“卓越計劃”背景下的機械原理與機械設計課程設計教學改革探索

張 俊，包家漢

（安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山243032）

過程控制專業（原冶金機械專業）作為我校率先啟動“卓越計劃”的專業之一，旨在培養高素質應用型“卓越機械工程師”。為適應“卓越機械工程師”的培養要求，學校專門成立了“卓越機械工程師”試點班，并對相關課程進行了改革。其中，機械原理與機械設計兩門專業基礎課程在整個專業培養體系中占據著承上啟下的重要地位。而與之配套的課程設計作為重要的實踐教學環節，在培養學生的創新思維和工程能力（包括資料搜集與運用、數據處理、設計計算及材料選擇能力等）方面發揮著重要作用。［1－4］考慮到機械原理與機械設計間的緊密聯系，筆者在開展上述兩門課程的教學改革時，將兩門課程的實踐教學環節打通，即將與二者配套的課程設計合并，以形成較為系統的設計過程訓練。同時，為加強設計題目的實踐性和多樣性，將課程設計的內容與教師的實際科研項目結合，或直接將相關科研成果作為課程設計的對象。其目的是使學生在設計過程中能夠切實感受到科學研究及成果對生產實踐的指導與推動作用，更深刻地理解“科學技術是第一生產力”的理念；同時，通過貼近科研項目實訓的方式，培養學生的工程創新意識，并使其養成良好的工程設計習慣。以下將圍繞設計選題、組織實施與效果評估三個方面對機械原理與機械設計課程設計教學改革進行初步探討。

一、設計選題

課程設計作為教學體系中的環節，首先應滿足教學要求，即為學生提供可將其所學理論知識綜合應用的設計環境。相關設計內容應能涵蓋本門課程中的主要知識，從而使學生能在較短時間內得到較為系統的設計過程的訓練。因此，課程設計的選題內容必須與本科生的知識儲備水平相適應，對涉及到的少量提高性內容，也應是在學生的接受能力范圍之內。

相比之下，教師的科研項目一般來源于學科前沿探索或實際工程需求，其涉及的相關理論和技術都較為復雜。如何將教師的科研項目提煉成具有較強工程背景并適合本科生開展的課程設計題目，使之與學生的現有水平匹配，讓學生既能熟練掌握具體的設計流程和關聯知識，得到充分訓練以完成教學要求，又能開拓眼界，切實觸及相關的科技前沿，是一件既具有相當難度但又很有收益的事情，值得高等教育者深入研究。傳統的課程設計選題，一般將適應教學要求、完成對學生的訓練作為唯一目的，而將科研項目作為課程設計的選題內容，除滿足教學需要之外，還有在課程設計中反映實際研究成果的要求。這就要求教師對科研項目的內容進行提煉，找準其與課程設計融合的切入點。如單純為了適應相對水平較低的教學要求而將科研內容抽取過度，則很容易失去設計內容源自實際研究的意義，無法使學生感受到題目的真實性；而若將實際研究內容保留過多，則又難免會因設計內容過于艱深而使學生產生畏難情緒，無法完成教學要求。

經過對“少齒差行星傳動”相關研究成果的系統總結與反復推敲，筆者決定在機械原理與機械設計課程設計部分嘗試，開發出課程設計題目“少齒差星輪減速器的運動學綜合與結構設計”。在該題目中，根據少齒差星輪減速器的運動特性將其簡化為齒輪連桿組合機構，并基于機構變異給出內平動兩種傳動構型及相關的工況參數，要求學生根據給定參數完成其中一種少齒差星輪減速器的運動學綜合與結構設計，提交包括數學建模、Matlab編程、計算結果等內容的課程設計說明書。

二、組織實施

考慮到傳統的機械原理與機械設計課程僅對普通的2K－H 行星輪系及標準漸開線齒輪設計作一般講解，而對少齒差星輪減速器所涉及的少齒差傳動原理、短齒制漸開線齒輪設計方法往往不作介紹，學生對此類知識的掌握不多。因此，在機械原理與機械設計課程講授時，指導教師在輪系和齒輪機構兩個章節中有意識地補充上述兩方面的內容，一方面拓展學生的知識面，另一方面也為此次的課程設計作鋪墊。

