新工科背景下機械設計基礎課程教學探索與實踐

張杰

摘要：在新工科背景和應用型本科對機械類專業創新人才提出的新要求下，針對機械設計基礎這一門傳統的專業基礎課，結合應用型人才培養、創新案例，豐富機械設計基礎課程教學;采用計算機仿真技術，從產學研的角度，使學生認識現代機械工程中新技術的應用與發展，培養學生利用機械設計理論及技術解決工程應用的能力。

Abstract： Under the background of new-engineering and the new requirements of Applied Undergraduate for innovative talents of mechanical specialty， aiming at the traditional basic course of mechanical design， combining with the training and innovation cases of applied talents， the teaching of basic course of mechanical design is enriched; the computer simulation technology is adopted to make students understand the application and development of new technology in modern mechanical engineering from the perspective of production， study and research Exhibition， to cultivate students to use mechanical design theory and technology to solve the engineering application ability.

關鍵詞：新工科;機械設計基礎;探索;實踐

Key words： new-engineering discipline;Mechanical Design Foundation;exploration;practice

中圖分類號：G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0240-03

0? 引言

新工科的理念是對工程教育的創新與升級，同時新工科建設要求堅持問題導向，著力提升學生工程實踐能力和創新能力[1]。新工科的建設提出要重點培養學生的實踐能力，使其具備較強國際競爭力的復合型“新工科”人才;也就是說“新工科”人才不僅僅在自己的專業學科領域拔尖，更要融合“學科交叉”，力爭培養綜合型應用型人才。教育部在2017年對現代工科教育教學改革提出了新的要求，并指出要圍繞著“新理念、新結構、新模式、新質量、新體系”開展[2]。課程教學以因材施教為主，而作為培養人才的重要環節，要結合當下新工科的理念，在原有教學方法的基礎上進行改革，增加適應時代發展的新教學方法[3]。

機械設計基礎是機械類專業的重要專業基礎課，該課程重點培養具備機械設計制造基礎知識與應用能力，要求畢業生具備在工業生產第一線從事機械工程領域內的設計制造、創新發展、應用研究、運行管理和經營銷售等綜合方面工作的高級技術人才。在實際授課中，該課程概念和公式多，內容難度比較大，對數學等基礎要求高。因此在新工科建設的背景下，積極開展機械設計基礎課程的教學改革，適應當下應用型創新型人才的培養，更好的適應區域經濟的發展需求。本文從教學內容及方法、工程實踐及產學研等幾個方面就機械設計基礎課程教學改革進行了一些探討。

1? 提升教學大綱質量

教學大綱是機械設計基礎課程教學活動的綱領，同時也是落實課程教學目標達成的基石[4]。在傳統教學大綱以學時、教材為依據，確定課程內容和教學目標的基礎上，提出適應新工科建設的方案，其制定過程如圖1所示。

根據圖1中課程大綱制定流程，對機械類專業的機械設計基礎課程大綱進行全面修訂，包括以自評和外評兩種方式的聯動機制去明確每學年的課程目標，并以多種形式來支撐自評和外評方案。這種聯動機制很好的保障了評價方案的適應性，很好的滿足了新工科的建設要求。

機械類相關專業機械設計基礎的課程目標具體如下：

①知識與技能目標：樹立正確的設計思想和創新意識，了解國家當前的有關技術經濟政策;掌握常用機構和通用零部件的設計原理和設計方法，掌握機械設計的一般規律，具有設計機械傳動裝置和簡單機械的能力;掌握典型機械零件的結構設計和承載能力計算;培養運用標準、規范、手冊、圖冊，查閱和使用有關技術資料的能力;掌握典型常用機構和機械零件的實驗方法，獲得實驗技能和創新技能的基本訓練。

②過程與方法目標：在學習常用機構和通用零件的結構特點、工作原理、設計理論和計算方法等內容的過程中，使學生的思維和分析方法盡可能聯系實際工程問題得到一定的訓練，培養學生綜合分析和處理實踐工程問題的能力。

③情感、態度與價值觀發展目標：通過本課程的系統學習，同時要培養學生嚴謹的科學態度和積極向上的價值觀。

2? 以虛擬仿真技術培養核心能力

隨著互聯網與計算機虛擬仿真技術的飛速發展，同時也為工程機械類專業的教育教學豐富了一個新的途徑[5]，同時也可豐富課堂色彩及效果。應用型人才所具備的核心能力有以下幾點：

核心能力1：應用數學、基礎科學和機械工程專業知識的能力。

核心能力2：設計、執行和創新實驗，以及分析與解釋數據的能力。

核心能力3：具備從事機械工程領域所需專業技能與技術，以及較強的動手能力。

核心能力4：機械產品、工藝流程以及機械系統的設計能力;

核心能力5：積極參與學科競賽，并具備較強溝通協調與團隊合作能力;

核心能力6：具備分析與解決復雜機械工程問題的能力。

例如在講授平面連桿機構時，連桿機構的運動學和動力學是連桿機構教學中的一個難點問題，所以在講授中引入簡單的PUMA機器人的運動控制和建模實例。首先引導學生通過3D建模軟件建立PUMA機器人運動控制模型，如圖2所示，對工業機器人運動學、動力學以及軌跡的規劃進行了詳細分析。其次用D-H方法建立機器人手臂的動力學方程并建立其速度雅可比矩陣，掌握了PUMA機器人的運動學分析方法。最后運用運動學反解法在MATLAB中編程計算其余五個關節的位置、運動軌跡。

