《機械基礎》課程教學內容與課程體系綜合設計研究與應用

余衛平

摘 要：對于工程專業的學生來說，機械基礎課程是一門必修課，為了培養這個專業的學生成為一個優秀的工程師，學生不僅要掌握課本上的機械相關的基礎知識，還要學會分析“機械原理和操作實踐”的設計現狀，將所學的基礎知識與整個課程體系的實踐結合起來，全面掌握該課程的理論知識應用和機械設計制造技術。

關鍵詞：機械基礎 課程教學內容 課程體系 綜合設計

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（c）-0226-03

機械原理和機械設計兩門課程是學習機械基礎課程綜合設計的基礎，相關專業的學生在進入大學兩年后才能開始實踐操作機械設計，在開始動手設計一般機械之前，學生必須熟練掌握相關的機械工程材料、原理、設計等理論知識，能夠在實踐過程中靈活應用理論力學、材料力學和工程圖學等的相關知識。

1 機械基礎課程設計存在的問題及分析

1.1 機械原理課程設計存在的不足

多年來，很多高職院校傳統的課程設計有3個步驟：（1）制定設計題目。機械原理課程設計的題目基本一致，都是分析機器中的導桿系統的動態靜力情況和運動狀況，常見的機器就是用于機械制造和自動化設計的插床和刨床等。（2）觀察轉動過程中的飛輪。在設計題目的基礎上，觀察飛輪的轉動情況，從而計算出它在運動過程中的慣性力量。（3）設計機器結構。通過對機器導桿和飛輪的分析，實現能夠為這些機器設計凸輪和齒輪結構并使之相適應的最終目的。

教學體制設計的手段和方法上均上存在不足。通常情況下，教學過程中學生的設計題目幾乎都一致，這些大同小異的題目暴露了學生在操作實踐過程中敷衍了事，以完成任務的學習態度對待整個課程設計，沒有及時糾正以往設計的課程中的錯誤，在自己的課程設計中依舊重犯這些錯誤，使用乏味的設計題目單一的設計方法、手段，即使勉強通過了有關考核，學生的實際知識能力也沒有得到提高。

其次，培養體系缺乏全局性和準確性。以往的課程設計中，學生只注重分析機器的執行程序，忽略可機器的原動機和中間傳動系統，無法實現機器3個部分的協調統一，沒有經過全面系統的機械設計訓練，以至于設計理念不完整，設計結果不盡人意。

最后也是最主要的問題，學生的積極性、主動性和創造性不足。傳統的機械操作實踐往往為學生準備好了要設計的機器機構和設計方案，學生只需要按照既定的方案完成操作，不需要發揮過多的主觀能動性。我國21世紀的教育戰略是培養創新型人才，所以必須改變學生在傳統設計過程中創造性思維和自主設計能力得不到提高的局面，增強學生的理論知識教育和動手能力。

1.2 機械操作實踐設計現狀分析

隨著科學技術的不斷進步和市場需求的不斷發展，高職院校機械設計的傳統課堂已經不能滿足時代進步的需要，必須對舊的機械設計課堂進行改革，現將傳統的教學現狀分析如下。

教學方法和教學內容都無法為學生的實踐能力服務。教學過程中多采用“填鴨式”的教學方法，教學內容中的設計題目和設計目標都在老師事先限定的范圍，題目離不開對機器齒輪減速器的分析，學生完全按照老師講授的經驗完成整個設計過程，不積極發揮自己的主觀能動性，老師的主要職責也僅僅是為學生提供設計的模板，監督設計過程是否和自己的要求一致，在整個設計過程中，學生只需要掌握相關的設計公式和應用原理，將公式和原理死搬硬套進自己的課程設計中，并利用圖解法參考其他機器的減速器設計，沒有將減速器的設計與所用的機器聯系起來，只要完成經驗型的手工設計就相當于此次機械設計的圓滿完成。

