面向創新能力培養的機械設計課程改革和探索

張月芹

摘 要：為適應科學技術的飛速發展和社會競爭對創新型人才的需求，文章根據本科獨立學院教育人才培養的目標，分析了我院機械設計課程中存在的不足，提出了在本課程教學中對教學內容、教學模式和方法等如何進行改革，強化了工程意識和創新能力的培養。通過課程改革和實踐探索，達到讓學生既要掌握扎實的理論基礎、又要具有較強的實踐動手能力的目的，改革取得了一定的成效。

關鍵詞：機械設計；課程改革；創新能力；實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）10-0090-03

Abstract： In order to adapt to the rapid development of science and technology and meet the demand of social competition for innovative talents， this paper， according to the talent training goals of independence college， analyzed the shortcomings of mechanical design course in our college， and put forward the reform about the teaching content， teaching modes and methods， strengthening the engineering consciousness and innovation ability. Through the curriculum reform and practical exploration， the students should not only have a solid theoretical foundation， but also have a strong practical ability. The reform has achieved some results.

Keywords： Mechanical design； course reform； innovation ability； practice

引言

隨著科學技術的迅速發展及社會發展對創新型人才需求的增強，在本科獨立學院確立的教育培養人才的目標中，注重以行業發展需求為導向，推動教學改革，強化實踐教學環節，培養高素質應用型人才。機械設計作為培養機械類專業學生機械創新設計能力的一門主干技術基礎課，在學生的教學培養計劃中，起到了承接基礎課和專業課的橋梁作用，在培養優秀機械設計人才方面起著極其重要的作用。

針對機械設計課程存在的一些問題和不足，對本課程進行教學改革尤為必要。文章從理論教學和創新設計實踐的角度，在課程教學內容、教學模式和方法、創新實踐等方面開展了一系列必要的改革和有益的探索，以其進一步優化教學內容，強化工程意識，加強創新能力培養。

一、當前教學現狀及存在的問題

（一）課堂教學內容

機械設計重點討論通用零件的有關基本理論和方法，以及有關技術資料的應用等[1]。我院機械設計理論課時為42個，講述內容包括總論、聯接、傳動以及軸系四大部分，存在教學內容多、課時少的明顯矛盾。按照教學進度安排，教師全力講授完所有內容需近40個學時。再加上課程總復習，基本上填滿了總課時。在課堂的有限時間內，難以讓學生接觸到更多的工程案例，也難以讓學生將所學的理論知識和實際應用結合起來，且課堂案例更新不及時，未融入較新的創新思維意識，對學生的創新思維能力的引導及訓練都會產生削弱作用，不能很好地體現培養高級應用型人才的目標。

（二）教學模式和方法

當前，教學模式主要采用教師講授式，通過教師課堂講解、學生聽課、問答、課堂練習等一些傳統的單一模式來進行，未融入較新的教學模式和創新思維意識，存在學生學習被動、靠機械重復來掌握知識的問題。課堂中忽略了學生的主體地位，不僅影響其學習積極性和自主性，而且不能很好地實現對學生探究問題及解決工程問題能力的培養。

（三）實踐教學環節

本課程實踐環節薄弱，僅有6學時基礎實驗和2.5周機械設計課程設計，開設的基礎實驗為“螺栓強度實驗”“軸系搭建實驗”和“減速器拆裝實驗”，屬于驗證性和認知性實驗，缺少設計性和創新性實驗項目。且因實驗設備數量受限，一般3～4個人一組進行實驗操作，導致個別學生實際動手較少，敷衍了事，達不到實驗的目的。而課程設計依然是齒輪減速器的設計，題目類型過于單一，缺少對學生創新意識的強化培養，并且裝配圖和零件圖依然停留在采用圖板、圖紙等進行手工繪制階段，與實際工程設計人員已越來越多地使用計算機軟件繪圖的現狀相脫節，不利于學生計算機繪圖與輔助設計能力的提高。

