圍繞創(chuàng)新能力培養(yǎng)的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)改革

黃輝祥 張 敏 鹿新建 李 果 賈文華

（南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 江蘇·南京 211167）

0 引言

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是高校工科非機(jī)械類(lèi)、近機(jī)類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的一門(mén)專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，是以機(jī)械制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)和公差與技術(shù)測(cè)量等課程為先修課程，在學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課程中具有承上啟下的作用，在學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)培養(yǎng)體系中占有十分重要的地位。該課程主要介紹常用機(jī)構(gòu)、通用零件、機(jī)械傳動(dòng)裝置及簡(jiǎn)單機(jī)械的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、特點(diǎn)、設(shè)計(jì)計(jì)算及應(yīng)用維護(hù)等內(nèi)容。在培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)體系中，本課程能增強(qiáng)解決機(jī)械技術(shù)問(wèn)題的能力，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課以及今后從事機(jī)械方面的設(shè)計(jì)、制造及研發(fā)工作奠定重要基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)是以教師課堂講授為主，少量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和題目單一的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)為輔，這種教學(xué)模式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。在當(dāng)今以創(chuàng)新為主旋律的時(shí)代背景下，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)需要繼續(xù)深化改革，在注重對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的同時(shí)，還要注重學(xué)生的工程實(shí)踐性，將兩者結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生成為全面發(fā)展的應(yīng)用型人才。因此，有必要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革進(jìn)行探討。

1 教學(xué)內(nèi)容體系的改革

1.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、突出重點(diǎn)

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程包含機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理這兩門(mén)課程的內(nèi)容，是精簡(jiǎn)的少學(xué)時(shí)課程。該課程具有涉及面廣、概念多、知識(shí)點(diǎn)分散、各章節(jié)獨(dú)立性強(qiáng)和邏輯性差、綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，為學(xué)生學(xué)習(xí)該課程帶來(lái)一定的難度。因此，在教學(xué)內(nèi)容上要突出重點(diǎn)和難點(diǎn)，遵循“三個(gè)簡(jiǎn)化三個(gè)強(qiáng)調(diào)”，即：簡(jiǎn)化公式推導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)公式應(yīng)用；簡(jiǎn)化機(jī)理分析，強(qiáng)調(diào)參數(shù)選擇（設(shè)計(jì)）；簡(jiǎn)化參數(shù)計(jì)算，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。比如在講解齒輪的齒面接觸疲勞應(yīng)力公式時(shí)，簡(jiǎn)要介紹該公式是怎樣由赫茲接觸理論推導(dǎo)而來(lái)的，讓學(xué)生知其所以然，以便于理解公式及其參數(shù)的選擇。

1.2 精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)注重理論基礎(chǔ)知識(shí)與工程實(shí)際應(yīng)用相融合，在教學(xué)內(nèi)容上多結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行講授，可以選擇具有動(dòng)畫(huà)演示的二維碼掃描的教材，特別是在講解平面連桿機(jī)構(gòu)內(nèi)容時(shí)，諸多類(lèi)型的機(jī)構(gòu)配合動(dòng)畫(huà)會(huì)能起到復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化的效果。在實(shí)例的選擇上多選擇學(xué)生比較感興趣的典型例子，比如在講差動(dòng)輪系以及輪系的運(yùn)動(dòng)合成與分解內(nèi)容時(shí)，以汽車(chē)的差速器為例可以使學(xué)生從枯燥的理論中回到豐富的生活中，也可以適當(dāng)播放講解差速器工作原理的視頻，更能引人入勝，這樣既活躍了課堂氛圍又易于理解。此外，盡量選用日常生活中常見(jiàn)的實(shí)例進(jìn)行講解，容易引發(fā)學(xué)生去主動(dòng)思考問(wèn)題，例如在講授軸根據(jù)受載荷情況分類(lèi)時(shí)，以學(xué)生較為熟悉的自行車(chē)為例，引導(dǎo)學(xué)生判斷自行車(chē)的前軸、中軸和后軸三個(gè)軸各屬于何種類(lèi)型。

對(duì)于重要知識(shí)點(diǎn)可以從不同角度進(jìn)行講解，比如在講授直齒圓柱齒輪漸開(kāi)線的形成時(shí)，可從發(fā)生線在基圓上做純滾動(dòng)而形成的角度，也可將纏繞在基圓上的繩子切于基圓進(jìn)行展開(kāi)來(lái)考慮，將它們結(jié)合起來(lái)進(jìn)行講解，這樣學(xué)生對(duì)漸開(kāi)線的形成及其特性就很容易融會(huì)貫通。

2 教學(xué)方法的改革

2.1 科研促進(jìn)教學(xué)

