基于工程實踐能力培養的機械設計類系列基礎課程教學改革研究與實踐

周傳喜，管鋒，彭三河 （長江大學機械工程學院，湖北 荊州434023）

機械設計類系列基礎課程實踐教學環節是指隨課堂教學而開展的實踐教學活動，目的是加深學生對課程內容的理解，使其能掌握和應用所學知識并在實踐中激發創新意識，培養工程意識和團隊協作能力。在機械設計類系列課程中，《工程制圖》、《機械原理》和《機械設計》3門課程具有較強的工程實踐性，能培養學生的工程思維，強調工程方法，從而提高學生的工程設計能力與素質。其中，《工程制圖》課程立足于零部件二維圖紙的繪制和三維實體造型，以零部件結構正確表達為目標，能培養學生的工程零件幾何形體設計及表達能力；《機械原理》課程立足于機電一體化的發展方向，以機械系統的運動方案設計及機構的創新設計為目標，能培養學生對相關機構及系統的運動設計的能力；《機械設計》課程立足于機械零部件的結構強度設計，以機械結構的創新設計為目標，能培養學生對工程零部件結構設計與強度設計的能力［1］。

國外許多高校一直以來都非常重視機械設計類系列基礎課程教學研究與改革，很多知名高校為了實現基于工程實踐的項目設計訓練，往往將某些機械設計類基礎課程及其實踐環節合并，同時提供給學生一流的軟硬件設備，提高了教學實踐的效果。筆者在巴西里約熱內盧聯邦大學進行為期4個月的訪問學習過程中，參與了《機械設計》課程的整個教學過程，該校在機械設計類系列課程教學中改革力度大，非常重視學生實踐能力的培養，將課堂內容與社會上實際設計案例緊密結合，并且所選案例能貫穿整個課本內容知識點，教師完成2個學時的理論課程后就要進行2～4學時的實踐教學（包括課堂討論與學生匯報實踐案例方案討論等方式）。該課程60學時，其理論教學28～30學時，剩余學時是圍繞理論教學開展的培養學生工程實踐能力的實踐教學。該課程結束后，將有2個月時間進行《機械設計課程設計》，題目是針對上課內容的實踐展開的，實踐環節實際上是在學校實驗室進行產品實物制作，班上30多個同學分成4～5組，這樣一個班上交的作品就是4～5個真正實物或比例模型。整個過程下來，學生的操作能力得到了充分地鍛煉。

而國內目前主要采用教師“領著走”的方法，這不能充分調動學生的主觀能動性。長江大學目前正處于高速發展階段，對學生的培養質量的要求也在不斷提高。工程實踐能力的培養正是體現工科學生培養質量好壞的一個關鍵指標。機械工程學院在學校的大力支持下，目前主要在《工程制圖》、《機械原理》和《機械設計》3門課程的實踐環節開展了系列實驗項目，如在《工程制圖》課程設計環節要求學生進行實物產品的測繪項目；在《機械原理》實驗節開展了動手操作組合創新機構并進行其運動仿真模擬實驗項目；《機械設計》課程設計環節結合各類創新大賽完成實物制作項目。以上的實驗項目其實在某些方面與國外高校是具有共同性質的。至于這些實驗項目的質量評定方法，主要決定于學生們定期的反饋意見，對于學生感興趣且能提高學生操作能力的項目，應鼓勵教師們多開展；對于學生興趣不大、實驗效果不明顯的項目，應該加以改進或取消。另外，實踐環節學生成績評定辦法也不能按傳統執行，應該根據學生完成的實際情況進行評分：對于小組實驗項目，根據各成員的貢獻進行等級評價成績；對于個人完成的實驗項目，應該根據實際上交的測繪圖紙或實物作品來直接評分，非常客觀。筆者就以上3門課程為載體，論述了如何圍繞工程實踐能力培養，借鑒國外高校改革經驗進行相應實踐環節的教學改革情況。

