基于項目設計的“機械設計”研究型教學實踐

段巍　范孝良

摘 要 “機械設計”是機械類專業本科生重要的專業技術基礎課。本文根據該課程的特點，提出了基于項目設計的研究型教學，探討了研究型教學的內涵、項目設計作業的選擇、教學內容的組織和規劃，并運用主體式教學模式和研討式教學模式開展了實踐。實踐結果表明，基于項目設計的“機械設計”研究型教學在培養學生的主體意識、個性發展及創新能力方面起到了積極的促進作用。

關鍵詞 機械設計 項目設計 研究型教學 教學模式

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.06.052

"Mechanical Design" Research Teaching

Practice Based on Project Design

DUAN Wei， FAN Xiaoliang

（Department of Mechanical Engineering， North China Electric Power University， Baoding， Hebei 071003）

Abstract "Mechanical design" Mechanical undergraduate important professional technical courses. Based on the characteristics of the course， the proposed research teaching based on project design， to explore the meaning of research-based teaching and choose the project design work， organization and planning of teaching content， and the use of the main teaching mode and teaching mode to carry out research practice. Practice results show that the "mechanical design" research teaching project design culture consciousness of students， personality development and innovation has played a positive role in promoting.

Key words mechanical design; project design; research teaching; teaching mode

0 引言

“機械設計”是機械系專業技術基礎課程，也是平臺建設的核心課程之一，主要講授機械設計的共性問題和典型零件設計的基本理論和方法。授課對象為機械工程及自動化專業本科學生（每年共有9個班），授課時間為學生入學后第四學期。教學內容主要包括：總論部分、連接部分、傳動部分、軸系部分和其它部分等。該課程的特點是：內容繁雜、概念多、公式多，工程背景很強，每一章各成體系，具有一定的獨立性，但在實際工程應用中，各章又緊密相連，相輔相成。

為了有效利用各種現代教育資源和教學手段，調動學生學習的積極性和主動性，將學生置于教育教學系統的核心，開展研究型教學，探討教學組織和教學方式的改革成為必要。筆者根據所授課程的性質和特點，針對本校2012級機械工程及其自動化專業學生，在自己課堂上開展了基于項目設計的機械設計研究型教學實踐。

1 研究型教學的內涵

研究型教學也稱研討式教學模式，起源于美國著名心理學家杜威創立的“問題教學法”，成熟于克伯屈的“設計教學法”。①②它是一種以“學生為中心”，以課程內容和學生的學識積累為基礎，引導學生自主地發現問題、研究問題和解決問題，從而在研究討論中積累知識、培養能力和鍛煉思維的一種教學模式。

針對機械設計課程的特點，即：以不同零件劃分的各篇章在內容上各自獨立，但在實際工程運用中又緊密聯系，相輔相成，如何通過一條主線把各章節彼此相連，讓學生系統地、主動地掌握各零件的設計理論和設計方法？選擇與工程緊密聯系的項目設計作業，采用主體式教學和研討式教學方法，將課程主要章節內容貫穿到項目設計作業的訓練上，成為一條有效的解決途徑。

