機械專業復雜工程問題教學案例剖析

陳永琴+朱敏波+段清娟+張國淵

（西安電子科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710071）

摘要：本文結合專業認證的需求，探討為培養學生的創新能力和實踐動手能力而開展的實踐教學課程——《機械綜合實踐項目》課程，分別從課程教學設計、課程組織實施以及課程實施情況等幾個方面進行論述，以期達到培養學生解決復雜工程問題的能力。

關鍵詞：綜合實驗項目；課程教學設計；課程組織實施

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）18-0151-03

根據工程教育認證標準，機械設計制造及其自動化專業的學生應該具備解決“復雜工程問題”的能力，標準中所提到的“復雜工程問題”必須具備下述特征（1），同時具備下述特征（2）—（7）的部分或全部：

（1）必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決。

（2）涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。

（3）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性。

（4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的。

（5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業工程實踐的標準和規范中。

（6）問題相關各方利益不完全一致。

（7）具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。

為了更好地培養學生解決復雜工程問題的能力，我校在原有實踐課程的基礎上又開設了《機械綜合實踐項目》課程。

一、《機械綜合實踐項目》課程的性質

《機械綜合實踐項目》是我校機械設計制造及其自動化專業全部學生必修的實習實踐類課程，是培養學生解決復雜工程問題能力的綜合性實踐能力提升課程，采用“方案設計+技術設計+實物制作”的實踐教學內容，以能力提升為主線，將基礎課程內容與設計任務相結合，重在培養學生靈活運用理論知識解決實際問題的能力，培養大學生機械創新設計能力、制造工藝能力、實際動手操作能力、工程管理能力和團隊合作能力。

設計題目結合機械創新設計大賽和大學生綜合能力競賽的主題，設計問題涉及機、電、控制、計算機等技術領域以及經濟、社會多個層面，整個項目周期分為三個階段，第一階段為系統方案設計階段，安排在第五學期，第一階段結束后要求每組學生提交方案設計報告一份，并進行集中答辯；第二階段為技術設計階段，安排在第六學期，這一階段結束后要求提交系統裝配圖或主要零件的二維工程圖及設計計算說明書一份；第三階段為實物制作階段，安排在第七學期，要求完成實物制作，進行實物展示，并完成教師或學生對實物的問辯，最后提交書面總結報告一份。項目以團隊形式開展，每組成員為3—6人，指導老師由一組教師和工訓中心老師組成。

為加強培養學生解決“復雜工程問題”的能力，本專業編寫了“機械綜合實踐項目”教學大綱，進行了針對性的教學設計、組織實施和達成情況評價。

二、課程教學設計

期望通過《機械綜合實踐項目》課程的理論教學和實踐訓練，使學生具備教學目標期望的幾方面能力。

1.學生初步具有擬定機械傳動系統方案的能力，掌握并使用各種技術、技能和現代化工程工具的能力，培養學生機械系統方案創新設計的思維方式和方法，及自主學習的能力，為解決復雜工程問題提供技術支持和指導。

2.使學生掌握機械系統運動、動力分析和設計的基本理論和基本方法，能夠針對機械系統的運動、動力分析和設計問題建立數學模型，并對模型正確性進行嚴謹推理，給出解答。

3.具有文獻檢索、分析歸納的能力以及撰寫分析報告的能力。

4.培養學生理論聯系實際的設計思想，能正確計算零件的工作能力，并確定其尺寸、形狀、結構及材料，考慮制造工藝、使用、維護、經濟和安全等問題，完成具體結構設計。

5.掌握三維模型到工程圖生成和模型數據交換，會應用CAD/CAM軟件完成三維零件到二維圖的轉換和輸出，能完成簡單零件的加工，培養學生的動手能力。

6.培養學生的責任感和職業道德，并使學生具備一定的組織管理能力、較強的表達能力和人際交往能力，以及在團隊中發揮作用的能力，初步具備交流、競爭與合作能力。

以上述教學目標為基礎，分析相應教學環節具體體現復雜工程問題的對應特征點及對畢業要求的支撐情況，對其教學過程進行設計（如圖1所示）。

三、課程組織實施

1.系統方案設計。通過指導老師的輔導和相關文獻的檢索，學生以實現項目的功能要求為目標，以機械總體設計為出發點，采用系統分析的方法，擬定機械系統傳動方案，完成各執行機構的創新設計。要求每組學生提出3種系統傳動方案，從功能、技術、經濟、環保等方面進行分析和比較，決策出最優方案，繪制出機構運動簡圖或者三維模型原理圖，并對主執行機構進行尺度綜合和運動分析。

