基于案例的機械設計學課程教學探究

李克勤

摘 要 機械設計學是機械設計類專業方向的一門重要的專業必修課程，對于啟發學生的創新思維、激發創新潛能意義重大。精選若干案例組織教學，從功能原理設計、實用化設計、商品化設計等論述機械設計學課程的教與學。

關鍵詞 案例教學 功能原理設計 商品化設計 創新設計

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.10.040

Teaching Research of Machine Design Science Based on Cases

LI Keqin

（School of Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract Machine design science is an important major course of machine design and automation specialty. This course enlightens student's innovation design thought and potential， improves their practice ability. Many cases are selected. Teaching and methodology is discussed， included function principle design， practical design and commodity design.

Key words case-based teaching; function principle design; commodity design; innovation design

21世紀的世界，國際間的經濟競爭日益激烈突出，主要的表現為世界市場的商品競爭。每一個國家的生存與發展都不可能離開這個全球市場。市場競爭的生命力源自產品的創新。任何先進的高科技成果要想轉化為有競爭力的商品，這其中設計起著至關重要的決定作用。

然而，設計與科學研究又有很大的區別。設計區別于科學研究的本質是更加需要人們的創造力，創造出世界上還沒有的東西，實現人們的構思，實現人們希望實現的的功能的產品;設計的結果是創造一個更好的新世界，永不停歇。

1 功能原理設計之教學實踐

“功能”是機器的靈魂。①功能原理設計的重點在于提出有創新的構思，是對后續的產品設計起著決定性作用的工作，使機器的品質發生根本性和革命性的變化。

好的功能原理設計既應該有創新構思，同時，又應周全考慮其市場的競爭潛力，脫離國際國內市場需求的盲目創新是死路一條、沒有任何意義的。

“綜合”是功能原理設計的良策。“綜合”是不可能有現存的、任何約定方法的;即：不可能只需按某種“方法”去做，就可以尋找到好的解法;功能原理設計的問題往往是有多解的問題，既不可能只有唯一解，也不可能絕對無解。這是如何教與如何學的難點所在。

廣義功能原理設計的思想引入學習中。千百年來人們洗衣都是靠手工搓，擦板擦、刷子刷，更原始的方法是用棒打或腳踩。洗衣的目的是解決附著在衣物表面的污垢脫落問題。為了分離污垢和衣物物料，可以設計多種功能原理來實現，攪拌式洗衣機就是常見的解決方案：即在洗衣筒中心裝上一豎直的立軸，在其軸上部靠筒底處安置擺動翼，由傳動機構帶動，使它周期地正反向轉動，使水流和皂液能與衣物不斷相互摩擦、碰撞沖擊、翻攪等，這樣就能達到洗滌的目的。人們總希望洗衣機的功能越全越好，后來又出現了集洗滌、漂洗和脫水功能于一身的全自動洗衣機。近年來，洗衣機家族越來越龐大，種類越來越多，新出現的洗衣機有：冷沸騰洗衣機（綠色環保，不需要洗滌劑）、烘干洗衣機、電磁洗衣機、氣流洗衣機、仿生搓板式洗衣機、模糊邏輯洗衣機等。這些都是廣義功能原理的設計成果。

在打印機的打字功能發展的歷史上，原來的純機械式打字機由于受慣性作用的約束而難以提高打字速度，一開始人們只從純機械的角度來解決問題，于是出現了字球式打字功能原理和菊花瓣式字盤打字功能原理的打字機;這兩種純機械式的打字功能原理在提高打字速度方面的潛力是很有限的。其后出現了針式打印功能原理的打字機，這種針式打印功能原理引進了電磁對針的控制，基本還是純機械的，但是它卻是作為一種純機械向廣義物理效應過渡的類型，因為它打破了字頭打印方式的局限而采用了點陣方式，這就為隨后的噴墨打印和激光打印開辟了成功的途徑。噴墨打印和激光打印則是典型的廣義物理效應的應用。打印機的發展歷史很好地證明了廣義功能原理以及廣義設計學思想的成功運用。

2 案例教學實踐

案例教學法②起源于美國。案例教學有助于培養和發展學生主動參與課堂討論，頗具績效。

在機械設計過程中，實用化設計是在功能原理的基礎上，將原理方案進行結構化、轉化為實體，使原理構思一步一步地轉化為有實用價值的實體機械產品，達到實用的目的要求。對于機械產品來說，工作原理確定后，首先要進行工藝動作構思和分解，初步擬定各執行構件大動作和各動作的相互協調關系，即進行機械運動方案設計和機械簡圖設計。

