基于典型案例的現(xiàn)代機械設(shè)計能力培養(yǎng)模式研究

晏祖根 孟爽 胡廣旭

摘? ? 要：為提高地方院校機械專業(yè)學(xué)生的現(xiàn)代機械設(shè)計能力，文章通過齒輪傳動及減速器設(shè)計的典型案例，將機械專業(yè)核心課程與課程設(shè)計、實訓(xùn)、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)深度融合，形成規(guī)范、完整的機械設(shè)計能力培養(yǎng)體系，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決機械工程問題的能力，夯實學(xué)生的現(xiàn)代機械設(shè)計能力，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：機械工程;機械設(shè)計能力;培養(yǎng)模式;典型案例

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2022）06-0035-03

機械制造業(yè)不僅是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展建設(shè)的發(fā)動機，更是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。近年來隨著科技的進步，“中國制造2025”正推進制造業(yè)由傳統(tǒng)制造向現(xiàn)代制造與智能制造進行轉(zhuǎn)型與發(fā)展。“科技強國，人才興國”，為適應(yīng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展與轉(zhuǎn)型的需求，社會對具有較強機械工程實踐與創(chuàng)新能力的高素質(zhì)應(yīng)用型高級專業(yè)人才需求量增大。因此，在高校機械專業(yè)人才培養(yǎng)中，亟須強化工程實踐能力與現(xiàn)代機械設(shè)計能力的培養(yǎng)。

為提高機械專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，各高校在人才培養(yǎng)體系、核心課程的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法等方面都進行了大量的有益探索。但目前，相關(guān)教改研究主要集中在教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的改進與優(yōu)化以及實踐教學(xué)改革研究等方面，而對深度融合多課程、多環(huán)節(jié)的全過程專業(yè)能力培養(yǎng)的研究較少。為提高畢業(yè)生的現(xiàn)代機械設(shè)計能力，開展基于典型案例的多課程、多環(huán)節(jié)、深度融合的培養(yǎng)模式研究，符合機械專業(yè)工程教育專業(yè)認證的大潮流，具有重要的意義和推廣價值。

一、現(xiàn)狀及問題

地方院校主要為區(qū)域經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展服務(wù)，承擔(dān)著為行業(yè)技術(shù)進步培養(yǎng)卓越工程人才的責(zé)任。然而，一直以來部分地方院校沿襲高水平院校機械專業(yè)人才的培養(yǎng)模式，未根據(jù)自身實際情況修改導(dǎo)致所培養(yǎng)的人才與社會需求錯位，社會急需能勝任現(xiàn)代機械制造行業(yè)發(fā)展的研發(fā)、設(shè)計工作的專業(yè)技術(shù)人才。此外，地方院校學(xué)科專業(yè)硬件建設(shè)的投入較小，先進儀器設(shè)備與實訓(xùn)平臺的臺套數(shù)少，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)較為薄弱。

我國已廣泛開展工程教育認證工作，基于工程認證以成果為導(dǎo)向的教育理念，學(xué)生畢業(yè)能力是人才培養(yǎng)的核心任務(wù)，而現(xiàn)代機械設(shè)計能力是機械設(shè)計制造及其自動化畢業(yè)生的核心能力。由于機械設(shè)計類課程多、教學(xué)內(nèi)容比較抽象、理論深奧且比較枯燥，學(xué)生多有畏難、厭學(xué)情緒，教師授課比較困難，導(dǎo)致學(xué)生機械設(shè)計知識掌握不扎實、機械設(shè)計軟件應(yīng)用不熟練、機械創(chuàng)新設(shè)計與綜合設(shè)計能力較弱等現(xiàn)象，學(xué)生的專業(yè)能力與機械工程實際需要存在一定的脫節(jié)，不能滿足機械制造業(yè)發(fā)展的人才培養(yǎng)需求，人才培養(yǎng)效果還需繼續(xù)改善。