1 豐富實驗內容，提高學生操作能力

實驗教學一直都是理論課堂教學中操作能力鍛煉的實踐環節，機械設計類的2門基礎課程均有各自的實驗環節。

1.1 《機械原理》課程實驗教學

機械原理實踐教學主要體現在為期2周的課程設計階段及與課程同步的實驗教學環節，實驗環節分三階段進行，具體流程如圖1所示。

第1階段，借助前期教改項目研究，提出了“三模塊，多層次”［2，3］的創新實踐教學體系，如圖2所示。

圖1 三階段實驗改革流程

圖2 創新實踐教學體系

第2階段，借助長江大學機械設計制造及其自動化專業被評為國家特色專業這一契機，引進了一批新的關于機械原理課程實驗可自主創新的實驗設備。該設備不僅能讓學生們將課本上所學的連桿機構、齒輪機構和凸輪機構3大機構的理論知識加以應用，同時也能讓他們在該設備上進行自主創新，拼接自己想要的組合機構，并通過實驗設備的運動仿真實踐功能很方便地證實所設計的組合機構的合理性、正確性。通過此項改革，學生們大大提高了學習興趣，有的同學甚至還對該實驗設備提出了改進建議。以上這些動手操作不僅能鞏固學生的課堂所學理論知識，同時也鍛煉了他們的實踐能力。

第3階段，由學生自行設計實驗。老師根據課堂內容布置實驗任務，由學生根據實驗任務來擬定實驗準備及操作步驟。如學習完四連桿機構演變內容后，老師要求學生進行機構演變，以實現不同的功能。這時學生想到了利用連桿機構分別實現開窗功能、汽車車廂的翻轉功能、起重機的舉升功能等。他們利用實驗室的創新設備可自行完成各個實驗環節。第3個階段的實驗改革由于對學生的要求高，目前還處于選修實驗階段，只有部分感興趣的學生參與，沒有全部普及。

1.2 《機械設計》課程實驗教學

《機械設計》課程以《工程制圖》和《機械原理》為理論基礎，經過這3門課程的學習，知識體系將更加完善，設計思路將更加清晰。《機械設計》課程的實驗教學是與理論教學相輔相成的教學環節，是提高學生實踐能力的重要手段。

機械工程學院設有常規的帶傳動實驗、齒輪傳動效率測試實驗、螺栓組拉力測試實驗和軸承的效率測試實驗。近年來，隨著創新教育的開展，上述4個實驗已經無法滿足學生們對課堂內容的完全消化和理解，學生們不再滿足于觀察性實驗而是希望進行更多的操作性實驗。為此，于2014年引進了一套創新性實驗組合柜，該實驗裝置是由一系列零件模塊組成的，學生可以任意拆裝組合各零件，形成模塊，連上電機進行傳動機構的運動演示：實現包括帶傳動、鏈傳動及齒輪傳動在內的3大傳動機構的結構設計的組合和拆裝，同時還包括系列軸系類零部件的組合裝備的運動演示。以上這些都屬于該設備的常規實驗項目，實際上該設備還具備創新性實驗項目的功能，即學生可以根據所想，將任意2類傳動機構模塊進行操作連接，進行所想的結構設計再演示其運動情況，實現組合機構的運動合理性判斷。利用該設備，學生的想法就可以得到驗證，正確與否，動手便知。同時教師還將該實驗設備用于大學生創新創業大賽項目上，有了該設備，學生們可自行否定那些不成熟的設計方案，肯定那些正確可行的設計方案。

2 提高課程設計要求，促使學生親手操作

課程設計環節是除實驗環節外另一個彌補課堂知識、提高學生實踐操作能力的有效途徑。因此，培養學生工程實踐能力為目的的教學改革，該環節是必不可少的。機械設計類的3門基礎課程均有各自的課程設計環節。

2.1 《工程制圖》課程設計

《工程制圖》課程是一門專業基礎課程，也是大部分學生感到比較頭疼的課程。目前存在的主要問題有［4］：教師注重理論知識點的講解，對實踐零件測繪環節中畫零件圖及裝備圖的內容往往一帶而過；多數學生也只關心理論筆試考試的分數，對實踐環節的大作業敷衍了事。總的說來，教師沒有手把手教會學生進行計算機繪圖操作，學生們往往相互復制文檔交差。這樣勢必會影響到大三專業課相應的實踐環節中畫圖作業及畢業設計的繪圖質量，加上學生的空間想象能力有限，導致學生無法用圖形正確表述自己的設計內容，進一步影響到畢業設計的整體質量。