機器的設計說明書的準確度和可信度不高。機器的說明書需要解釋清楚機器各個零部件和它們之間的相關關系，而傳統模式下的機器說明書顯示出，學生不完全知曉自己所設計機器的零部件之間的運動和裝配關系，甚至連零部件的形狀和性能也不清楚，說明書上的內容也只是參閱其他機器的說明書，只知道說明書上描述的是這樣卻不知道為什么要這樣描述。

機械操作實踐的要求不夠嚴格，上課過程沒有達到專業化和專門化。一方面，教室無法滿足許多個機械設計課堂同時上課，阻礙了正常的設計程序，影響了機械設計的最終結果，另一方面，許多學生的自我約束能力不高，在機器的數據記錄和編寫過程中存在造假行為，這一行為盡管節省許多設計時間、加快了設計進度，但是學生的課程設計質量和實踐能力都沒有得到提高。

綜上3種現狀，都嚴重阻礙了機械操作實踐的變革，必須加大力度培養學生的專業理論素養和實踐操作能力，以改變當前的落后現狀。

2 課程體系綜合設計研究

教師可以組織單一機械課程向綜合設計機械課程的教學實踐。在實踐過程中，教師可以利用模擬試驗來證明構成機器的零部件和運動狀態，模擬試驗要求學生不僅要關注機器的性能和結構，還需要了解機電方向和汽車等多種因素，把機器作為設計題目的主要對象，按機電方向的不同設計不同的題目，并能夠使用計算機模擬所設計機器的結構運動形態，該項創新型模擬試驗必須接近機器最真實的運動狀態，才能展現出設計題目的可行性和科學性。

改革機械基礎操作實踐的主要方法可以具體描述為以下兩點：（1）從簡單的機械原理和機械操作實踐著手，擴大兩門課程共同的學習范圍，由原來的兩門課程整合為綜合的操作實踐，相應的增加學生的設計時間，鼓勵每一個學生都提出自己對于所選設計題目的不同觀點，在小組互動中增強學生的學習興趣和學習能力，最終的機械運動方案由小組組員集體決定，這個機械運動方案是每一個小組成員創新性思維的集合體，它凝結了學生的學習興趣和創新設計能力。（2）在學習綜合課程設計的過程中，體驗以機器的建立模型、計算數據、和最后可視化技術為一體的虛擬樣機軟件，它的優點在于能夠減少生產機器的時間和資金，其中最受研究院、大學和機器制造商歡迎的是美國學者推出的分析性軟件，學校將這一技術應用在學生的模擬試驗過程中，能夠將學生設計的機器結構與仿真的機器結構進行比較，了解所設計模型的運動過程和性能。學校在改革傳統課程體系的過程中，CAD、CAE、CAM等系列虛擬樣機軟件的應用是對傳統設計手段的徹底變革，在增強學生實踐能力的同時，讓原本枯燥的機械操作實踐變得充滿樂趣。

3 培訓體系綜合設計的實踐及應用

3.1 改革培訓體系注重學生素質的培養

要想培養一個21世紀高素質的機械工程技術人才，必須注重培養學生的3大能力，即思維創新設計能力、機械系統設計能力和綜合應用與創新能力。學校在培養學生這3大能力時，需要采用下列方法：（1）幫助學生全面深刻的掌握機械基礎課程，完成設計方案的制定。在大一大二開展機械原理和機械設計兩門課程，并要求學生全面靈活的掌握相應的理論知識，在學生掌握基礎理論知識的基礎上，再教授學生典型機械系統設計的操作過程，這種由表及里，由淺入深的教學過程能夠幫助學生根據機械的設計要求繪制機械運動簡圖，從而制定系統的設計方案，（2）加強學生對設計圖和設計方案的理解，依據基礎知識和設計方案繪制整個機器的零件工程圖和裝備圖，完成機器的系統設計。（3）為學校的機械操作實踐制定一條科學可行的訓練主線，由設計最初的原理和傳動方案到更深層次的設計執行機構和整個機器結構，從而使學生形成系統的機械設計能力。（4）在注重學生專業知識和專業設計技術學習的過程中，不能忽視學生思想意識形態的教育，學生對機械設計的工程和系統的認識關系到學生對于機械設計的創新性思維，正確引導學生的創新性思維，能夠幫助學生增強自身的創新能力。隨著時代的發展，各大高職院校一改傳統的機械教育模式，致力于培養學生的3大能力，傳統教學模式下的教科書也需要同步進行改革，該校為了改變沒有專門的理論知識和操作技術相統一的教科書現狀，學科機械類的研究老師合作編寫了一本綜合設計指導書，這本書的編制不僅廣泛涉及了學科的專業知識，同時結合了本校當前的對于機械設計的實際教育水平，為學生日后的設計選題指導了不同的研究方向。

