機械設計綜合實踐課教學改革探索與實踐

邊宇樞+楊洋+郭衛東

[摘 要]針對現有機械設計綜合實踐課存在實訓項目陳舊、重復性工作量大、難度低、新意少、學生熱情不高的現狀，在教學內容、教學模式、教學方法、教學手段和評價體系等方面開展一系列探索。從科研項目和工程實際中提煉具有一定挑戰性和創新性的實訓項目。在課程中引入構型綜合、運動學與動力學分析、強度設計與校核、優化設計等機構學核心內容，完善學生的知識結構。引導學生將現代設計方法與先進的計算機輔助分析設計手段相融合，以提升學生的綜合設計能力。通過強化自主學習和自主攻關，鍛煉學生獨立解決實際問題的能力。建立起面向知識、技能、創新能力的三層評價體系，全面評價學生。實踐表明：教學改革提升了課程挑戰性，激發了學生的學習熱情，提高了教學質量。

[關鍵詞]機械設計；綜合實踐；課程設計；教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）01-0044-03

當前，機械設計學科正在經歷深刻變革。[1]在學術層面上，各種新的設計理論與分析方法層出不窮，這為機械創新設計注入了新活力。[2][3]在工程層面上，各種計算機輔助分析設計工具大量涌現，這為機械產品研發提供了強大動力。新形勢對高等工科院校的機械設計系列課建設提出了新的要求。

機械設計綜合實踐課（又名機械設計綜合課程設計）是繼機械制圖、機械原理與機械設計之后的重要課程。[4]它不僅擔負著融會貫通前三門課程知識的任務，更是拓展學生視野、培養學生技能、鍛煉學生素質的重要平臺。然而，現階段該門課程未能有效發揮其應有的作用。走出課堂的學生，一方面缺乏系統的設計理論與分析方法訓練，在學術深造方面出現知識斷層、創新能力匱乏、自信心不足的情況；另一方面，由于不能熟練運用各種計算機輔助分析設計工具，缺乏設計經驗，在工程實際中他們也感到困難重重，難以適應市場的需求。因此，有必要重新審視機械設計綜合實踐課的地位和作用，開展新的教學探索。

目前，機械設計綜合實踐課的教學改革方興未艾，有很多工作需要去做。[5]-[13]為此，我們根據學生的實際情況，在機械設計綜合實踐課的教學內容、教學模式、教學方法、教學手段和評價體系等方面開展了一系列的探索工作，旨在為培養寬視野、強技能、高素質、勇創新的機械工程技術人才做出貢獻。

一、存在的問題

當前，我校的機械設計綜合實踐課存在一定的不足，主要表現在以下幾個方面。

1.設計對象單一，以減速器為主，偏傳統、新意少，重復性工作量大，有現成答案可供參考、難度低，學生熱情不高。2.教學內容偏重減速器的零部件結構設計，缺乏對執行機構進行分析與綜合的內容。3.實訓項目陳舊，其設計思路、方法、步驟均已成標準定式并且羅列翔實，幾乎沒有給學生留有獨立思考的空間。4.在教學模式上，以教師授課為主，學生的自主能動性不足。5.雖然對機械設計系列課中的重要知識點有所回顧，但是缺乏對機構運動學與動力學領域重要概念和知識的輸入。6.學生只見樹木不見森林，無法獲得比較系統的機械設計步驟與流程的訓練。7.設計手段落后，學生主要依賴手工繪圖，缺乏運用計算機輔助分析設計工具進行機械設計的訓練。這些問題嚴重影響了教學質量。

二、教改探索

由于機械設計綜合實踐課暴露的問題較多，且牽一發而動全身，因此，有必要多管齊下，進行全方位的改革。

（一）面向機構創新的實訓項目設計

實訓項目是學生在機械設計綜合實踐課上需要完成的設計任務，是教學要求與培養目標的實施載體，是教改的重點。實訓項目的設計首先應該滿足教學大綱的要求，即包含原動機、傳動裝置、工作機（執行機構）三部分，并且能夠對機械原理與機械設計的主要內容進行訓練。在此前提下，應改變原來只針對減速器的單一設計模式，擴大選題范圍。從教師的科研項目以及工程實際中提煉出一些難度適中、具有一定實用價值和創造性的實訓項目，例如力反饋裝置、眼外科手術器械、太空艙門展收機構等。這既擴展了學生的視野又提升了設計過程的挑戰性，對于提高學生的科研素質與設計能力具有極為重要的意義。

