基于機械創新設計大賽的“機械設計”教學實踐

馬雪亭，丁 羽，周 嶺

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆維吾爾自治區 阿拉爾 843300）

機械設計是機械類學生的一門核心專業基礎課程，主要包括連接部分、傳動部分、軸系部分等的學習內容。該課程教學課時量較大，涵蓋內容較多且重要。按照教學大綱要求，該課程要求學生不僅學會相關理論知識，也要提高設計與動手能力，能根據所提出的任務設計出相關機械系統[1]。在授課過程中，應盡可能列舉日常生活生產中常見的實例展開講解，這樣學生在學習過程中易于接受，有較好積極性。雖然理論學習方面融入適當的教學方法（如翻轉課堂、雨課堂等），可取得較好效果，但該課程實驗次數有限，歷年來傳統的課程設計也是以減速箱為例，學生在后期的設計及運用時，存在著理論與實踐操作的脫節：對典型零部件的認識較為良好，但后期整個機械系統的設計以及制作實體時（如畢業設計）較為吃力，如對實現某一功能的機構設計方面思路狹隘，不能較好地將機械原理與機械設計中所學的相關知識靈活運用到設計與實體制作中去[2]。

本文提出基于機械創新設計大賽實體制作與實物展示的教學方法，以毛毯清潔機為例，通過讓學生參與機械創新設計大賽，制作相關實體，并將實體展示（有條件可在課堂展示），讓學生實實在在運用機械設計相關知識，開動腦筋，親自動手制作實物。指導教師更多地充當輔助角色，尊重學生思路并與學生一起探討完善，以此提高學生設計與動手能力。

1 教改背景與案例

該賽項每隔一年舉辦一次，該比賽項目每次舉辦前會提出相關主題，如2020 年第九屆機械創新設計大賽主題為“智慧家居、幸福家庭”。另外，該比賽與大學生綜合能力競賽恰好交替進行，學生可借此機會每年都可嘗試設計與制作，將機械設計所學知識運用到設計與制作中去，制作出的作品可用于機械類學生的展示，適合做教具的還可結合機械設計課程用于課堂展示與講解，較為優秀的作品可拿來參加比賽。

值得注意的是：學生參與比賽的定位為將理論知識運用到實際中去，加之是初步運用，摸索成分較多，應以鼓勵為主，切不可苛刻要求學生力求完美，應允許錯誤與不足，并在制作過程中不斷與學生客觀評價與探討，盡可能讓學生自行發現錯誤與不足，通過學生親自“折騰”不斷接受教訓，獲取知識，不斷進步。

現以毛毯清潔機為例，詳述設計與指導教師指導過程。

1.1 發現問題，提出思路

根據主題，展開思考。由大賽主題可知，設計實物須給家居生活提供一定便利，解決現有家居生活中存在的問題。針對該主題讓學生去發現問題，提出問題，并針對該問題進行小組討論，提出一解決方案。以其中一設計毛毯清潔機的小組為例，該小組提出家居生活中，地毯、窗簾等不適合用洗衣機清洗，設計了一款集噴灑、清潔、吸垢功能于一體的毛毯清潔機，理論上可一定程度解決該問題，方便快捷。

1.2 針對問題，設計方案

針對上述問題，該小組提出了3個子功能的解決原理，通過小水泵與噴頭解決清洗液體的噴灑任務（須使用專用干洗清潔液），用電機帶動毛刷方式進行清潔任務，利用吸塵模塊將清洗下的污垢吸取除去。具體如圖1 所示，其中噴霧裝置1 用于將毛毯潤濕并涂抹毛毯專用清潔液，毛刷5 在電機帶動下高速旋轉，將污漬刷掉，吸塵裝置3 將污漬吸到集塵室，最終使毛毯清潔。

圖1 多功能地毯清潔機結構Fig.1 The structure of multifunctional carpet cleaner

1.3 組員合作：虛擬樣機建立

通過SolidWorks 軟件建立毛毯清潔機的個零件三維圖，最終裝配成三維虛擬樣機。圖2 為毛毯清潔機三維虛擬樣機。

圖2 毛毯清潔機虛擬樣機Fig.2 The virtual prototype of blanket cleaner

1.4 實物制作

指導學生依附于塔里木大學機械電氣化工程學院實訓中心具備的激光切割、3D 打印技術以及手工制作技能，將實物搭建。限于時間與客觀因素限制（疫情影響），此次制作較為粗糙，但仍有其設計價值。主要是用密度板材經過激光切割作支撐整體機架，通過礦泉水瓶承裝專用地毯清洗液。毛刷裝置是通過激光切割的亞克力板結構與毛刷粘接而成。

通過上述過程，學生在SolidWorks 軟件建模技術、CAD使用技能、3D 打印與激光切割技術等方面均有所提高，能將自身在課堂上所學知識，結合實際情況，運用到設計類任務中去，并在設計過程中不斷摸索，發現問題及時完善，在挫折中提升自己，同時也在大大小小的成就中提升興趣。

1.5 不足之處

在實施過程中，發現部分不足，主要有以下幾方面：一是由于該教學改革措施以鼓勵為主，受眾學生有限，僅約三分之一學生參與其中。故該方式只對少部分同學有良好效果；二是由于經費、加工工藝局限等客觀原因，部分小組更多借助SolidWorks 軟件建立虛擬樣機并仿真，加工實物方面客觀上存在一定困難，但即便如此，學生在設計與建模方面也是有所提高。

2 結論與展望

本文通過以機械創新設計大賽主題為設計任務，讓學生通過邊學習邊設計的學習方式，提高學生設計、制圖、加工等綜合技能。后期可依附全國大學生綜合能力競賽與機械創新設計大賽，調動學生參與其中，積極設計，甚至可把該項融入到機械設計的課程設計任務中去。這樣，既可提高學生綜合能力，又能在比賽中有所斬獲，有一定的成就感，進一步調動學習相關課程積極性。

此次以機械創新設計大賽為主題的參與以鼓勵為主，受眾面有一定局限性。在以后的教學中，可將與課程相關的大賽類主題適當融入到課程設計中去，也在一定程度上避免抄襲現象（大賽主題每屆會有所不同），真正讓學生展開想象，發揮設計才能。制作出的實物也可用于柜臺展示或用于教具，用于課堂相關知識的講解。

另外，可將此課程與力學類課程有機結合，將有限元分析軟件（如ANSYS、abaqus 等）融入進去，基于有限元法對關鍵零部件進行校核，如螺栓強度校核、軸類疲勞破壞校核等，取代傳統的手算方式，提高效率與準確率。