2 基于項目設計的研究型教學具體實踐過程

2.1 項目設計作業選擇原則及布置

“機械設計課程設計”是機械設計課程的一個重要教學實踐環節，也是機械類各專業第一次較全面的綜合設計訓練，單獨設置學分。由于減速器中所包含的零件覆蓋了機械設計課程中大部分章節的知識內容，且減速器的類型不同，原始數據有所區別，有利于學生分組進行，且能保證每個同學具有不同的數據，所以通常將二級圓柱齒輪減速器作為課程設計的設計對象。以往“機械設計課程設計”是在機械設計課程結束后進行，通過課程設計將課程中所講授的內容系統地運用到設計實踐中去，是一個從理論到實踐的過程。而在進行課程研究型教學實踐中，能夠貫徹各章節內容的項目設計作業正好可與課程設計相吻合，因此在給學生選擇項目設計作業時，既要考慮與后續課程設計在題目上的一致性，還要考慮內容上的步進性及工作量的適宜性，同時還要使學生既能獨立思考，不抄襲別人的設計成果，還能在討論交流的過程中得到提高和創新。為此我們根據工程實際，針對火電廠燃料輸送系統中不同工作機械中的傳動裝置，如：保定熱電廠葉輪給煤機中的行走裝置、北京高井電廠橋式螺旋卸煤機中螺旋升降機構中的傳動裝置、石景山發電廠翻車機的驅動裝置，以及油田抽油機傳動系統，布置了相關的四個項目設計作業課題，要求4～5人為一組，選擇其中的一個項目，設計不同的傳動方案，并對傳動方案中的減速器進行結構設計和計算分析。為了使學生在獨立思考的同時還能進行有效交流，我們對同一個項目課題，又設置出不同組數據，做到每人一組設計數據。這樣做的好處是：同一組同學在方案設計階段、結構設計階段可以進行廣泛討論，一旦傳動方案確定，具體在零部件設計和計算過程中，由于數據不同，每個人設計參數的選擇和計算結果就會不同，這樣又可使每個學生能夠獨立地完成相關的計算。endprint

2.2 教學內容的組織和優化

機械設計具有內容繁雜、概念多、公式多、工程背景強、各章內容又相對獨立的特點。為了配合項目設計作業的順利進行，對教學內容進行了重新組織和優化，將與項目作業內容緊密相關的零件的設計理論及方法往前安排，即將帶傳動、齒輪傳動、滾動軸承、軸、聯軸器、鍵等內容依次安排在了螺紋聯接及蝸桿傳動之前。當講完總論（4h）和帶傳動（4h）后，即在開課的第三周將項目作業題目布置給學生，同時用1學時左右的時間給學生簡單介紹傳動裝置的總體設計，包括減速器的類型、電動機的選擇、傳動比的分配及傳動裝置運動和動力參數的計算等內容。這樣學生在已知設計參數的情況下，減速器內、外零件的設計計算會隨著課程內容的不斷進展而逐步完成。在講滾動軸承壽命計算及軸的結構設計時，直接針對項目設計作業中二級減速箱中具有代表性的高速輸入軸，將軸的結構設計、強度計算及軸承的壽命計算等教學內容貫穿在該實例中，這樣的調整既可以完成規定的教學任務，又結合了項目作業的具體內容，使學生不僅掌握了軸結構設計及強度計算中應該注意的問題，也為其它兩根軸（中間軸和低速軸）的設計提供了很好的借鑒。

此外，在每章的教學過程中，具體零件雖然不同，但教學的基本思路始終遵循著一條主線，即：零件的工作情況分析→失效形式分析→確定設計準則→設計計算（參數的選擇）→結構設計，讓學生發現并找出課程系統性和規律性的知識。同時在講課的過程中要求同學們多對比，找共性，比如，同是能夠完成運動和動力的傳動，帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的共性和各自的特點、運用范圍和環境是什么？定性地分析斜齒輪傳動為什么比直齒輪傳動更適合高速重載？有了直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪，為什么還要有蝸桿傳動和錐齒輪傳動，它們的特點及應用場合是什么？通過引出問題，讓學生在學習過程中進行思考，幫助他們更深刻地掌握本課程的基本知識和基本理論。

2.3 教學模式的探索

2.3.1 主體式教學

主體式教學讓學生盡可能真正作為主體參與教學活動的各個環節，以興趣、問題為導向，啟發、激勵學生的主動實踐意識，注重學生質疑力、觀察力等素質的培養，增加使學生獲得創新成果的機會。③為了充分發揮學生的主動性，我們將項目設計作業分成三個階段，即：方案設計階段、減速器內、外傳動零件設計階段、軸系組合設計階段。其中方案設計階段是最具有原始創新的階段，這一階段要求學生充分運用網絡、書刊等資料，提出自己的設計方案并在小組內進行交流、對比和總結，畫出傳動方案簡圖，并對方案的優缺點進行評價。在項目設計作業布置后的一周，我們在課堂上安排了方案設計階段的討論，每組同學選派代表進行報告，發表本組的設計思路和觀點。通過這樣的學習，使學生實現了由“學習者”到“研究者”角色的轉換。

