構建面向現代工程的機械設計方向課程新體系

楊放瓊　夏建芳　許良瓊

[摘 要]隨著信息科技、網絡化、智能化技術的發展，以信息技術為標志的高新技術在機械制造領域的交叉融合， 使得機械工程學科本身的內涵、外延發生了質的變化。應該以數字化設計為主線，以工程培養為核心，優化重組課程內容，從系統的角度對機械設計課程體系進行整體構建，培養具有國際化、社會化、 高素質的創新型機械類人才，以滿足機械類專業創新型人才培養的需要。

[關鍵詞]現代工程；機械設計；課程體系

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）02-0052-03

一、研究現狀分析

隨著信息科技、網絡化、智能化技術的發展，以信息技術為標志的高新技術在機械制造領域的交叉融合， 使得機械工程學科本身的內涵、外延發生了質的變化。以CAX技術為代表的制造業信息化技術的出現，不但促進了生產力水平的提高，也帶來了設計方式的變革。與之相關的機械產品設計方法經歷了從手工繪圖—2DCAD/3DCAD—數字原型的過程。手工繪圖、2DCAD/3DCAD著重于零件的設計和制造，而數字原型著重于產品的形成過程。而基于虛擬現實技術產品全生命周期的設計方法是其進一步發展的方向，體現了現代工業產品從構思研發到運行改良乃至終結廢棄的生命全過程。[1]目前，機械行業對綜合型人才的需求越來越高，其要求畢業生不僅要具備機械設計制造及其自動化方面的基礎理論知識和應用能力， 還要具備從事機械制造領域內的科技開發、設計制造、應用研究、運行管理和經營銷售的能力。從培養人才的角度考慮，如何通過大學教育培養面向現代機械工程的高素質復合型人才，這是擺在機械專業教育者面前迫切需要解決的問題。[2]

由于歷史原因，我國的教育體制借鑒的是前蘇聯的教育模式，學科分散且相對獨立。如機械工程學科就多達十余個，這種教育模式下培養的學生專業面窄，所學課程內容陳舊，缺乏學科之間的交叉滲透，已難以滿足當今社會發展對機械類人才的要求。1998年，教育部對專業進行了優化整合，開始了從專才教育向通才教育轉變的教育理念。2012年公布的新的專業目錄增加了覆蓋面，拓寬了專業范圍，開始從傳統機械逐步向以機電、自動控制、智能化結合的現代機械轉變。但隨著智能化、網絡化和現代設計制造技術的發展，其仍存在如下問題：課程設置單一、知識面和專業面窄、課程教學內容及方法與社會經濟需求相脫節，這些都不利于我國人才的培養及國際化。

國外大學如美國麻省理工學院、康奈爾大學、德克薩斯州大學、明尼蘇達大學等機械類課程設置普遍涵蓋內容廣，這種寬泛的課程設置，學科大類的構建，為學科的融合和技術的進步創造了很好的條件。澳大利亞悉尼大學、新南威爾士大學、莫納什大學等，強調學科之間的交叉融合，如將機械專業與流動專業和傳熱專業融合，機械專業與信息專業的融合等，這種人才培養適應了本國社會和經濟的發展要求。

增加專業適用面，以便更好地滿足社會對人才的需求這一觀點逐步被一些教育家和高校重視。國內像清華大學、浙江大學、上海交通大學、西安交通大學、華中科技大學等我國高校都結合自己的教學資源和人才培養特色，從管理理念、課程體系、課程內容等方面進行了改革，同時強調素質教育和學生團隊精神的培養。

我校自2012新增機械設計這一專業方向以來，項目負責人及課程組成員在機械設計專業方向課程結構體系和內容的構建中，以強化不同課程間的互補和整合為原則，初步建立了機械設計方向課程體系。在2016版培養方案的制訂中，針對課程之間部分內容重疊等問題，我們進行了大量的調研，重新對方案進行了優化調整，加強了各課程之間的有機聯系，避免空白和重復，使課程體系進一步完善。

基于對目前國內外現狀的分析及專家觀點，我們提出了以數字化設計為主線，以培養機械類專業創新型人才為目標的機械設計專業方向人才培養模式，真正培養面向現代工程的具有國際視野的高素質創新型人才。