（二）涵蓋機構學基本理論知識的教學內容建設

以實訓項目為基礎，打破原有課程的封閉性，強調與其他學科和課程的銜接與融合。一方面，在內容上針對實訓任務，適當引入構型綜合、運動學與動力學分析、強度設計與校核、優化設計等機構學基礎知識，引導學生初步學會運用這些知識實現機構的分析與綜合。另一方面，結合實訓項目，指導學生掌握現代機械設計方法及流程和先進的計算機輔助設計手段，使學生在宏觀上建立起正確的機械設計與分析觀念。

上述教學內容建設旨在培養學生三個層次的綜合設計能力。第一層次是培養學生理解與表達設計對象的能力，即培養學生具備從實訓項目中提煉各種設計約束（如尺寸約束、運動約束、動力約束等）的能力，讓學生建立起以“約束”作為設計起點與歸宿的重要設計理念。第二層次是培養學生使用現代設計方法與先進的計算機輔助分析設計手段進行設計和分析的能力。第三層次是培養學生創造性構思的設計能力和總體把握設計方案的能力。

在教學內容的編排上，適當增加執行機構的設計與分析內容，相應減少結構設計內容。考慮到減速器具有十分典型的機械特征，值得初學者學習，因此予以保留，但是將以往的二級減速器結構設計更改為單級減速器結構設計。這既保留了原有內容的精華，又減少了重復性勞動，更為新內容的引入節省出大量的時間。

（三）全面融合計算機輔助分析設計手段的教學實踐

在設計、分析、計算、校核、繪圖等教學環節中，全面引入ADAMS、ProE、SolidWorks、AutoCAD等多種計算機輔助分析設計工具，探索將現代設計方法與計算機輔助分析設計手段相融合來實現創新設計的教學模式，綜合提升學生的機械設計技能。其中，可以利用ADAMS軟件進行機構的創新設計、運動學與動力學分析、強度設計與校核、優化設計；利用SolidWorks、ProE等軟件進行減速器的三維結構設計；利用SolidWorks、ProE等軟件的二維投射功能或者AutoCAD軟件，繪制減速器的二維裝配圖和二維零件圖。由于我校學生前期學習過ADAMS、SolidWorks等軟件，因此取得了良好的實踐效果。endprint

（四）建立以學生為核心的互動教學模式

一方面，改變“教師為主、學生為輔”的教學模式，以實訓項目為牽引，強化學生的自主學習和自主攻關，鍛煉學生獨立解決實際問題的能力。在此基礎上，充分發揮教師的引導作用，為學生厘清機械設計的正確思路以及現代機械設計方法與流程。注重告訴學生“做什么”和“為什么做”，放手讓學生通過查詢資料去“如何做”。另一方面，聘任研究生作為助教，在計算機輔助分析設計工具的使用方面給予本科生輔導，降低本科學生實施CAD/CAE分析的難度。

（五）建立知識、技能、創新能力的三層評價體系

原有的評價體系側重于檢查學生對基礎知識的掌握，無法全面評價學生。現改為在專業基礎知識、計算機輔助分析設計技能、機構創新設計能力三個層面綜合評價學生。每個評價層面按照時間維度，由多項評價指標組成，從而建立起比較全面的評價體系，并由主講教師和助教共同評分。其中，“知識”占總成績的50%，“技能”占總成績的30%，“創新能力”占總成績的20%。

三、教學實踐

教改后的機械設計綜合實踐課的主要教學過程如圖1所示。

1.分配實訓項目。為學生指定實訓項目；講解實訓項目中涉及的重要概念，引導學生理解實訓項目。

2.明確任務與約束，培養學生從實訓項目中提煉各種設計約束（如尺寸約束、運動約束、動力約束等）的能力；建立以“約束”作為設計起點與歸宿的重要設計理念。

3.執行機構設計。（1）執行機構的創新設計。根據各種設計約束，開展調研，提出自己的執行機構設計方案；對多種設計方案進行可行性論證。通過構型綜合，確定最終的執行機構構型方案。（2）執行機構的運動學分析。利用虛擬樣機仿真分析工具（如ADAMS軟件等）分析執行機構的運動性能；檢驗能否滿足任務規定的尺寸約束、運動約束；完善并確定執行機構的最終構型及其特性尺寸。（3）執行機構的動力學分析。利用虛擬樣機仿真分析工具（如ADAMS軟件等）分析執行機構的動力學性能。重點分析驅動力（矩）、運動副阻力（矩）、工作載荷與速度/加速度之間的定量關系等，檢驗能否滿足任務規定的動力約束。（4）關鍵構件的強度設計與校核。針對執行機構的關鍵構件，根據虛擬樣機仿真分析工具得出的運動副受力情況，對關鍵構件進行強度設計，得出滿足強度要求的構件材料參數和特性尺寸參數。（5）動力學與強度的迭代設計。將滿足強度要求的構件模型重新利用ADAMS軟件進行動力學分析；根據得出的受力關系，檢驗構件強度設計結果的可行性；確定執行機構工作時的實時功率與最大功率。