本文以哈爾濱商業(yè)大學(xué)的機械專業(yè)為例，該專業(yè)已開展工程教育認證工作，根據(jù)培養(yǎng)方案要求畢業(yè)生須具備包括機械產(chǎn)品設(shè)計能力、機械零件制造能力、機電系統(tǒng)控制能力、特色食品包裝機械研發(fā)能力的機械工程綜合應(yīng)用能力，其中最基本、最核心的是機械產(chǎn)品設(shè)計能力，專業(yè)能力形成體系如圖1所示。

針對培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)方案中不僅設(shè)置了“機械原理”“機械設(shè)計”“機械系統(tǒng)設(shè)計”等理論課程，也安排了機械設(shè)計課程設(shè)計、專業(yè)綜合課程設(shè)計、專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)、CAD/CAE實訓(xùn)及畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，形成了比較完整、規(guī)范的現(xiàn)代機械設(shè)計能力培養(yǎng)體系（如圖2所示）。

通過這些教學(xué)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，機械專業(yè)的畢業(yè)生能比較熟練地掌握現(xiàn)代機械設(shè)計方法及手段。但是，由于各門課程、各個實踐環(huán)節(jié)的缺乏交流協(xié)商機制，都按各自的思路與模式開展教學(xué)，沒有形成一個統(tǒng)一、有機的全過程培養(yǎng)體系，導(dǎo)致出現(xiàn)部分基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生工程軟件應(yīng)用不熟練、機械創(chuàng)新設(shè)計與綜合設(shè)計能力較弱等現(xiàn)象，畢業(yè)生的現(xiàn)代機械產(chǎn)品設(shè)計能力還有待提高。

二、培養(yǎng)模式改革的具體方案與措施

在工程教育背景下，哈爾濱商業(yè)大學(xué)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)優(yōu)化人才培養(yǎng)途徑，研究建立了基于典型案例的深度融合的多課程、多環(huán)節(jié)的現(xiàn)代機械設(shè)計能力全過程人才培養(yǎng)模式。

（一）完善機械設(shè)計能力全過程培養(yǎng)體系

為實現(xiàn)符合工程教育專業(yè)認證的畢業(yè)生專業(yè)能力培養(yǎng)要求，機械專業(yè)修訂了人才培養(yǎng)方案和課程教學(xué)大綱，并整合、優(yōu)化工程案例，通過齒輪傳動及減速器設(shè)計的典型案例，將現(xiàn)代機械設(shè)計的能力培養(yǎng)貫穿課程教學(xué)、生產(chǎn)實習(xí)與課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等人才培養(yǎng)的全過程，全面夯實學(xué)生的機械設(shè)計能力，提高畢業(yè)生的工程素養(yǎng)與工作適應(yīng)性。

基于學(xué)科認知規(guī)律，從機械專業(yè)的初步認識機械→簡單機械產(chǎn)品設(shè)計→現(xiàn)代機械設(shè)計方法設(shè)計→機械產(chǎn)品綜合設(shè)計→復(fù)雜機械產(chǎn)品設(shè)計→復(fù)雜產(chǎn)業(yè)機械設(shè)計及研發(fā)→實際工程應(yīng)用的人才培養(yǎng)規(guī)律，綜合分析機械專業(yè)的師資隊伍、硬件條件以及歷史傳承，建立機械專業(yè)基于典型案例的現(xiàn)代機械設(shè)計能力全過程培養(yǎng)體系，如圖3所示。

（二）充實機械設(shè)計能力培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容

以齒輪傳動及減速器設(shè)計為案例，將機械原理、機械設(shè)計、機制工藝等核心課程與課程設(shè)計、實訓(xùn)、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)深度融合，經(jīng)過多輪從理論到實際、從實際到理論的循環(huán)培養(yǎng)過程，逐步培養(yǎng)學(xué)生運用專業(yè)知識去分析、解決機械工程問題的能力。形成規(guī)范、完整的機械設(shè)計能力培養(yǎng)體系，解決了機械設(shè)計類課程追求理論體系完整、忽視工程實踐的弊端。