2.3.2 研討式教學

項目作業的第二、三階段，我們采用的是研討式教學。第二階段的主要任務是每組同學根據設計的傳動方案，開展傳動系統中傳動零件的設計計算，完成時間為三周。雖然課堂中的教學內容與該階段所運用的主要知識點相呼應，但學生還必須通過課外查閱相關資料、手冊、圖冊等技術資料和文獻方可完成相關的設計，因此學生在學習課程內容的同時，探索和研究與自己項目設計課題相關的解決問題的設計方法和設計過程。在第二階段結束后，組織了第二次課堂討論，由老師及同學進行點評，及時解決設計中存在的問題，比如：在齒輪材料選擇過程中，是否考慮到了做成齒輪軸后齒輪與軸材料保持一致性？傳動比分配是否合適，不造成中間大齒輪和低速軸的干涉？

第三階段的主要任務是軸系的組合設計，也是減速器結構設計的重要階段，兼顧工作量和后續課程設計的連續性，在項目設計作業中只要求學生對高速軸進行結構設計，中間軸及低速軸的設計及裝配圖的繪制和零件圖的繪制放在了課程設計階段。第三階段完成時間為三周，與課堂理論教學同步進行，結束后安排了第三次課堂討論和報告。由于軸系結構設計沒有統一標準，卻有統一的設計原則，既要考慮軸上零件的安裝、加工，也要考慮其可靠定位。因此，在這次課堂討論過程中，同學表現非常活躍，同學們不斷發現問題，提出軸系結構設計的不合理之處，并說明原因，提出改進方案。在討論中，學生對軸系組合結構的設計進一步鞏固，在發現別人錯誤的同時，也改進和提高了自己的設計。本次課堂討論的結果使學生在減速器裝配圖繪制中，在結構設計方面的錯誤率大大低于往屆學生，教學效果非常顯著。

2.4 評價考核

由于項目設計作業貫穿在整個教學過程中，因此對于學生最后成績的評定，我們采取加大平時成績，弱化最后期末考試成績的辦法，將評價貫穿于機械設計課程的全過程。成績分配比例為：項目設計作業20%，到課率及平時作業為10%，最后閉卷考試成績占70%。

3 幾點思考

（1）研究型教學成敗的關鍵在于教師的投入，教師主導的好壞會直接影響到學生主體性的表現，因此教師需要付出更多的時間去組織教學內容，去選擇適合的項目設計作業，去組織課堂討論并評價學生的研究成果（包括討論過程中的點評及課下項目設計作業的批改）。實踐表明，研討式的教學模式，可以激發學生的創新思維，培養對課程內容的興趣，在交流、研討的過程中，加深對知識的理解和運用，同時可多角度地運用設計思想進行客觀分析和辯證思考，逐步養成敢于質疑的良好思維品質。

（2）“機械設計”研究型教學在實踐過程中，將項目設計作業，理論授課和課程設計有機結合在一起，使學生在探討、學習、實踐的過程中逐步掌握理論知識，項目設計作業和理論授課同步進行，課程設計在項目作業的基礎上進一步深入和升華，從而使機械設計的學習成為“理論—實踐（下轉第120頁）（上接第106頁）—再實踐”的過程。學生在這樣的培養過程中，有利于形成科學的學習態度和創新品格，形成良好的責任心和專業事業心。

（3）研究型教學更適合于以班級為單位或人數較小的課堂開展。由于本次所授課堂學生數量較大（共計114人），遠遠超過預期的數量，在規定的課內學時討論中，無法保證所有組學生到講臺上展示他們的研究成果。如果小班授課，遵循同樣的研究思路，將會取得更顯著的效果。

基金項目：河北省教學改革項目（2012GJJG126）

注釋

① 林健.面向“卓越工程師”培養的研究性學習.高等工程教育研究，2011（6）：5-15.

② 郭海濤，王曉明，張丙芳.加強研究型教學，培養創新型人才.山西醫科大學學報：基礎醫學教育版，2010.5（12）：481-482.

③ 張文娜，熊飛麗.研究型教學模式實踐與探討——基于《傳感器與測試技術》.當代教育論壇，2011.3：50-52.endprint