4.原動機選型。根據執行機構所需的最大功率確定原動機的輸出功率與額定功率；根據執行機構輸入端的運動要求，確定原動機的額定轉速以及減速器的傳動比；確定原動機的型號。

5.一級閉式減速器設計。根據傳動比，選擇合理的傳動方式，如齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動；利用SolidWorks、ProE等軟件進行減速器的三維結構設計；利用SolidWorks、ProE等軟件的二維投射功能或者AutoCAD軟件，繪制減速器的二維裝配圖以及二維零件圖。

6.答辯。教師針對學生的各設計環節進行提問，學生予以回答，以此檢驗學生的學習和實踐效果。

四、教改特色

機械設計綜合實踐課的探索工作具有以下特點。

1.拓展視野。實訓項目來源于真實科研課題與工程實際，難度適中，具有一定的挑戰性，有利于拓展學生的視野，鍛煉學生的自主學習、自主攻關的能力與創新精神。

2.擴充知識。以機構創新為核心，引入構型綜合、運動學與動力學分析、強度設計與校核、優化設計等機構學核心知識，完善學生的知識結構。

3.強化設計。引導學生將現代設計方法及流程與先進的計算機輔助分析設計手段相融合，提升學生的綜合設計能力。

4.自主攻關。改變“教師為主、學生為輔”的教學模式，強化學生的自主學習和自主攻關，鍛煉學生獨立解決實際問題的能力。同時，聘任相關專業的研究生作為助教，在計算機輔助分析設計工具的使用方面給予輔導，降低本科學生實施CAD/CAE分析的難度。

5.綜合評價。擺脫以往僅從結構設計角度評價學生的弊端，建立起面向知識、技能、創新能力的三層評價體系，從專業基礎知識、計算機輔助分析設計技能、機構創新設計能力三個層面綜合評價學生。

6.濃縮精華。將原來的二級減速器結構設計縮減為一級減速器結構設計，這既保留了原有內容的精華，又避免了重復性勞動，更為新內容的引入節省出大量的時間。

五、結語

機械設計綜合實踐課是機械設計系列課中一門重要的實踐環節課，是學生從理論基礎走向工程實際的橋梁，更是學生拓展視野、培養技能的重要平臺。我們通過在教學內容、教學模式、教學方法和教學手段上的一系列改革，提升了課程的挑戰性，完善了學生的知識結構，激發了學生的學習熱情，提高了教學質量，使學生既能鍛煉素質和能力，又能體驗成功的喜悅。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 高峰.機構學研究現狀與發展趨勢的思考[J].機械工程學報，2005（8）：3-17.

[2] 余躍慶，李哲.現代機械動力學[M].北京：北京工業大學出版社，1998.

[3] 楊廷力，劉安心，羅玉峰.機構學理論進展的哲學思考與認識[C].第十八屆中國機構與機器科學國際學術會議論文集，2013：34-39.

[4] 王之櫟，王大康.機械設計綜合課程設計（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2009.

[5] 張友湖，李芯.CAD/CAE在機械設計課程設計中的應用[J].機械工程師，2014（6）：166-167.

[6] 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.

[7] 高路，陳民弟.機械設計基礎課程設計的改革與實踐[J].吉林化工學院學報，2011（2）：38-39.

[8] 李淼林.應用型本科“機械設計課程設計”教學改革初探[J].科技信息，2010（9）：561-562.

[9] 李天箭，丁曉紅.創新創業教育在機械設計課程設計環節中的探索實踐[J].實驗技術與管理，2016（4）：22-24.

[10] 郝秀紅，邱雪松，王瓊，等.機械設計課程設計教學改革初探[J].教學研究，2011（3）：51-54.

[11] 李良軍，龍振宇.創新教育在機械設計課程設計教學中的運用[J].高等建筑教育，2003（9）：102-104.

[12] 安琦，王小芳.創新機械設計能力的課程后延續培育模式[J].化工高等教育，2007（4）：79-81.

[13] 米潔，高宏.遞進式實踐教學模式的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2012（2）：138-140.

[責任編輯：陳 明]endprint