二、機械設計方向課程體系的構建

我院自2010年開始機械設計專業方向課程建設，2012年正式納入機械設計制造及自動化培養方案，并進行了相關配套課程的建設。2016年培養方案在此基礎上進行了調整，并以期在今后的教學過程中不斷探索總結與完善。方案以數字化設計為主線，將機械設計專業方向系列課程重新整合，使其有機銜接與整體優化，并根據它們之間的相互關系，對其教學內容、體系和方法手段進行綜合性、系統性的改革，初步達到了預期的效果。在機械設計專業方向課程結構體系和內容的構建中，項目團隊成員本著加強教學內容的有機聯系，強化不同課程間的互補和整合為原則，以培養學生運用現代設計技術手段在傳統設計方法的基礎上進行機械設備數字化設計、分析的能力，讓學生具備機械制造、控制的基本能力為目標，對整個課程體系進行整體優化與有機銜接，精選教學內容， 體現專業特色，真正體現課程體系的時代性、前瞻性，初步構建了從大一到大四的以數字化設計為主線的機械設計課程新體系。2012年以來，隨著機械設計專業方向的建設，我系新增了兩個校外實習基地：東莞市億鑫豐精密機械設備科技有限公司、東莞市力順源機械有限公司，依托實習基地平臺，促進了校企合作與交流，具體內容如下。

（一）以數字化設計為主線，整合優化課程內容

通過對機械設計方向一到四年級主干課程工程圖學、機械產品測繪與三維設計、工程圖學綜合設計與創新實踐、機械產品數字化設計、機械產品創新設計與開發、面向制造和裝配的產品設計、現代設計方法、產品數據管理PDM等課程內容進行優化重組，結合數字化設計軟件工具PRO/E、Solidworks、Matlab、Ansys 等相關熱門應用軟件知識，做到理論與實踐相結合，既有基礎理論的介紹，又有經典案例的講解，最后通過軟件應用融會貫通，培養學生面向現代工程的綜合設計能力。以數字化設計為主線，體現為：2DCAD計算機繪圖設計（一年級）—3D零部件數字化建模與虛擬裝配（二年級）—3D數字化參數設計、機構運動仿真（三年級）—面向制造裝配數字化設計、PDM技術并應用于產品管理，協同管理產品設計、制造、銷售過程產品生命周期管理工業4.0理念（四年級），與之平行的是現代設計理論與方法的課程，體現為：設計導論—2D-3D設計—創新設計—優化設計—相似設計—可靠性設計—反求設計—有限單元法等現代設計方法貫穿其中。

其中，機械產品創新設計與開發課程內容包括：創新思維基礎知識、創新原理、創新技法、機械創新設計的表達方法、機械創新設計的選題、功能原理創新設計、機構創新設計、結構創新設計、創造力開發和創新案例分析。機電產品數字化設計采用典型的計算機三維造型軟件進行復雜零件的參數化三維造型設計、產品的虛擬裝配、機構的運動仿真；讓學生掌握機電產品數字化分析技術，掌握用計算機數值分析軟件進行機電產品的運動分析技術，從而能對機電產品進行優化。現代設計方法重點介紹現代設計理論與方法中的實用理論與方法，包括：設計方法學、人機工程學、相似設計、可靠性設計、設計分析語言MATLAB、機械優化設計方法、優化設計工程實例及程序設計。有限單元法及應用重點介紹有限單元法及其ANSYS商業軟件的應用。產品數據管理（PDM）技術主要介紹PDM技術的基本概念和發展、CIMS環境下PDM的定義；PDM的管理功能，包括PDM的文檔管理功能、產品配置管理功能、工作流程管理功能、分類和編碼功能及項目管理功能；介紹PDM系統的企業信息集成以及企業對PDM需求的分析、設計、實施和開發的具體步驟和方法。各課程之間層層相扣、相輔相成。圖一為大一到大四機械設計方向課程設置。

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圖1 機械設計方向課程設置

（二）改革教學方式，進行開放式課堂教學探索

針對學生工程應用能力及創新能力較弱、教學內容與現實需求脫節、工程實踐環節薄弱等問題，我們進行了開放式課堂教學探索，發揮學生的主觀能動性，以及主動、批判、質疑的精神，強調理論知識與實踐訓練的緊密結合。

1.以學生為中心

在工程圖學的課程改革中，我系教學團隊率先進行了開放式精品示范課堂的教學。在2016版培養方案的制定中，學校要求所有課程全部開放，并落實到教學大綱的每一個環節，強調學習過程，弱化考試結果，以“學生為主”貫穿整個教學過程。具體教學方式可以多種多樣，如可以采取課堂討論、課堂講解、習題講解、思維拓展等方式。

2.采取項目分組形式教學，強調團隊合作

突破傳統的教學方式，采取2人一組，團隊合作的形式，分工協作，鼓勵學生自由組合進行創意設計，給出開放性的設計主題，由學生自主進行產品開發前期的調研，項目的組織管理，以及具體的設計、建模、虛擬設計與裝配工作。

