機械設計課程設計中引入創新設計的實踐與探討

孫建芳 黃 平 劉小康 胡廣華

華南理工大學機械與汽車工程學院 廣東廣州 501640

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機械設計課程設計中引入創新設計的實踐與探討

孫建芳 黃 平 劉小康 胡廣華

華南理工大學機械與汽車工程學院 廣東廣州 501640

摘 要：為了解決機械設計課程設計教學中存在的問題，提出在機械設計課程設計實踐教學中引入創新設計，研究了基于統籌工程概念構建機械設計課程設計題目庫、采用“化整為零”教學模式、引入現代工程設計方法和手段以及采用合理的成績評定方法等教學實踐方法，并取得了較好的效果。

關鍵詞：機械設計；課程設計；創新設計

機械設計課程設計作為機械類專業和非機械類專業的一門公共基礎課程，既是機械設計基礎課重要的實踐性教學環節，也是專業技術基礎課與專業課知識學習的交接點。通過課程設計，可以把機械設計基礎、機械制圖、機械制造基礎、工程力學、工程材料、互換性與測量技術等所修課程的知識進行綜合運用，是對學生進行設計興趣培養和設計能力鍛煉的重要途徑。因此，以提高本科生應用型和研究型人才培養質量為目的，提出在機械設計課程設計實踐教學中引入創新設計［1，2］，將有助于培養學生自主創新設計能力和獨立思考能力，也為其他學科課程設計的教學實踐提供有效途徑和科學方法。

1　機械設計課程設計中存在問題

對于機械設計課程設計，一直以來都是以一級或二級圓柱齒輪減速器作為設計題目。減速器是一種比較典型的機械傳動裝置，包含了齒輪、軸、軸承、鍵、聯軸器及箱體等大部分通用零件。目前的機械設計課程設計中存在以下問題。

首先，機械設計課程設計命題單一。現有的減速器課程設計指導書詳細講解了減速器設計各個步驟，學生只要按部就班、照貓畫虎即可；減速器早已有系列標準，并由專業廠家生產。從這種意義上講，以減速器為課程設計的內容，很容易使學生形成思維定式，不利于培養學生的創造性思維。

其次，課程設計中存在設計內容多而時間緊的矛盾。通常課程設計的時間安排是在理論教學完成以后統一布置題目，然后要求學生在兩周的時間內完成設計。時間安排較為緊張，學生只能完成“減速器”的命題設計，無法安排創新設計的環節。

再次，學生對先修課程的綜合應用能力較差。機械設計課程設計是對機械制圖、工程力學和互換性與測量技術等先修課程結合工程實際的綜合應用，在教學實踐中發現學生的這一環節較為薄弱，主要表現為：不能很好地應用材料力學知識對在復合外載荷作用下的軸進行精確強度校核；在零件工作圖上，不能正確應用工程制圖基本知識，繪制零件的形狀，結合工程實際的公差標注掌握得較差，尤其是軸零件圖中幾何公差和齒輪零件圖中各項齒輪公差的標注更為欠缺。

最后，課程設計中缺乏應用現代工程設計方法和手段。現階段課程設計學生多選用手工繪圖或選用傳統二維設計軟件AutoCAD繪制工程圖，難以全面地想象出減速器的三維實體模型，導致學生對自己設計的減速器結構似懂非懂，影響了設計質量。

2　引入創新設計的教學實踐

2.1基于統籌工程概念構建機械設計課程設計題目庫

將 機械原理課程設計和機械設計課程設計相結合，從產品設計的全過程出發，編排課程設計的內容。采用多種途徑搜集課程設計題目，構建機械設計課程設計題目庫，使得課程設計具有完整性、系統性和綜合性，以滿足不同學生要求，使得設計由模仿型變為思考型，并便于學生根據自身的興趣靈活選題，從而培養學生自主創新設計的能力。搜集課程設計題目的途徑包括校企合作研究項目、學生研究計劃項目（SRP）、“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽和全國大學生機械創新設計大賽等。