1.第三學(xué)期?！皺C械原理”課程教師可通過學(xué)生感興趣的汽車及變速箱動畫，使他們了解汽車變速箱的工作原理及齒輪傳動原理，增加其對傳動機構(gòu)有感性認識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時，著重講解齒輪傳動的工作原理及輪系設(shè)計，解決由于課程理論深奧且比較枯燥的難題。

2.第四學(xué)期。首先，可通過“金工實習(xí)”讓學(xué)生近距離觀察CA6140車床主軸箱，使其對齒輪傳動有更深入的認識和理解。其次，教師可通過“機械設(shè)計”課程教學(xué)，重點講述齒輪傳動設(shè)計、齒輪校核等內(nèi)容。最后，通過齒輪減速器課程設(shè)計，讓學(xué)生深入理解齒輪傳動設(shè)計過程及設(shè)計要點，使他們初步了解機械產(chǎn)品設(shè)計的基本過程。

3.第五學(xué)期。教師可通過“機械CAD/CAE/CAM技術(shù)”課程，讓學(xué)生掌握三維設(shè)計軟件Solidworks、二維平面設(shè)計軟件AutoCAD的使用，建立軸、齒輪、箱體等典型零件的三維模型，了解ANSYS、COSMOS等先進機械設(shè)計軟件的應(yīng)用;通過機械CAD/CAE實訓(xùn)，建立圓柱齒輪減速器三維模型，完成齒輪減速器的裝配圖及典型零件圖，使學(xué)生真正理解如何運用先進工具完成機械產(chǎn)品的設(shè)計。

4.第六學(xué)期?？赏ㄟ^大型機械制造企業(yè)生產(chǎn)實習(xí)，讓學(xué)生理解齒輪、齒輪軸等典型零件的加工工藝;通過“機械制造工藝學(xué)”課程，重點理解齒輪加工工藝、設(shè)計計算以及尺寸鏈等內(nèi)容;通過齒輪加工工藝及夾具設(shè)計，使學(xué)生深入理解機械產(chǎn)品、機械零件的設(shè)計及加工，形成機械產(chǎn)品設(shè)計過程中要綜合考慮機械零件加工的良好工程設(shè)計習(xí)慣。

5.第七學(xué)期。通過“機械系統(tǒng)設(shè)計”課程教學(xué)，重點講述有級變速傳動的設(shè)計;通過車床主軸變速箱課程設(shè)計，讓學(xué)生能進行復(fù)雜機械系統(tǒng)整體布局、傳動系統(tǒng)設(shè)計、操縱機構(gòu)設(shè)計等，形成復(fù)雜機械產(chǎn)品設(shè)計的初步能力。

6.第八學(xué)期。通過畢業(yè)設(shè)計，讓學(xué)生運用Solidworks等工程軟件完成一個比較復(fù)雜的機械產(chǎn)品設(shè)計，形成復(fù)雜機械產(chǎn)品設(shè)計能力。

通過6個學(xué)期全過程機械產(chǎn)品設(shè)計能力的培養(yǎng)，可使學(xué)生具備熟練運用機械專業(yè)知識和專業(yè)技能的能力，能夠運用自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，去表述與分析復(fù)雜機械工程問題，提出解決方案，完成比較復(fù)雜的機械產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)，提升專業(yè)能力和工程素養(yǎng)。

（三）改革教學(xué)方法，提升教學(xué)效果

為提升教學(xué)效果，教師要全過程貫徹案例式教學(xué)方法，并形成自己的課堂教學(xué)、實踐教學(xué)及課外科技活動相結(jié)合的立體化教學(xué)思路。

1.采用案例驅(qū)動教學(xué)方法，提高學(xué)生的工程設(shè)計能力。通過齒輪傳動及減速器設(shè)計的典型案例，全過程貫徹齒輪傳動及減速器的工作原理、設(shè)計理論及工程實踐，逐步培養(yǎng)學(xué)生運用專業(yè)知識去分析、解決機械工程問題的能力，夯實學(xué)生的現(xiàn)代機械設(shè)計能力，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)和工作適應(yīng)性。