課程引導結束時，學生經推導可以得出的結論有：

①建立機器人手臂的動力學方程，并通過求解動力學方程得到各構件隨時間變化的力與運動的關系。

②根據運動學和逆解方程在MATLAB中編程求解得到末端位姿矩陣和各關節的轉動角度。

③根據PUMA機器人末端的目標位姿，以及有關運動軌跡的約束條件與簡單描述規則，計算出按照描述所要求的軌跡，簡化了系統中復雜的數學問題的編程步驟。

④通過程序得到機器人正解，運用繪圖繪制出了各關節的運動平滑曲線，如圖3～圖4所示為具有典型特征關節的轉動角隨時間的變化曲線。

⑤結合虛擬仿真軟件NX8.0的運動仿真模塊，通過UG的建模功能建立3D實體模型，利用UG的運動仿真功能設定3D模型的各個部件的運動學特性。其運動仿真如圖5所示。

3? 以產學研增強學生的創新能力

機械設計基礎課程的根本任務是分析、解決機械工程中遇到的實際問題，因此在實際授課中要引入產學研的案例來提升學生的創新能力;產為企業生產中的問題，學為課堂授課相關知識和設計思路，研為對具體的問題通過虛擬仿真、試驗樣機等手段對設計的裝置進行研究論證方案。

實例：某型號的電機滾筒在實際輸送煤炭的過程中端蓋和滾筒之間的焊縫失效斷裂，導致其分離的問題。

在課堂上講授現代機構設計應用法時，引入該實例目的是設計一種自動焊接裝置來解決手工焊接出現焊縫不均勻導致電機滾筒失效的問題，同時給出學生思路，讓學生分組實施;首先引導學生通過搜集相關信息了解滾筒電機的原理，然后通過分組擬定自動焊接裝置的方案，通過各個小組的方案對比選出較優的2～3個方案;然后根據方案設計出3D圖樣，通過虛擬仿真軟件對自動焊接裝置的運動學及動力學等特性進行研究，驗證方案的可行性;其次將方案提交企業，企業通過現有技術生產制造試驗樣機，開展試產前的實驗，進一步驗證確定該失效問題是否得到優化解決;最后通過試驗研究后得到可行的結論后再將最終的方案應用到解決實際問題中。在整個解決問題的過程中，學生的各項能力也得到了提高，同時鼓勵學生將自己設計的裝置申報專利和科研論文。在解決問題和教學的同時，也實現了產學研整個流程。

在課程教學改革中，以解決問題實例和培養應用型創新人才為主線，通過產教融合、校企合作、協同培養等多種模式來實現產學研的整個過程，以此來增強學生的創新能力。通過與實踐相結合的模式，讓課堂教學進入到企業實踐應用中，這樣就形成了應用創新型人才的新模式。

4? 與時俱進的課程教學內容

機械工程是一門蓬勃發展的學科，涉及到國計民生的方方面面，隨著科學技術的進步，各行各業涌現出越來越多的新的機械工程問題，這也激勵著作為這門課程的教師，要有與時俱進的思想，同時在課程教學內容中也要隨著不斷變化的科技進步與時俱進，同時不斷地豐富機械設計基礎的研究內容。

這就要求教師在上每一節課之前對教學內容、體系、結構要不斷補充和優化，在課堂教學中一方面要清楚的講授機械設計基礎的基礎知識和理論，同時對傳統講授的內容要精簡;另一方面將精簡出來的課堂時間用來不斷更新知識體系，穿插講授學科發展中的新方向、新問題：比如月球探測小車的設計案例，這是我國在探月工程中遇到的前所未有的新問題，怎么去設計，怎么去論證？在課堂中將這些問題拋給學生，積極引導學生的課外學習興趣，設計方案;同時結合虛擬仿真技術，讓同學們學以致用，將探測車用3D的方式呈現出來，在通過工程軟件將所學知識應用于工程實際問題中，并大膽的提出創新方案并且有效的應用。

5? 結語

在新工科背景的要求下，應用型創新人才的培養要求通過改革教育教學方式，提高應用型人才的運用新技術解決工程問題的能力。本文結合機械設計基礎的教學過程，從課程教學內容、教學手段入手，通過虛擬仿真技術、工程機械案例，使學生充分認識機械工程學科中新技術的應用與發展，同時培養學生使用新技術手段解決分析機械工程問題的能力。

參考文獻：

[1]高曉娟，牟莉.新工科背景下以學科競賽為載體培養創新能力[J].黑龍江教育（理論與實踐），2021（04）：37-38.

[2]劉劍平，夏換.共生理論視角下“新工科”融合創新發展研究[J].黑龍江高教研究，2021，39（04）：19-24.

[3]郝亮亮.基于鑄造實驗室開放平臺的應用型人才培養探索[J].鑄造設備與工藝，2020（03）：58-61.

[4]劉小勇，李榮麗，楊慧香，等.新工科背景下基于OBE理念的機械原理改革研究[J].機械設計，2020，37（S2）：23-26.

[5]王龍庭，石永軍，姜浩，等.工程機械虛擬仿真實驗教學平臺設計[J].實驗技術與管理，2019，36（09）：116-119.

[6]李建強.大型鑄鋼件凝固過程數值模擬參數值優化[D].哈爾濱工業大學，2011：11-12.