（一）機械原理與機械設(shè)計課程內(nèi)容存在的問題

兩門課程內(nèi)容還存在與其性質(zhì)和任務(wù)不相符合的地方，主要表現(xiàn)在以下四個方面：

第一，課程內(nèi)容體系沒有充分體現(xiàn)設(shè)計機械或零件的實際過程。比如，設(shè)計與制造脫節(jié)。設(shè)計機器或零件最終目的是能夠加工出滿足人們需要的產(chǎn)品，經(jīng)典的機械基礎(chǔ)教材當(dāng)中幾乎很少涉及制造工藝方面的內(nèi)容，導(dǎo)致設(shè)計與制造脫節(jié)，使系統(tǒng)方案制定、零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與物性參數(shù)的選擇非常容易出現(xiàn)失誤，這種設(shè)計模式嚴(yán)重降低了機械產(chǎn)品的研發(fā)效率。

第二，與先修課程銜接融合不足。從國內(nèi)外教材內(nèi)容的比較來看，國內(nèi)機械設(shè)計課程存在強調(diào)“結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計”的傾向，有的還對零件結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行虛擬設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生在先修課程中剛剛掌握的基礎(chǔ)知識和方法，在有限的學(xué)時內(nèi)并沒有得到充分的訓(xùn)練，而這些都是設(shè)計機械和零件的基礎(chǔ)。

第三，課程內(nèi)容過多過寬，有些與后續(xù)課程重復(fù)。內(nèi)容的擴展過寬，有些教材不僅包含摩擦傳動、撓性件傳動、液壓、氣動，還包括總體方案設(shè)計、執(zhí)行機構(gòu)的方案設(shè)計和機械傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計等內(nèi)容。但教學(xué)上由于學(xué)時所限無法對每一部分進行深入，只能是匆匆而過。況且，許多內(nèi)容都是后續(xù)專業(yè)課的內(nèi)容。機械設(shè)計課程也不同程度存在類似問題，比如，較多引入本科生難以理解的現(xiàn)代設(shè)計概念和方法，增加了課程的難度和內(nèi)容。

第四，與工程實際聯(lián)系不夠緊密。機械原理課程缺乏對工程實際機械系統(tǒng)分析的內(nèi)容。比如，機構(gòu)自由度和輪系傳動比的計算也大都是以理論模型例子為主，并沒有通過列舉工程實際機器的例子進行講解，這樣不利于培養(yǎng)學(xué)生熟悉現(xiàn)代機器設(shè)備以及觀察分析實際機構(gòu)能力。機械設(shè)計則主要體現(xiàn)在緊跟時代發(fā)展的現(xiàn)代先進機械設(shè)備的例子還很少，特別是在大作業(yè)方面尤為明顯。

（二）課程設(shè)計存在的問題

機械原理主要要求學(xué)生掌握機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)分析，機械設(shè)計則是針對機器及零部件的受力、計算和材料選用，這兩部分構(gòu)成了設(shè)計機械的完整過程。目前，這兩門課的課程設(shè)計是在完成各自理論教學(xué)之后分別進行的，設(shè)計題目和內(nèi)容也是單獨制定，沒有統(tǒng)一到整機的設(shè)計上來。這種做法將設(shè)計機械這樣一個原本密切相關(guān)的過程人為割裂開來，不利于學(xué)生綜合運用兩部分知識和熟悉設(shè)計機械整個過程并掌握基本技能的培養(yǎng)。另外，設(shè)計題目內(nèi)容也沒有充分做到緊跟時代發(fā)展，貼近工程實際。

三、改進措施

（一）課程內(nèi)容的改進

1.兩課內(nèi)容設(shè)置應(yīng)以設(shè)計與制造一體化為主線

機械原理與機械設(shè)計的課程內(nèi)容應(yīng)貫徹設(shè)計與制造一體化的主導(dǎo)思想，在教學(xué)當(dāng)中強調(diào)制造對設(shè)計的檢驗作用，引導(dǎo)學(xué)生樹立機械產(chǎn)品研發(fā)是設(shè)計與制造相互交織的過程。這就要求兩門課程的內(nèi)容安排能夠在有限學(xué)時內(nèi)，通過少數(shù)典型機構(gòu)或零部件的設(shè)計-制造一體化問題全面透徹的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生掌握機械設(shè)計的基本理論、方法以及設(shè)計簡單機械的技能。

2.機械原理課程內(nèi)容應(yīng)以桿機構(gòu)的分析為核心，實現(xiàn)簡單機構(gòu)的綜合

機械原理課程應(yīng)以培養(yǎng)學(xué)生掌握和分析機構(gòu)為核心，尤其是桿件機構(gòu)。在機構(gòu)的工程運用上，要求能夠?qū)崿F(xiàn)簡單機械的機構(gòu)綜合。這方面，國外一些先進教材內(nèi)容的重點核心較為突出，如機械工業(yè)出版社影印的荷馬力艾克哈德所著《機器與機構(gòu)動力學(xué)設(shè)計》一書共13章[4]，其中9章講述與桿件機構(gòu)設(shè)計有關(guān)的內(nèi)容課程的核心與重點顯而易見。教學(xué)上要盡量減少本應(yīng)由先修課程解決的公式推導(dǎo)等過程，增加對機構(gòu)進行深入細致分析的學(xué)時。