2.采用系統(tǒng)論方法，完善機械設(shè)計能力培養(yǎng)體系與課程內(nèi)容。采用系統(tǒng)論方法，將機械設(shè)計類各門課程、各個實踐環(huán)節(jié)各自為政開展教學(xué)的現(xiàn)狀，通過齒輪傳動及減速器設(shè)計的案例教學(xué)，形成一個統(tǒng)一、有機的機械設(shè)計能力全過程培養(yǎng)體系，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)和工作適應(yīng)性。

3.采用重點論方法，提升學(xué)生對機械產(chǎn)品設(shè)計的理解。教師要全過程地重點講解齒輪傳動及減速器的設(shè)計、加工、材料選用、總體設(shè)計以及三維建模等，通過課堂討論及習(xí)題課，讓學(xué)生舉一反三，充分調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性，促進其對課程內(nèi)容的消化和理解。

4.采用理論聯(lián)系實際的方法，將教改、科研成果及學(xué)科前沿融入教學(xué)。教師可采用理論聯(lián)系實際的方法，將教改、科研成果、學(xué)科前沿和高新技術(shù)信息有機地融入教學(xué)過程，不斷補充、更新教學(xué)內(nèi)容，深化學(xué)生對機械理論知識的理解和掌握，鍛煉其實際動手能力，并向其傳授更多、更新、更先進的知識，激發(fā)學(xué)生的興趣。

5.結(jié)合實踐教學(xué)與課外科技活動方法，提升教學(xué)效果。教師可結(jié)合生產(chǎn)實習(xí)、課程設(shè)計與課外科技活動，通過現(xiàn)場實物教學(xué)法，提升學(xué)生對機械的感性認識，激發(fā)他們主動學(xué)習(xí)的積極性，提升教學(xué)效果。

三、結(jié)論

本文在對機械制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及需求的大量調(diào)研基礎(chǔ)上，分析地方商科院校的現(xiàn)實困境及現(xiàn)狀，并以哈爾濱商業(yè)大學(xué)機械專業(yè)為例，建立了基于典型案例的現(xiàn)代機械設(shè)計能力的全過程培養(yǎng)體系。通過齒輪傳動及減速器設(shè)計的典型案例，將現(xiàn)代機械設(shè)計能力的培養(yǎng)貫穿課程教學(xué)、實踐教學(xué)等人才培養(yǎng)全過程，全面夯實機械專業(yè)畢業(yè)生的機械設(shè)計能力，提高畢業(yè)生的工程素養(yǎng)與工作適應(yīng)性。通過對機械專業(yè)培養(yǎng)模式的改革，將會使培養(yǎng)出的機械專業(yè)人才更符合國家發(fā)展戰(zhàn)略以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型需要。通過該項目的研究，也可為其他地方院校在進行機械專業(yè)培養(yǎng)模式的教育改革與實踐中提供有效的經(jīng)驗借鑒與參考。

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[責(zé)任編輯? 姜? ? 雯]

收稿日期：2021-12-23

作者簡介：晏祖根（1973—），男，江西上高人，哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院教授，博士，主要從事現(xiàn)代包裝機械裝備與技術(shù)研究。

基金項目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的機械CAD/CAE課程教學(xué)改革與實踐”（202002276011）;黑龍江省高等教育改革項目“基于典型案例的現(xiàn)代機械設(shè)計能力全過程培養(yǎng)模式的探索與實踐”（SJGY20180233）;黑龍江省高等教育改革項目“專業(yè)認證背景下的人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新研究與實踐”（SJGY20200344）;哈爾濱商業(yè)大學(xué)校級教改項目“虛擬仿真技術(shù)在‘食品機械設(shè)計’教學(xué)中的應(yīng)用”（HSDJY202020）