二、改革措施

（一）優化教學內容，提高課堂效率

針對課程內容多、課時少的問題，需要根據課程特點和培養目標對課堂內容進行優化。在總論部分，降低機械零件疲勞強度的計算難度，要求學生主要掌握疲勞曲線和極限應力圖、穩定循環應力下零件的疲勞強度計算，有關強度校核計算公式，要求學生能夠直接對公式進行應用而不再強求記憶公式，避免學生在剛進入本課程學習時產生畏懼復雜計算問題的心理，提高其學習自信心。在聯接部分，包括螺紋聯接，鍵、花鍵及無鍵連接，銷連接，鉚接，膠接與過盈連接等，重點讓學生掌握螺栓聯接的類型和應用、受力分析、強度校核和設計計算等內容，而其他連接則安排學生課外自學，以提高課堂效率。對于帶和鏈傳動，重點學習普通V帶傳動的內容，而鏈傳動則簡述其運動特性，有關滾子鏈傳動的計算要求學生自學。對于齒輪傳動，重點講述漸開線圓柱齒輪，并省略有關公式的理論推導，讓學生掌握公式中參數的含義及其對齒輪傳動的影響，掌握齒輪設計的步驟和方法；而錐齒輪和蝸桿傳動，重點掌握其傳動特點及受力分析方法，而強度計算等要求學生自學。軸系部分，重點講述軸和滾動軸承的內容，而滑動軸承作為自學部分，聯軸器、離合器放在軸系結構搭建的實驗中結合實物來觀察和學習，以產生深刻的認識。

經過以上內容的優化，在理論課時中可節省5～6個課時，從而可增加工程實踐案例的內容，讓學生了解機械設計的新發展，擴其知識信息量，并將創新設計的思路和方法應用到工程實踐案例的分析中。這不僅拓展了學生的知識面，而且逐步培養了學生結合工程實例進行創新的意識。

（二）豐富教學模式，強化工程意識

每一種教學模式都具有其自身的優勢與局限，應該綜合運用多種教學模式，提高教學效果[2]。在教學模式與教學目標相契合的情況下，教師要考慮實際教學條件，根據教學內容采用合適的教學模式完成理論和實踐教學。要打破現有的以教師傳授知識學習為主的教學模式，要突出學生的主體地位，注重在基礎知識講授之后，培養學生綜合運用理論知識解決工程實際問題的能力。

由于本課程要學習幾類不同的通用零件，容易讓學生產生內容繁雜、思路凌亂的感覺。為此，在整個課程的講授中，始終貫穿“零件使用案例-工作原理-失效形式-受力分析-強度計算-結構設計”的學習主線，讓學生建立一條清晰的學習思路主線。

大綱要求的重點和難點部分，教師要充分利用板書、多媒體課件、動畫等手段將課程內容講述詳盡，并啟發學生舉一反三、學用結合，讓學生牢固地掌握基礎知識和分析問題的方法，重視系統性的學習知識，提高課堂教學質量。如在講述帶傳動的彈性滑動和打滑時，借助Flash動畫讓學生形象的觀察帶和帶輪間運動速度的差異。通過逐漸增大載荷觀察彈性滑動區域的變化及向打滑的轉變，加深學生對帶傳動運動特性的認識。針對各類齒輪傳動的受力分析，由于其受力種類、方向判斷等都不盡相同，一直是學生易混淆出錯的地方。為了系統化地讓學生掌握本部分內容，教師要設計教與學互動環節。如先讓學生在黑板上畫出每一類齒輪的受力分析示意圖，然后再引導學生分析每種力在各類齒輪上的作用特點，找出各類齒輪受力的異同。這種做法精簡了內容，強化了學生的記憶和理解。通過該互動方法，作業中的錯誤大大減少了。

為提高教學質量和效率，建立了機械設計模型室。要充分利用模型室提供的優質教學資源，將部分基本教學內容轉移到模型室進行教學，適當開展情景式教學。讓學生對模型室陳列的零部件、減速器等模型產生直觀認知，彌補其空間想象力和形象思維能力的不足，并將其置身于實際模型之中學習，不僅可以降低課程的抽象性和難度，豐富的實物模型還有助于學生擴大知識面，激發學習的主動性和興趣。如滾動軸承部分，通過學生觀察各類軸承的結構，并根據結構分析其受載情況等，教師再進一步結合實物講述總結，以加深對軸承的理解，則看似繁多零亂的內容卻可以讓學生很好地掌握，產生的教學效果遠遠好于教師在教室的全力講解。對于課程的自學部分，教師有針對性地提出一些問題，適當開放模型室，讓學生在模型室內自學而找出問題的答案，培養學生獨立觀察問題和分析問題的能力。對于學生存在疑問較多的地方，教師在課堂中再給予解答和概述。不僅擴展了學生的知識面，而且提高了學習效率，兼顧了課程的完整性。

以探究式教學模式[3]增加工程案例的分析。教師根據學習進度，針對零件的實際工程應用提出問題，讓學生以分組的形式課外求解問題的答案，教師在課堂上再對學生的解答進行點評，對他們的疑問進行點撥和啟發，并對那些具有突破的學生給予鼓勵，提高教師教學的靈活性。如完成減速器拆裝實驗后，讓學生以風力發電增速齒輪箱為研究對象，完成對該增速齒輪箱的組成、工作原理、傳動特點等的分析，并對傳動方案進行再設計或改造。通過類似問題的對比分析，培養學生創新思維能力和自主學習的能力，并將創新設計與工程應用緊密結合，拓展學生對工程問題的認識。此外，學生在解決問題的過程中，一般需要到圖書館查閱設計手冊、數據庫文獻資料等。因此，還提高了他們查閱技術資料和檢索信息的能力。