2年來，學院將《工程制圖》課程實踐環節與工程實訓教學環節相結合，要求學生們對為期4周的工程實訓環節的作品進行零件測繪實踐。除了常規的完成零件工作圖及裝配圖的繪制工作外，還鼓勵學生學習一些能培養工程實踐能力的PRE等系列相關軟件，并采用軟件實現零部件及整個作品的三維模型。學生既能學習工程實訓中的各種加工環節的操作技能，同時也能鍛煉他們的工程制圖能力。由于學生完成的是實際題目的訓練，而不是虛擬假設題目的練習，這樣使他們更有成就感，更能發現和解決新的問題，從而提高工程實踐能力。

2.2 《機械原理》課程設計

教師在傳統的要求基礎上，增加了方案的動畫仿真、三維造型、計算結果曲線繪制及計算過程的可視化編程環節。由于學生的計算機基礎知識存在差異，指導教師針對上述環節加以控制，計算結果曲線繪制是強制環節，要求每個學生必須完成，其他環節則由操作能力較強的學生在教師指導下單獨完成的。整個環節做下來，學生不僅掌握了與課程設計題目相關的知識點，同時也為他們的實踐操作能力提供了鍛煉的機會。

2.3 《機械設計》課程設計

減速器設計是機械設計實踐環節的典型內容，因為它最能體現該課程課內所有知識的應用情況［5］。為此，學院采取如下改革措施：大題目不變，仍然是減速器的設計問題，但改變了實現減速傳動的傳動方案，由原來每班統一要求一個傳動方案，改成每班多個傳動方案，并且每人一組數據。這就要求學生每人必須從頭到尾完整地計算一遍，無法直接抄襲其他學生的作品，同時最后階段的繪圖工作也無法得到確切尺寸。另外，還設有最后一關的答辯環節，可供教師判斷學生實踐工作量的多少，進而對實踐成績給予客觀評定。這樣下來，學習不認真的學生少了，向教師和同學請教的學生多了，這些現象都說明學生們開始切實行動起來了。課程設計結束后，從學生交上來的報告、圖紙來看，質量有明顯提高。

3 結合第二課堂，培養工程實踐能力

與此同時，在工程實踐能力培養方面還有一個改革舉措，就是鼓勵有創新想法的學生積極開展第二課堂的學習創新。結合前面《機械設計》課程設計教學環節，首先要求學生在課程設計時選做自選課題（可以是往屆創新大賽主題作品或教師們發明的創新機械），在課程設計過程中成立獨立團隊，并有專門教師來指導他們利用工程軟件進行運動學仿真，檢驗運動干涉，驗證學生的創新構思，最后完成包括工程圖在內的詳細機械設計，并依托學校的創新實踐基地制造出實物，參加包括大學生創新設計大賽、全國挑戰杯大賽在內的各類大賽。當然這個過程可能會延續2個學期，同時也需要得到學院及教師們的大力支持，這對學生來說是提高其工程實踐能力的絕佳途徑；同時這部分學生能參加大賽并獲獎，勢必會起到較好的輻射作用，促使更多學生積極參與實踐教學改革和進行創新實踐活動，形成良好的循環。

4 結語

通過上述諸多改革與實踐，學生們查閱資料、動手繪圖、自主創新能力及學習熱情都得到了顯著的提高，實踐環節也不再是形同虛設，能起到鍛煉學生工程實踐能力的作用。隨著改革的進一步深化，還要加大實驗室建設力度，在現有實驗項目及實驗設備的基礎上對實驗室進行升級改造，多增加開放性實驗項目，讓更多的學生能親手操作。另外，教師對課程設計環節也要進一步探索能培養學生工程實踐能力的新措施，使得教學效果越來越好。

［1］陳煒峰 .農機化專業機械設計基礎系列課程建設與改革 ［J］.農機化研究，2001（4）：121～123.

［2］周傳喜 .機械類基礎課程實踐教學改革研究與實踐 ［J］.長春理工大學學報，2011，6（11）：183～184.

［3］管鋒，周傳喜 .機械原理課程實踐性環節的教學改革與實踐 ［J］.長江大學學報（社會科學版），2011，34（4）：121～122.

［4］鐘陽，李巧云 .淺談高職機械制圖課程教學改革 ［J］.職業，2015（3）：43～44.

［5］呂相艷，任立敏，夏智星，等 .試談機械設計課程設計改革 ［J］.黑龍江科技信息，2014（25）：41.