新工科背景下工業(yè)設(shè)計專業(yè)機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)改革探索

◇成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 徐一心 周洪祥 王振玉 呂中意

為適應(yīng)新工科背景下應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求，針對近年來本校工業(yè)設(shè)計專業(yè)機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的教學(xué)過程中突顯出的各種問題，進行了分析和總結(jié)。從我校工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點和傳統(tǒng)機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)方法弊端入手，提出了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、提高綜合運用知識能力、增強創(chuàng)新設(shè)計能力的教學(xué)方案和教學(xué)手段。以提升本課程在工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)中的前導(dǎo)作用，培養(yǎng)新工科背景下具備更強就業(yè)競爭力的復(fù)合型人才。

在全球新經(jīng)濟模式和新產(chǎn)業(yè)革命的背景下提出的新工科，是對培養(yǎng)多元化、多學(xué)科融合、適應(yīng)新產(chǎn)業(yè)需求的卓越工程科技人才進行的高等工程教育改革試探[1]?！疤齑笮袆印敝刑岢龅摹皢柤夹g(shù)發(fā)展改內(nèi)容”[2]，明確要求更新工程人才的知識體系，工業(yè)設(shè)計專業(yè)人才培養(yǎng)方案直接決定了本專業(yè)學(xué)生知識體系的形成及崗位競爭能力。在工業(yè)設(shè)計專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中，機械設(shè)計基礎(chǔ)課程是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。其主要任務(wù)是讓學(xué)生對常見機構(gòu)、構(gòu)件的組成和基本原理有初步了解，并掌握常用零件的設(shè)計方法，同時能夠靈活運用到工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計中，滿足原理和功能上的需要。該課程起到從基礎(chǔ)課到專業(yè)課的銜接作用，并為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，因此該課程的開設(shè)在整個工業(yè)設(shè)計專業(yè)培養(yǎng)方案的實施中舉足輕重。

機械設(shè)計基礎(chǔ)課程具有機構(gòu)繁多、公式復(fù)雜、圖表繁瑣、概念抽象等特點，且傳統(tǒng)的教學(xué)方式多以教師講授為主，導(dǎo)致學(xué)生課堂參與性不高，知識掌握程度不理想。在新工科“問學(xué)生志趣變方法”的理念下，通過改革本課程的教學(xué)手段和教學(xué)方法抓住學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣點，提高課堂任務(wù)的參與積極性，提升學(xué)生的知識綜合應(yīng)用及創(chuàng)新能力已勢在必行。

1 教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 近機類專業(yè)《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程的生搬硬套

目前，本校承擔(dān)工業(yè)設(shè)計專業(yè)機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)工作的教師大多來自機械類專業(yè)，在教學(xué)大綱和教學(xué)設(shè)計上只是按照工業(yè)設(shè)計專業(yè)的課時要求在近機類專業(yè)的基礎(chǔ)上進行章節(jié)的刪減。工業(yè)設(shè)計專業(yè)大多沿用近機類專業(yè)使用的教材和授課課件，導(dǎo)致課堂中教師講解零件、機構(gòu)、構(gòu)件等概念時舉例用到的四沖程內(nèi)燃機，講解平面四桿機構(gòu)基本特性時舉例用到的牛頭刨床，講解輪系的應(yīng)用時舉例用到的汽車后橋差速器，在工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生的前導(dǎo)課程中接觸極少，導(dǎo)致學(xué)生在理解這些知識點時晦澀難懂。在平面四桿機構(gòu)的設(shè)計、螺栓連接的強度計算、齒輪傳動的強度計算、軸的工作能力計算等章節(jié)中使用到大量的計算公式，工業(yè)設(shè)計專業(yè)的學(xué)生很難將這些計算公式和整體產(chǎn)品設(shè)計聯(lián)系起來，形成系統(tǒng)的工程知識體系，更難以綜合運用知識以解決今后工作中的實際產(chǎn)品設(shè)計問題。

1.2 課堂理論知識滿堂灌，缺乏學(xué)生參與

本校為西南地區(qū)理工類應(yīng)用型高校，工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生為理科生源招生，近年來高考錄取分數(shù)線高于本科省控線約20分，學(xué)生普遍存在數(shù)理基礎(chǔ)不扎實、邏輯思維不強的問題，但善于在實操中學(xué)習(xí)知識。工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生所上的藝術(shù)設(shè)計類課程中多以教師布置設(shè)計任務(wù)或大作業(yè)的形式進行，課堂上以學(xué)生完成設(shè)計任務(wù)為主導(dǎo)，老師提供建議和指導(dǎo)，課堂開放性很強。對于習(xí)慣于以任務(wù)為驅(qū)動教學(xué)方法的工業(yè)設(shè)計學(xué)生，當(dāng)接觸到以教師滿堂灌的概念、公式、原理時自然感到難以適應(yīng)，更無法激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在近年來的教學(xué)中，已暴露出通過課堂理論知識講授加機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計的教學(xué)方式無法適應(yīng)本專業(yè)學(xué)生學(xué)情。

1.3 教學(xué)手段單一，缺少與專業(yè)課的銜接

目前課堂教學(xué)使用的課件普遍比較陳舊，大多數(shù)機構(gòu)案例動畫多以機構(gòu)運動簡圖等二維圖形的形式代替真實三維圖形，對于二維圖形接觸較少的工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生在理解上會大到折扣。教師授課內(nèi)容以傳統(tǒng)的教材章節(jié)作為單位，章節(jié)之間缺少系統(tǒng)整合，極少將知識點與工業(yè)設(shè)計專業(yè)課聯(lián)系起來，造成學(xué)生無法在后續(xù)課程中運用本課程知識解決實際產(chǎn)品設(shè)計問題。