另外，少齒差星輪型減速器不同于普通的平行軸齒輪減速器和行星減速器，其內部存在較強的過約束，采用傳統的剛體力學方法無法求解其受力，因而也無法正確進行齒輪、軸承等零部件的強度校核。因此，在課程設計開展前，先對學生進行有關過約束傳動機構受力分析的強化輔導，同時結合案例教學將Matlab編程的相關技術予以集中介紹，從而使得學生能夠掌握星輪減速器的力學建模方法與Matlab數值仿真技能。

不僅如此，為強化“卓越機械工程師”的培養效果，在此輪課程設計中，要求學生在繪制星輪減速器裝配圖及零件圖的基礎上，能夠運用三維設計軟件建立傳動的三維實體裝配模型，并對其進行運動學仿真。

由于此次課程設計涉及的知識點較多、實踐性較強、工作量也較大，因此在具體實施時，采取小組協同設計和指導教師全程參與指導的方式。即將試點班32名學生按4人一組，分成8個小組，每個小組完成一種給定工況參數的星輪減速器設計；同時，加強課程設計過程中的答疑指導，指導教師全程跟蹤，每天定時解答學生遇到的問題。

由于組織有力、措施得當，學生很快從起始的無所適從狀態進入到有條不紊的設計過程。經過每個小組中的4名學生通力合作，協同分工，發揮各自的特長，歷經4周努力，最終順利完成既定設計任務。

三、效果評估

在指導教師與學生的共同努力下，結合教師科研成果的機械原理與機械設計課程設計教學試點工作順利推進。參加設計的學生大部分能夠按照設計要求，相繼建立星輪減速器的運動學與準靜態力學分析的數學模型，通過Matlab編程繪制出減速器各環節的受力曲線，完成了少齒差內嚙合副的幾何計算，完成了減速器的結構設計，并采用三維軟件實現了傳動的實體建模與運動仿真。

通過對此輪課程設計教學改革的總結，筆者認為以下幾點經驗可供借鑒：

一是將源自教師科研項目且具有鮮明工程背景的設計內容引入課程設計中，可極大地激發學生的學習熱情和創新意識，輔之以教師的適當引導，可使學生在完成設計內容后產生強烈的責任感和成就感。于此同時，設計過程中采取協同合作又分工明確的小組形式，有助于培養學生協作互助的團隊精神。

二是將科研項目的提高性內容引入到課程設計中后，為保證設計的順利推進，需要指導教師較以往付出更多的指導精力，即不僅要掌握科研成果中相關的設計理論與分析方法，還應將其整理成學生能接受并可消化的設計題目。對設計中涉及到的提高性內容，要采取集中強化或對應分解到相關課程章節中提前講授。

三是由于學生掌握課程設計中的提高性內容需要一定的時間，因此在整體時間安排方面建議采取更加靈活的措施，或在前期的機械原理與機械設計課程教學中有計劃地加入相關內容，或在課程設計開始之前先行布置等。此次試點工作在時間安排上略顯緊張，后續計劃讓學生有更多的時間來熟悉設計任務和設計方法，可望取得更好的教學效果。

“卓越機械工程師”試點班的實踐表明，將源自教師科研項目的內容及成果引入課程設計中，使學生在本科階段就能接觸并以近乎實戰的方式參與到具有濃厚工程背景的科研項目中，進而了解現代機械產品和系統的功能、構成要素和研發流程，初步掌握機械產品研發常用的分析與設計方法。上述舉措，對于學生知識體系構建、工程實踐能力及創新能力的培養都有著極大的促進作用，是機械類基礎課程實踐教學環節改革適應“卓越工程師”培養新形勢的有益嘗試。

［1］ 王濤，張艷華．“機械原理”課程設計新模式的探索與實踐［J］．中國電力教育，2010（1）：155－156．

［2］ 王立存，張國進，徐元，等．機械基礎課程教學內容與課程體系綜合設計研究與應用［J］．重慶工商大學學報（自然科學版），2013（6）：79－82．

［3］ 許愛瑾，陳富強，涂德浴．提高機械設計課程設計教學質量的措施［J］．安徽工業大學學報（社會科學版），2010（3）：130－131．

［4］ 陳海波．機械設計類課程創新型實踐教學模式的研究［J］．實驗室科學，2010（1）：31－32．