高校教師在承擔(dān)教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，還兼顧著科研工作。教師將科研工作與課堂教學(xué)內(nèi)容結(jié)合起來(lái)，以科研來(lái)促進(jìn)教學(xué)，會(huì)取得較好的教學(xué)效果。科研是教學(xué)的“源頭活水”，將科研成果融入于教學(xué)中，教學(xué)更容易做到“深入淺出”，也能使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，有助于學(xué)生對(duì)課程相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解，并且擴(kuò)展了知識(shí)面。筆者在攻讀博士期間設(shè)計(jì)發(fā)明了“一種可分離的往復(fù)式扳手”，該設(shè)計(jì)是利用棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)扳手的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將扳手夾體設(shè)計(jì)為類(lèi)“手銬”式的可分離結(jié)構(gòu)，能夠方便解決不便于從物體兩端套入扳手的問(wèn)題，例如輸油管道或燃?xì)夤艿澜涌谔幏ㄌm。在講解機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程棘輪機(jī)構(gòu)的時(shí)，將該發(fā)明的設(shè)計(jì)思想及原理引入到教學(xué)中，易于啟發(fā)學(xué)生的想象力，能夠吸引學(xué)生的興趣，大幅度提高課堂的教學(xué)效果。

2.2 突出以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的積極作用

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程具有較強(qiáng)的理論性和抽象性，可以采用案例法教學(xué)模式，教師提前做好充分的準(zhǔn)備，根據(jù)課程知識(shí)點(diǎn)和原理預(yù)設(shè)案例和問(wèn)題場(chǎng)景，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組討論，從而提高學(xué)生探索新知識(shí)的興趣，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和思考，教師針對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行指導(dǎo)并綜合評(píng)定。在講解軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)背景來(lái)選擇工程實(shí)際機(jī)器的軸作為案例來(lái)討論，教師提前準(zhǔn)備好能演示軸上零件安裝過(guò)程的三維動(dòng)畫(huà)，使學(xué)生對(duì)軸系結(jié)構(gòu)有比較清晰的認(rèn)識(shí)，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

3 教學(xué)手段改革

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的實(shí)踐性較強(qiáng)，傳統(tǒng)的教學(xué)手段難以解決課時(shí)少與內(nèi)容多等問(wèn)題。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展和多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)為紐帶的新媒體教學(xué)已在逐步成為機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程重要的輔助教學(xué)手段。將傳統(tǒng)的教學(xué)手段與信息多媒體技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)將信息技術(shù)手段作為模擬教學(xué)、案例教學(xué)等輔助手段，可以容易達(dá)到課堂理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)的充分結(jié)合，這點(diǎn)在我們講述機(jī)械設(shè)計(jì)課程中較為抽象的內(nèi)容時(shí)尤為重要。同時(shí)，通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程相關(guān)前沿知識(shí)的資源網(wǎng)絡(luò)共享，拓寬學(xué)生的知識(shí)范圍和視野。現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合可以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，教師在課堂上可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件設(shè)置某些題目或者問(wèn)題的搶答環(huán)節(jié)，給學(xué)生留有表現(xiàn)的機(jī)會(huì)。鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)（如中國(guó)大學(xué)MOOC、學(xué)習(xí)通等）進(jìn)行作業(yè)和討論的互評(píng)、互改及相互交流。翻轉(zhuǎn)課堂、慕課以及微課三種教學(xué)手段的有機(jī)結(jié)合更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力。

4 實(shí)踐教學(xué)改革

課程設(shè)計(jì)是與機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程相配合的必不可少的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要途徑，是該課程和機(jī)械制圖、工程力學(xué)、互換性與技術(shù)測(cè)量等先修課程所掌握的基礎(chǔ)理論知識(shí)、基本技能的綜合應(yīng)用。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)是二級(jí)減速器為設(shè)計(jì)對(duì)象，具有設(shè)計(jì)題目單一、設(shè)計(jì)內(nèi)容不足、設(shè)計(jì)方法和手段落后等缺點(diǎn)，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為開(kāi)拓學(xué)生思維，課程設(shè)計(jì)題目和設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)多樣化和新穎性，可以選擇貼近工程實(shí)踐的科研項(xiàng)目、大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的作品或者典型有創(chuàng)意的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類(lèi)專(zhuān)利作為課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和題目。將計(jì)算機(jī)繪圖引入課程設(shè)計(jì)的教學(xué)中，特別是三維 CAD軟件如 Solidworks、UG等，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的課程設(shè)計(jì)的積極性，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。此外，還可以引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的有限元方法、虛擬樣機(jī)技術(shù)等到課程設(shè)計(jì)中去，全面提高學(xué)生的綜合應(yīng)用和創(chuàng)新能力。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用型人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是目前機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一。在課程教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，通過(guò)精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、完善教學(xué)方法和提高教學(xué)手段等對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)進(jìn)行改革探索，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和發(fā)展。