面向工程教育專業(yè)認證的機械設計基礎教學改革研究

劉志強 胡朝斌

[摘? ? ? ? ? ?要]? 隨著機械類專業(yè)越來越多參與工程教育專業(yè)認證，機械設計基礎課程被眾多專業(yè)設置為必修專業(yè)基礎課。然而，傳統(tǒng)的機械設計基礎的教學設置重點是機構組成與運動原理、機械受力分析、機械強度設計等，偏重于機械的尺寸幾何設計與力學分析的內(nèi)容。這對機械類力學薄弱專業(yè)的學生學習帶來了挑戰(zhàn)。提出利用現(xiàn)代教育技術手段，結合計算機輔助圖解法、CAD/CAE工具的方式，開展了教學改革與實踐研究，取得了良好的效果。

[關? ? 鍵? ?詞]? 工程教育專業(yè)認證;機械設計基礎;教學方法;改革

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）42-0190-02

工程教育認證對近機械類專業(yè)提出了綜合考慮環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的前提下，基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題展開研究，并利用現(xiàn)代設計與分析工具，給出設計與開發(fā)方案的高要求。隨著工程教育專業(yè)認證在眾多近機械類專業(yè)的不斷擴展，越來越多的專業(yè)培養(yǎng)方案將機械設計基礎課程設置為專業(yè)必修基礎課程，其包含“機械原理”和“機械零件設計”兩部分內(nèi)容。在培養(yǎng)近機械類工程技術人才的全局中，起到承前啟后的作用，為學生學習后續(xù)專業(yè)課程打下必要的基礎。

基于工程教育專業(yè)認證的要求，本課程將培養(yǎng)學生設計能力、創(chuàng)新能力、工程意識作為教學目標，通過理論教學和實踐環(huán)節(jié)的遞進融合，培養(yǎng)學生掌握機構的結構分析、運動分析、受力分析和機器動力學等方面的基本理論和基本知識，具有初步的機械方案創(chuàng)新設計能力。通過本課程的學習，學生具有運用標準、規(guī)范、手冊和現(xiàn)代設計工具的能力，并掌握通用機械零件的設計原理與方法，為后續(xù)專業(yè)課程學習和今后從事設計工作打下堅實的基礎。

然而，由于傳統(tǒng)的機械設計基礎內(nèi)容的教學設置是面向機械類專業(yè)設置，重點是機構組成與運動原理、機械受力分析、機械強度設計等，偏重在機械的尺寸幾何設計與力學分析的內(nèi)容，這對近機械類力學薄弱專業(yè)的學生學習帶來了挑戰(zhàn)。特別是該課程的傳統(tǒng)教學常以理論公式推導為主，對于近機械類專業(yè)的學生在認知和理解上有較大的障礙。為此，探討如何在滿足工程教育專業(yè)認證目標的前提下，對機械設計基礎課程進行改革，使其適應近機械類學生力學計算知識薄弱的特點，仍然能增強學生的機械理論基礎，提高學生對機械相關技術工作的適應性，并培養(yǎng)其開發(fā)創(chuàng)新能力。

一、基于計算機輔助圖解法的機構設計與分析的教學改革與實踐

機械設計基礎內(nèi)容中涉及機構設計（連桿機構、凸輪機構、齒輪機構）、機構運動分析（速度和加速度計算）、受力分析（力、自鎖分析）、機械平衡等。目前分析機構問題主要采用圖解法、解析法和實驗法等常規(guī)方法。

由于圖解法直觀易于理解，一直是教學過程中重點介紹的方法。然而，傳統(tǒng)的圖解法求解過程中需要使用尺規(guī)作圖工具進行作圖求解，精度較差且僅能求解瞬時位置參數(shù)，在工程問題求解中應用受限。解析法雖然精度較高，但是其需要較強的數(shù)學基礎和編程能力，這增加了應用的難度。實驗法雖然直觀，但是受限于機構尺寸和成本，應用同樣有局限。為此本文提出在機械設計基礎教學中引入計算機輔助圖解法，用于機構設計與性能分析。也就是采用計算機輔助設計CAD理念，在CAD軟件基礎上二次開發(fā)圖解法模塊，可以綜合計算機精度高與圖解法形象直觀的優(yōu)點，便于學生掌握設計理論與方法，提高主觀能動性。

在實踐中，開發(fā)了基于NX三維設計軟件二次開發(fā)的計算機輔助圖解法進行機構創(chuàng)新設計與性能分析的插件，提供給學生使用。這樣近機械類學生在學習過程中，既可以深刻理解相關基礎理論和掌握機構設計、機構性能分析的方法。如圖1所示，開發(fā)的計算機輔助圖解法具備功能模塊，包括機構設計、運動學分析、力學分析三個模塊。

二、基于現(xiàn)代教育技術與CAD/CAE集成流程的機構設計與分析的教學改革與實踐

為了適應網(wǎng)絡在線教學的需求，針對近機類專業(yè)學生力學基礎和知識面需求之間的矛盾，將現(xiàn)代教育技術（多媒體和網(wǎng)絡）、數(shù)字化設計與分析方法（計算機輔助圖解法、CAD/CAE）、網(wǎng)上虛擬實驗、案例資源、課程創(chuàng)新設計與考核改革等相結合，開展了相應改革與探索實踐。充分利用先進的現(xiàn)代教育技術與設計工具，改進教學內(nèi)容和教學方法。

設計離不開工具，利用CAD成熟的設計工具包（IN-VENTOR和SolidWorks邁迪工具包，有軸、帶輪、齒輪、軸設計工具）和CAE工具，使學生擺脫煩瑣的計算工作，著重在分析設計參數(shù)對設計性能的影響分析、多種設計方案的優(yōu)化比較，建立“設計一評價一再設計”的設計迭代思想。并利用CAD軟件中的機械零件庫，培養(yǎng)學生選型設計、類比設計、改進設計的能力。最后利用三維CAD模型生成二維圖技術，培養(yǎng)學生對空間結構的想象與設計的綜合能力。

在此基礎上，開發(fā)的網(wǎng)絡在線學習平臺包括理論課程學習模塊、計算機輔助圖解法創(chuàng)新設計工具模塊、CAD/CAE交互設計與分析模塊和虛擬仿真實驗模塊。其中虛擬仿真實驗包括：三維PDF的虛擬機構測繪實驗技術、基于unity 3d虛擬現(xiàn)實的虛擬裝配實驗技術、基于CAD/CAE的機械創(chuàng)新設計與方案評價實驗以及基于Dreamweaver的實驗資源（機構運動模塊庫、案例庫）。

三、結論

面向工程教育專業(yè)認證，通過對機械設計基礎課程和相應課程設計的教學方法進行優(yōu)化改革，螺旋漸進式組織開展案例式教學、設計性實驗、項目式課程設計，開展課程基礎內(nèi)容與課程設計實踐融合的“化整為零”法的貫通式的教學方式等實施，促進了近機械類專業(yè)課程間交叉融合。

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◎編輯 魯翠紅