3.考核形式多樣化

教師可在課程內容的各個階段，進行與課程進度相適應的方法多樣的考核方式，如平時作業、討論、寫小論文、小測驗、上機操作等。對在結構表達小設計中具有獨到見解或創新性的合理答案，亦可在總評中適當加分。

可以在部分課程如工程圖學、機械產品測繪與三維設計、面向制造和裝配的產品設計課程中進行開放式課堂教學，要求學生充分利用所學軟件進行零部件的測繪與二維草圖的繪制，并利用PRO/E、Solidworks等軟件進行三維建模與虛擬裝配，運動仿真，將數字化設計、智能設計融入其中，以符合現代工程設計的需要，待取得經驗后在其他主干課程中推廣。

（三）強化課程設計環節，培養學生的綜合創新能力和團隊精神

在工程圖學、機械產品測繪與三維設計等課程結束后，進行工程圖學綜合設計與創新實踐的課程設計。這分為兩個部分：測繪部分與創新設計部分，采取項目組的方式，學生自由分組，團隊合作完成項目。第一部分：每個組員分別完成一級直齒圓柱齒輪減速器中不同零件草圖的繪制工作，并通過Solidworks或其他三維設計軟件的學習，進行所測繪零件的計算機三維幾何造型和裝配圖工程圖繪制。利用三維設計技術， 以較快的速度創建零件三維模型， 然后進行虛擬裝配， 并輸出二維工程圖。第二部分：采取項目組的方式，學生自由分組并在指導教師指定的范圍內自選題目進行創意制圖設計。要求學生設計出主要結構并繪制工程圖，最后以組為單位完成設計報告，并制作PPT進行公開答辯。

（四）強化實踐教學，搭建校企聯合教學平臺

在實踐性教學的改革中，應將工程圖學、機械產品測繪與三維設計、機械原理、機械設計、機電產品數字化設計、現代設計方法等課程的實驗教學環節融為一體，體現以機械數字化設計為主線這一指導思想。應遵循學生認知規律，對于一、二年級基礎課，以基礎型實驗為主；專業課，則應以培養能綜合運用知識能力為目標，多進行一些開放型、綜合型的實驗。

我們依托學院特有的湖南省普通高等學校優秀實習教學基地：工業制造技術訓練中心和湖南山河智能機械股份有限公司，知名工程機械生產企業“三一重工”，建立校內外拓展性人才創新實踐基地，為學生提供必要的軟硬件環境，使學生的創新設計從思路、方案走向實際、產品。可以將復雜機電產品設計專題、現代機電產品設計研發流程與案例分析兩門課程與企業的研發相結合，并由現場的生產管理人員向學生講解。這能縮短課堂與生產一線的距離，增強他們的感性認識，引導學生走出課堂，走向社會，不斷積累。

三、教學改革具體實施與初步效果

圖2為機械產品測繪與設計學生作品。新課程體系相關課程的實施，極大地提高了學生的創新設計能力、綜合運用能力、團隊協作能力，受益學生人數每學年達1000人左右，課程取得了較好的效果，體現了我院在創新人才培養道路上“敢為人先”的精神。

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（a）管道清洗機器人 （b）家用切菜機

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（c）輕松擦吊扇裝置 （d）折疊式自行車把鎖

圖2 機械產品測繪與設計學生作業

四、結論

在當今制造業信息化、中國參與國際競爭和經濟全球化進程不斷加快的環境下，產品設計數字化、智能化等先進設計制造技術為機械設計方向課程的構建和發展提供了新的契機。本項目的建立符合當今社會對機械類創新人才的需求，可操作性強。新的課程體系具有以下特色。

1.以數字化設計為主線，優化重組課程內容，從系統角度對機械設計課程體系進行整體構建，真正體現課程體系的時代性、前瞻性。

2.以工程培養為核心，培養具有國際化、社會化、 高素質的創新型機械類人才。每年的受益學生達到1000人，公共課受益學生達3000人左右。

3.滿足機械類專業創新型人才培養的需要，培養學生的四種能力，即創造性的思維能力，表達設計思維的能力，嚴謹細致的工程設計開發能力，團隊協作能力。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 于濤，王素玉，楊俊茹.機械類專業特色課程體系改革研究[J].黑龍江教育，2011（11）：6-7.

[2] 吳偉中，黨培.基于專業特色的機械設計制造及其自動化專業課程體系構建[J].中國電力教育，2012（1）：43-46.

[3] 吳何畏.機械設計制造及自動化專業課程體系的改革與實踐[J].機械管理開發，2008（23）：160-161.

[責任編輯：陳 明]