3.機械設(shè)計應(yīng)強調(diào)基礎(chǔ)知識與方法在設(shè)計當(dāng)中的運用

機械設(shè)計內(nèi)容應(yīng)充分體現(xiàn)先修課程的基礎(chǔ)知識與計算分析方法在簡單機械設(shè)計過程中的應(yīng)用和強化訓(xùn)練，強調(diào)“受力分析、計算與材料選用”。例如，對于精密機床，特別是高速精密機床，床身的動態(tài)特性對其加工質(zhì)量和效率起決定性的影響，只有在分析機床床身的動態(tài)特性并參數(shù)優(yōu)化計算的基礎(chǔ)上，才能實現(xiàn)機床結(jié)構(gòu)和參數(shù)的合理選擇和設(shè)計，從而保證精密機床滿足高質(zhì)量加工要求。我們認(rèn)為把機械設(shè)計放在培養(yǎng)工科機械類及近機械類本科生的整個過程當(dāng)中來看，核心仍然是基礎(chǔ)、力學(xué)與材料，培養(yǎng)學(xué)生的基本工程技能與掌握專業(yè)基礎(chǔ)知識是主要任務(wù)，而結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計等方法問題則主要應(yīng)交給后續(xù)的專業(yè)課程來完成。另外，在機械設(shè)計的教學(xué)實踐當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，仍然有相當(dāng)大比例的學(xué)生不能夠正確畫出螺栓連接結(jié)構(gòu)圖，許多學(xué)生看圖的能力也較差，尤其對一些涉及工程實際的機械結(jié)構(gòu)的分析能力。盡管許多大學(xué)將機械設(shè)計與工程材料兩門課程放在同一學(xué)期，但學(xué)生幾乎無法將剛剛學(xué)到的知識有意識地運用到機械設(shè)計當(dāng)中，經(jīng)常出現(xiàn)零件材料選擇就是簡單地直接抄襲教材例題的現(xiàn)象，學(xué)生大都不會去探究為什么，是否還有更優(yōu)的選擇方案。而零部件材料的選擇已成為現(xiàn)代機械設(shè)計的重要方面，對設(shè)計的成功起著越來越關(guān)鍵的作用[5，6]。機械零件材料的選擇是機械設(shè)計課程需要重點加強的內(nèi)容，尤其是環(huán)保材料在設(shè)計中選用方面，在教材內(nèi)容安排和教學(xué)活動中都應(yīng)該加以足夠的重視。因此，機械設(shè)計課程只有與先修課程充分銜接融合，解決先修課程基礎(chǔ)知識和方法在設(shè)計當(dāng)中的正確運用問題，才能使學(xué)生在后續(xù)機器和零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計課程中有一個堅實的基礎(chǔ)。否則，機械的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的質(zhì)量和效率將無法得到保障。

4.機械原理增加大作業(yè)，機械設(shè)計應(yīng)加強大作業(yè)

機械設(shè)計的大作業(yè)與工程實際案例結(jié)合還遠遠不夠，對大作業(yè)中要加強對設(shè)計計算結(jié)果的分析對比和設(shè)計方案的優(yōu)選，強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和綜合設(shè)計計算的能力。對于典型零件的設(shè)計可要求學(xué)生通過計算機輔助設(shè)計軟件完成，提高學(xué)生利用現(xiàn)代先進設(shè)計方法設(shè)計傳統(tǒng)機械零件的意識和能力。但是，目前對于機械設(shè)計大作業(yè)存在缺少設(shè)計資料等問題。這個暫時可以通過充分利用圖書館或上網(wǎng)來解決，長期來講就是要在教材當(dāng)中增加一些有關(guān)的技術(shù)資料或以附錄的形式提供給學(xué)生。在硬件方面要加大CAD實驗室建設(shè)。

（二）課程設(shè)計內(nèi)容的改進

機械原理與機械設(shè)計課程設(shè)計的題目和內(nèi)容應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一，體現(xiàn)簡單機械的完整設(shè)計過程。而且設(shè)計題目內(nèi)容要貼近工程實際，讓學(xué)生能夠體驗到真實的機械設(shè)計全過程，真正體現(xiàn)對學(xué)生能力的培養(yǎng)。我們認(rèn)為這方面的改革應(yīng)從以下三個方面入手。第一，機械原理課程設(shè)計應(yīng)從目前的綜合與方案設(shè)計，轉(zhuǎn)向?qū)⒎桨冈O(shè)計的難度降下來，提高對機構(gòu)尺度、運動學(xué)和動力學(xué)分析的要求上來。第二，課程設(shè)計題目也要貫穿設(shè)計制造一體化思路。設(shè)計零件的加工制造方法盡可能多樣化，讓學(xué)生嘗試設(shè)計不同加工方法要求的零件。教師在課程設(shè)計題目的設(shè)置以及教學(xué)實踐中對學(xué)生要加強引導(dǎo)，多角度對學(xué)生進行設(shè)計訓(xùn)練。第三，設(shè)計題目應(yīng)當(dāng)盡可能求新求變，緊貼時代發(fā)展和工程實際。當(dāng)前課程設(shè)計的題目往往幾年甚至十幾年一貫制，基本不做變化，不但容易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生乏味厭倦心理，而且助長了一部分學(xué)生的抄襲心理。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 黃大宇.機械設(shè)計課程教學(xué)內(nèi)容改革的探索。科技信息（學(xué)術(shù)版），2008，（24）：86-88.

[2] 孫建東，程光.綠色設(shè)計引入“機械設(shè)計秒課程的研究與探討.全國機械設(shè)計教學(xué)研討會議，2008：219-221.

[3] 趙京，賴德華，門淑貴.以認(rèn)知學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)機械原理和機械設(shè)計課程的教學(xué)改革.大學(xué)教育，2004，86（2）：50-52.

[4] 荷馬力·艾克哈德.機器與機構(gòu)動力學(xué)設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[5] 陳揚枝，朱文堅.機械設(shè)計中的材料設(shè)計方法問題.機械設(shè)計，1999，（7）：28-30.

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