2.2 與理論教學同步 采用“化整為零”方法進行機械設計課程設計的教學模式

采用 “化整為零”的教學方式，將課程設計貫穿到理論教學的整個過程，從而解決設計內容多而時間緊的矛盾；并在理論教學中，引導學生綜合應用機械制圖、機械制造基礎、工程力學、工程材料、互換性與測量技術等先修課程知識，以便學生有充分的時間發揮設計的創新性和學習的主動性與積極性，同時指導教師通過監督和指導，能及時發現問題或不合理的設計并督促學生及時改正。將機械設計的理論教學教材和課程設計教材合二為一［3］，這樣便于將課程設計的內容貫穿到理論教學中，圖1是“螺紋連接與螺旋傳動”的理論教學中涉及典型減速器的螺紋連接類型。

圖1　典型減速器的螺紋連接類型

2.3現代工程設計方法和手段在機械設計課程設計中的應用

鼓勵學生采用Pro/E，Solidwork和UG等三維設計軟件，先進行三維實體設計，再形成二維投影，符合一般人的思維習慣，有利于培養學生設計能力和創新意識，并使設計手段與現代企業要求接軌。另外，鼓勵學生在三維實體設計的基礎上，將三維圖形模型直接調入有限元軟件，進行CAE分析，從而拓寬學生創造設計能力的培養。

2.4機械設計課程設計成績評定方法

對于學生的成績評定，組成答辯小組的教師制定詳細的成績評定標準，在學生正式答辯之前要先審閱學生的設計說明書和圖紙， 審核通過之后， 再讓學生分組參加答辯，答辯時通過學生間、師生間相互交流，對暴露出來的共性問題進行一次集中答疑，這樣有利于保證設計的質量和提高答辯效果并且有助于培養學生的團隊。課程設計評分標準如表1所示。

基于以上創新設計的教學實踐方法，在某學生研究計劃項目基礎上，課程設計中選題“智能化寵物自動喂食喂水機”，運用Pro/E或Solidwork完成實體造型和CAE分析，并將設計成果申請了實用新型專利，

學生既掌握了機械設計中機構設計、傳動設計、零件的強度設計和標準件選取等基本理論知識，又充分發揮了其積極主動性，并通過分組完成課程設計，增強了學生的團隊合作精神。圖2是“智能化寵物自動喂食喂水機”三維結構簡圖。

表1　課程設計評分標準

圖2　智能化寵物自動喂食喂水機

3　結束語

本校機械電子、機械設計及自動化和過控（輕機）專業的機械設計課程設計中引入創新設計的教學實踐，學生根據自身的興趣靈活選題，課程設計質量有明顯提高，并極大地發揮了學生的創造設計能力。總之，機械設計課程設計實踐教學中引入創新設計，對提高教學質量，激發學生對本課程的學習興趣，增強學生的團隊合作精神，都有較大程度的促進作用。今后需要在非機械專業的課程設計中如何引入創新設計做進一步的研究。

參考文獻

［1］ 呂仲文.機械創新設計［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［2］ 徐起賀.機械創新設計［M］.北京：機械工業出版社，2015.

［3］ 黃平，朱文堅.機械設計基礎-理論、方法與標準［M］. 北京：清華大學出版社，2012.

［4］ 朱玉.CDIO工程教育模式下“機械設計課程設計”教改的探討［J］.中國電力教育，2010（19）：98-99.

收稿日期：2015-11-24

作者簡介：孫建芳，博士，副教授。黃平，博士，教授。劉小康，教授。胡廣華，博士，副教授。

基金項目：2013教育部《機械設計基礎》資源共享課建設（編號：x2jqN6140870）；2015華南理工大學本科教研教改項目（編號：x2jqY1151140）。

Exploration and Practice on Curriculum Design of Machine Design with Innovation Design

Sun Jianfang， Huang Ping， Liu Xiaokang， Hu Guanghua
School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou， 510640， China

Abstract：In order to solve the problem in the teaching practice of curriculum design of Machine Design， innovation design has been present in this paper. Construction of subject library based on over-all engineering concept， instructional model of breaking up the whole into parts，modern design method and reasonable grading policy have been discussed. And good results have been achieved by the teaching practice with innovation design.

Key words：machine design； curriculum design； innovation design