總體布局的原則主要有：（1）有利于功能的實現;（2）結構緊湊;（3）動力傳遞路線力求簡短、直接、提高傳動效率;（4）各零、部件的位置安排布局應該方便拆卸、裝配、調整、維修等，提供高度可靠的安全保護。

總體布局此時引入案例教學恰到好處。如輪式裝載機、開式壓力機的案例。輪式裝載機（見圖1）的總體布局為水平方向，工作頭在前部、發動機在后部、中間是司機室，布局非常合理，有利于提高作業穩定性、有利于作業準確、有利于安全生產。而開式壓力機（見圖2）則為垂直上下的總體布局形式，該機的動力布置在上部，下部有機身和工作臺，便于操作，整機的穩定性好，方便沖壓成型作業。endprint

在機械運動協調設計方面，不同行業的作業機械大有不同。如起重機械廣泛應用于企業、港口碼頭、建筑工地等;起重機械不僅可以作為典型的輔助生產設備，完成原料、半成品、制成品的裝卸搬運作業，還可以完成機電設備的安裝、維修等，而且也是一些流程作業（如鋼鐵冶金生產）中的必需關鍵重點設備;而起重機械一般由四大機構（起升機構、變幅機構、運行機構、回轉機構）、金屬結構、動力設備等組成;四個獨立的機構只能采用“集中控制、分散驅動”的設計。而在比較小型的機器設備中，如點鈔機、家用縫紉機、蜂窩煤成型機等，一般均采用“集中驅動、分散控制”的設計，設計的重點和難點就是分配軸設計。

3 商品化設計教學實踐

競爭是商品經濟和市場經濟的客觀規律，也是促進技術進步的動力和源泉，機械設計要提出創新構思并使之迅速轉變為有競爭力的產品，要在市場競爭中具有強大的競爭能力和生命力。檢驗設計成功的唯一標準是市場。

設計的產品進入商品市場：（1）首先給人以直覺印象的就是其外觀造型和色調。普遍心理選擇是先入為主。在市場經濟的競爭背景下，某商品的外觀一旦被看得“入眼”，極大可能地通過“預選”、獲得參加“決賽”的資格。如林林種種的各色轎車和城市SUV，均有各自的擁磅者和消費群。（2）要使設計的產品勝于其它，獲得較高的市場占有率，就要力求做到“價廉、物美”。價廉必須降低成本;物美必須保證質量和優越的性能，就要運用“價值工程原理”進行價值優化設計。（3）產品的通用性是現代產品不可忽視的問題。為縮短設計周期，使設計的產品以高速度、高質量、多品種去參與競爭，產品的結構件和組合件要實現三化：標準化、系列化、模塊化。（4）適用性是爭取用戶的重要手段，可以拓寬面向，考慮一機多用和具備多功能，更新產品以滿足市場不同需求。（5）綠色環保的要求、可回收設計，資源利用率最高，能源消耗最低的機械產品。

以前的機械設計教學不太重視機械產品的實用化、商品化，現在尤其應該改變這種固有的觀念，要讓學生懂得功能原理設計、實用化設計、商品化設計都是同樣重要的。

4 結束語

工程教育本質上是一種創造性教育，③設計和科學研究這兩者的基本區別在于設計是“創造（Innovation）”，而科學研究則是“發現（Discovery）”，設計教育是貫徹創造性教育的最理想的陣地，過去的設計教育在創造性培養方面幾乎沒有注意，以至使我國目前很多企業幾乎難以適應當前急需研發有市場競爭力產品的任務。

機械設計學結合案例教學，極大地調動和激發學生學習的主觀能動性和創造性，從感性認識上升到理性認識，全局觀念逐漸得到鍛煉和升華，為未來的機械設計工程師打下了堅實的基礎。

注釋

① 黃靖遠，高志，陳祝林.機械設計學[M].北京：機械工業出版社，2006.

② 鄭淑芬.案例教學法的作用、實施環節及需要注意的問題[J].教育探索，2008（4）：56-57.

③ 張春林.機械創新設計[M].機械工業出版社.2007.endprint