2.技術設計。在教師的指導下，學生根據系統傳動方案的功能參數要求，如傳遞的功率、速度、負載等，應用相關基礎知識，提出傳動方案，確定總傳動比、分配各級傳動比和電機型號，進行關鍵零部件的結構設計和工作能力計算，并考慮零件的結構工藝性和安裝的合理性及安全性，對裝置總體進行設計，最后對傳動系統建立三維模型，并完成主要零件的二維工程圖繪制。

3.實物制作。針對具體的方案進行工藝過程設計，進行優選方案后的成本分析及工程管理技能等的提高訓練，對特定主題的實物加工制造并裝配調試。

四、課程達成評價

本課程分三個階段進行，最終考核的成績分布比例是第一階段“系統方案設計”占40%，第二階段“技術設計”占30%，第三階段“實物制作”占30%。在每階段結束時，根據相應的考評環節評價該課程對畢業要求的達成情況。

系統方案設計階段的考評環節有團隊協作、系統方案、設計報告及答辯。

技術設計階段的考評環節有團隊協作、建模圖紙及設計計算說明書。

實物制作階段的考評環節有團隊協作、實物作品及結題報告。

團隊協作考核標準是“能夠傾聽他人意見，勝任團隊中的角色，并完成相應的職責。”

設計報告考核內容有“總體方案的分析、比較，并給出最優方案；對執行機構進行尺度綜合、運動分析。”

答辯環節要求“與同學、老師進行有效溝通和交流，表達清晰，有理有據回答相關提問。”

建模繪圖要求“完成技術設計，并繪制圖紙或三維建模。”

實物制作要求“制作實物并展示”。

結題報告要求寫出結題報告及心得體會。

在最后達成評價時針對每一評分環節給出相應的評分標準（評分標準略）。

五、課程實施情況

我校機械設計制造及其自動化專業從2013級開始開設《機械綜合實踐項目》課程，給定的題目是以當年創新大賽和綜合能力競賽的主題（或學生自定的題目）為主要研究對象，要求從機器功能要求出發，擬定機械系統傳動方案，完成各執行機構的結構設計和運動分析，在學期結束后，每組提交方案設計報告一份，并進行集中答辯。

從團隊協作、系統方案、提交的方案設計報告及答辯表現等方面評價《機械綜合實踐項目》第一階段課程教學目標的達成情況。從評價結果來看，大部分同學能夠在團隊中分擔任務，并承擔相應的責任；從系統方案設計和提交的設計報告來看，學生具有擬定機械系統方案的能力，能夠針對機械系統的設計問題建立合理的數學模型，并能把自己的設計思想進行較完善的文字描述；從評價結果反映出同學們的答辯表現不佳（目標值是5分，但評價值只有3.87分），問題主要表現在兩個方面，一方面是答辯PPT制作沒有經驗，背景混亂，主次不明顯；另一方面是有些學生公開發言沒有信心，不能有條不紊地講述出自己的設計思想，也不能準確回答答辯老師提出的問題，導致答辯成績不理想，這是后續教學環節需要加強改進的地方。

參考文獻：

[1]中國工程教育專業認證協會.工程教育認證一點通[M].北京：教育科學出版社，北京，2015.

[2]中國工程教育專業認證協會秘書處.工程教育認證工作指南[Z].2015-3.

收稿日期：2016-11-30

基金項目：西安電子科技大學教改項目

作者簡介：陳永琴（1971-），女，陜西石泉人，西安電子科技大學機電工程學院副教授。