3.2 機械傳動方案設計，培養學生創新能力

學生在機械操作實踐的每一個教學階段都應當是主體，教師在每一個教學階段都應當起主導作用，引導學生學習機械設計而不是決定學生機械設計，特別是在機械傳動方案設計的重要階段中，教師必須做到以下幾點來正確處理這一關系：（1）在設計題目的選定和方案的制定過程中，教師要鼓勵學生發揮自己的主觀能動性和創新型思維，正確選擇自己的設計題目和設計方案的創新點。（2）教師要了解學生的實際學習能力，根據學生的學習能力制定相應的機械設計計劃，對于一些學習能力稍弱的學生，應當適當降低選題的難度，并且盡量選擇參考指定的指導書，達到因材施教和因人而異的教育目的。（3）教師在分析學生的設計方案過程中，要把握好3個步驟：其一，向學生提出課程要求，鼓勵學生制定不止于兩種的設計方案；其二，教師要幫助學生全面分析自己設計方案，發現方案之間的差異，并采用最符合要求的設計方案來完成此次機械操作實踐；其三，嚴格把握設計方案的每一個細節，從測量機器的運動尺寸和觀察運動過程到詳細計算機械的設計結構和設計強度，每一個設計步驟都必須在方案中做出詳細解釋。

3.3 引入虛擬樣機技術進行機構分析

多媒體時代的興起，推動了各門課程走向信息化和技術化，在整個機械工程的操作實踐教學過程中，計算機軟件作為一種輔助工具，在教學的每一個環節都能夠發揮重大的作用，主要表現在：（1）將抽象的機械原理轉化為簡單直觀的概念。（2）將復雜難懂的題目轉換為易理解的題目；（3）將設計過程中出現的間接問題轉化為直接問題，幫助學生解決問題。（4）將刻板的理論知識轉換為實踐問題。（5）將靜止的機械問題轉化為動態問題，幫助學生理解。計算機技術應用在機械設計的課堂上，體現了當今課程設計質量的一大進步。

由于互聯網技術與計算機技術的飛速變革，虛擬樣機技術也隨之迅猛興起成為當代最為先進的一項計算機輔助工程技術，因此在全球范圍內又被稱作是機械系統動態仿真技術。虛擬樣機技術自出現以來就受到了國際各大制造廠商、相關科學研究部門、高等院校、企業的極大重視，那是因為其研發與應用，在一定意義上達到了縮短產品開發周期的目的。以美國的ADAMS軟件為例，為了能夠在具體操作環節中做到全面貫徹培養卓越工程師的理念，在進行綜合設計機械基礎課程時，針對插床導桿機構、沖壓機構、擺動式運輸機機構、牛頭刨床擺動導桿機構等相關機構模型，通過利用ADAMS軟件來展開相應的運動學和動力學分析，針對刀具的位移、速度、加速度曲線，自動繪制曲柄受到的平衡力矩曲線圖等模型圖標，ADAMS軟件也將會完成自動繪制，同時可以借助于后期加工繪制最大動態剩余功曲線圖，有助于曲線結果更為清楚明確。也正是因為如此ADAMS作為一項美國MDI機構研發成效十分突出的虛擬樣機分析軟件，才得以在信息市場上占據很高的地位。ADAMS軟件同時可以對機構進行參數化建模，學生通過將機構的不同原始參數進行系統輸入，就能夠達到針對不同結果進行比較的目的。導桿機構在進行動態仿真時，可以通過研究各位置時所對應曲線起伏來分析其所要表達的意思。ADAMS軟件同以往用圖解法或自編程序法進行機械原理課程設計相比較，絕大多數學生都認為使用ADAMS軟件來展開課程設計更為簡潔有效、一目了然，有助于課程設計最優化成果的獲得，在教學過程中利用計算機對機械進行輔助設計，這種變革推動了教學創新的發展進程，進而有助于增強學生對于機構的相關運動學、動力學相關參數優化設計的課本理論知識的研究學習。