計算機網絡技術的發展及應用的普及，為建設開放式學習環境創造了有利條件，為此，在課程改革中嘗試了微課[4]，對課程的重點、難點和機械設計的新成果、新產品錄制微課，便于學生利用零碎的時間進行學習和課外回顧課堂內容，使學生不受地域的影響、自主加強學習。

（三）搭建創新平臺，鼓勵創新設計

一般，對學生創新能力的培養可以從加強其創新意識、動手實踐等方面入手。開展創新設計的訓練和競賽，激發學生的積極性，讓學生綜合運用所學知識去觀察分析問題，解決實際問題。

本課程具有很強的設計性和實踐性，在已開設的6學時基本實驗中，為保證實驗效果，在實驗開始之前要求學生完成與實驗內容密切相關的預習，以改善實驗效果，提高課堂效率，避免走馬觀花式實驗，并對每個學生定量分配實驗任務。為進一步擴大學生的知識面，在實驗中教師要介紹相關的工程背景，典型工程應用實例等，以增加工程實踐的內容。對于2.5周的課程設計環節，鼓勵學生采用計算機輔助繪圖軟件來完成。不僅可以提高作圖效率，而且可以讓學生有更充足的時間理解設計的內容，提高設計的質量。同時，鼓勵大家開拓新的題目，而不再局限于二級齒輪減速器的設計。為培養學生的創新意識、創新能力及工程實踐能力，增設了32學時的機械設計綜合實驗，進行機械創新傳動方案的搭建和計算機輔助建模分析。在已有的工程經驗的基礎上進行動手實踐。并注重開展應用型、綜合提高型和創新型等實驗項目[5]，以滿足不同層次學生的需求。同時在實驗開設期間，開放實驗室以增加學生的課外學時。本綜合實驗中，學生設計出了連桿式機械手、打包機等優秀的傳動裝置。

此外，為開展課外創新活動，建立了大學生創新實驗室，購置了車床、銑床、鉆床及數控雕刻機等加工設備，并配有教師指導機床的操作，為動手及創新能力較強的學生提供了一個發揮自身特長的平臺。近年來，借助省級及院級大學生創新基金項目，開展了爬壁機器人、自動化立體停車庫、走迷宮機器人等江蘇省大學生創新基金項目，結合學生的專業優勢，順利完成了實體模型的設計制作，取得了良好的成績，培養了一批優秀的高級應用型人才。從實驗室走出的一些畢業生還成功實現了創業，將自己的產品推向了國內外市場。學生在實驗室學習期間，還參加了各類國家級、省級大學生競賽，并取得了突出的成績。如在第14屆全國大學生機器人大賽Robomasters賽中，首次參賽，即在華東賽區賽中取得亞軍、在全國總決賽中取得二等獎的好成績。在近幾年舉辦的江蘇省大學生機器人大賽中，多次取得冠軍、亞軍、季軍等成績。實驗室學生取得的優異成績，離不開平時對創新能力培養和重視的積累，也有力地證明了課程改革的有效性。通過該創新實驗室，也將機械設計的課堂創新意識和實踐能力的后續培養，延續到創新作品設計平臺上，有利于人才的個性化和多樣化發展，滿足了社會對新型人才的需求。

三、結束語

為適應社會發展對高素質應用型人才的需求，提高大學生的機械創新能力和實踐能力，文章在分析機械設計課程現狀的基礎上，對課程進行了一系列改革和探索。機械設計課程改革以行業發展需求為導向，優化教學內容，結合課程的學習特點豐富教學模式和方法，提高課堂教學效率和質量，強化工程實踐，培養具有一定創新意識和實踐能力的高素質應用型人才，改革取得了一定的成效。

參考文獻

[1]濮良貴，紀名剛.機械設計（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2006：5.

[2]萬偉.三十年來教學模式研究的現狀、問題與發展趨勢[J].中國教育學刊，2015（1）：60-67.

[3]盛武，盛智愚，劉影，等.探究式高校課堂有效教學模式設計與實驗[J].遼寧工程技術大學學報（社會科學版），2012（4）：445-448.

[4]蘇小兵，管玨琪，錢冬明，等.微課概念辨析及其教學應用研究[J].中國電化教育，2014（7）：94-99.

[5]胡家秀，陳峰.機械創新設計概論[M].北京：機械工業出版社，2005.