3.4 理論聯系實際，修改設計對象

由于工業制造領域覆蓋面的擴大，新生產技術與新研發工藝也隨之不斷興起，就齒輪行業而言，其中的硬齒面齒輪加工制造技術的愈發純熟，隨著加工制造設備的不斷更新換代，硬齒面齒輪減速器作為引領市場齒輪減速裝置發展方向的標桿，在生產制造環節中得到了廣泛使用，比如現今的工程應用學科在實際的操作過程中所要進行推薦使用的齒輪減速器，絕大多數情況下都會選擇硬齒面齒輪，相反地軟齒面齒輪減速裝置開始出現逐漸被市場所淡忘的勢頭。正是由于硬齒面齒輪減速器的設計與實際齒輪應用密不可分，教育學習的過程中才更為應當將理論與實際相結合，更多地選擇硬齒面齒輪減速器設計的方案來展開實踐環節的操作，將改用硬齒面齒輪減速器的設計結果與以往結果進行比較可以看出，硬齒面齒輪減速器的整機重量出現大幅度減小、產品體積相對更小，因此可以大幅減少原料成本，相應的產品造價也就隨之下降，這樣的生產成果能夠使學生深刻理解科學技術的發展是如何提升生產實際應用的整體經濟效益，同時有助于增強學生進行學習時的的主動性與學習熱情。并且從另一個方面來看，硬齒面齒輪減速器屬于新興技術，在現有資料中難以輕易查找到大量與之相關的資料，這在某個角度上促使學生主動查找相關資料或詢問老師，從而有助于提升學生的實際設計能力與思考學習能力。

3.5 學生的模仿型設計轉變為思考型設計

在傳統的操作實踐中，一般是通過教師對設計環節展開相應步驟的口頭理論說明，學生針對所學理論概念進行機械模仿來完成，這種教學模式通常以培養傳統的經驗型設計作為教學目的，在這種教授之下學生總習慣于照本宣科按部就班，對于課程所學內容知其然而不知其所以然。但是現在的授課過程中，教師更多地只是給學生做出必要的課程內容提示，同時羅列出與之相關的參考書目，鼓勵學生自覺主動地去查閱資料文獻。在課程設計具體實施環節中，草圖設計和裝配圖設計也就是機構設計階段作為課程整體內容中的疑難點，導致這一學習階段的學生在自主學習進程中受到阻礙，并且出現較多失誤。在《機械設計》的課堂上教師所要進行重點講解的都只是相關基礎知識，盡管實際操作過程中影響結構的因素有很多，但在課程設計中針對結構方面的理論學習整體而言相對較少。因此在這一階段，指導教師應當展開多方位地指導，不斷進行正確和錯誤結構的深入對比分析，另外還要培養學生養成抓住課程重點進行研究學習的能力，從而促使學生構建起整體設計的思想體系。這種理論與實際相結合的現代教育模式，有助于增強學生對信息及數據的收集處理及獨立思考并解決問題的能力。

4 結語

這一課程的教學中測量和互換機械等技術也十分必要，這一實踐過程旨在培養學生的一般機械設計能力，加強學生在學習理論知識的同時養成良好的創新思維和實際操作能力，這門課程在學生的整個機械學習過程起著承上啟下的作用，一方面幫助學生總結學過的理論知識；另一方面為他們日工作學習打下堅實的基礎，即便學生到了工作崗位，這一門課程的相關知識依舊適用。

參考文獻

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