2 教學(xué)改革內(nèi)容及方法

2.1 修改教學(xué)大綱及教學(xué)內(nèi)容

機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)大綱依據(jù)《高等工業(yè)學(xué)校機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求（多學(xué)時）》[3]和本校近年的教學(xué)實踐，與工業(yè)設(shè)計專業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀相結(jié)合制定而出。教學(xué)理論學(xué)時為36，實踐學(xué)時為12。由于學(xué)時壓縮，去掉了8個章節(jié)的內(nèi)容。在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上以提高學(xué)生的機械認知能力為核心，進一步掌握相關(guān)機械原理。同時，對于學(xué)生后續(xù)課程在產(chǎn)品設(shè)計中可能會涉及到的間隙運動機構(gòu)、彈簧、聯(lián)軸器、離合器等，要求學(xué)生應(yīng)當(dāng)了解。而對于原理和校核計算中涉及的復(fù)雜公式推導(dǎo)、力學(xué)演算這些較難理解的內(nèi)容從原教學(xué)大綱中去掉。常用機構(gòu)和零件的結(jié)構(gòu)和原理作為大綱中要求重點掌握的內(nèi)容。

2.2 更新教學(xué)案例并與設(shè)計任務(wù)相結(jié)合

以提高工業(yè)設(shè)計專業(yè)貼合度，并結(jié)合學(xué)科前沿技術(shù)、民生熱點產(chǎn)品為指導(dǎo)思想更改教學(xué)實例。淘汰傳統(tǒng)的機械類機械設(shè)計基礎(chǔ)課程中常使用的加工機械、包裝機械等工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生接觸極少、較難理解的教學(xué)案例。增加更能反映民生需求、具有時代特點的產(chǎn)品實例，比如通過展示自拍桿、智能伸縮晾衣架、社區(qū)健身器材、網(wǎng)紅小家電等，講解簡單的可調(diào)節(jié)、伸縮機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成、材料選擇及機構(gòu)結(jié)構(gòu)對可靠性和機構(gòu)形狀的影響。這些案例貼近生活、簡單易懂，按照從易到難循序漸進的過程逐漸建立起學(xué)生對機械結(jié)構(gòu)的興趣。同時，可以讓學(xué)生對以上教學(xué)案例的實物進行拆解，在動手的過程中進一步加深學(xué)生對機構(gòu)結(jié)構(gòu)的理解和記憶。

在課程章節(jié)的學(xué)習(xí)過程中，針對具體的知識點，提出產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)。例如，在平面四桿機構(gòu)這一章中，教師先通過讓學(xué)生觀察機車車輪聯(lián)動機構(gòu)的動畫，了解平行四邊形機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特點。然后為學(xué)生布置“應(yīng)用平行四邊形機構(gòu)的家用機械”設(shè)計任務(wù)，要求所設(shè)計的與日常生活相關(guān)的家庭用產(chǎn)品中必須包含平行四邊形機構(gòu)，并且結(jié)合設(shè)計類課程所學(xué)知識完成造型設(shè)計。任務(wù)實施過程中，學(xué)生3-4人為一組，每組選出一位組長，以組為單位完成設(shè)計任務(wù)，要求每位組員都提出一項設(shè)計方案，通過小組討論選出最優(yōu)作為本組最終方案，在最后設(shè)計產(chǎn)品展示環(huán)節(jié)，由組長陳述最終方案的優(yōu)點。在本項目中，有的組設(shè)計了家用折疊梯子、伸縮晾衣架、窗戶開啟機構(gòu)、簡易踏步機等方案，其中如圖1所示為學(xué)生所設(shè)計落地式可折疊晾衣架，應(yīng)用平行四邊形機構(gòu)實現(xiàn)了晾衣架的展開和收縮，結(jié)構(gòu)靈活小巧，折疊后不占空間。在設(shè)計任務(wù)完成的過程中，不斷提升學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感和對機械的興趣，也提高了團隊合作能力、增強將來的崗位適應(yīng)能力。

圖1 落地式可折疊晾衣架

2.3 使用現(xiàn)代信息技術(shù)完善教學(xué)手段

利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段如三維造型軟件、計算機輔助設(shè)計、虛擬仿真計算等，可以有效地將機器或機構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造直觀形象的展現(xiàn)給學(xué)生，還可以模擬從零件到整機的裝配過程，啟發(fā)學(xué)生的三維空間想象能力。

以講解圓柱齒輪傳動為例，其典型的應(yīng)用為汽車手動變速器。通過拆解和裝配手動變速器的各組成零部件可以讓學(xué)生對圓柱齒輪傳動的原理和傳動的過程有更直觀的了解。但是由于學(xué)時所限，無法安排充足的課時讓學(xué)生在實驗室完成手動變速器的拆裝。為了解決以上矛盾，可采用CATIA等軟件建立變速器的各零部件三維模型，基于坐標(biāo)系完成各零部件的裝配，還可實現(xiàn)手動變速器的運動仿真。在使用三維軟件進行虛擬裝配的過程中，學(xué)生如同親臨機器進行零部件的安裝和拆卸，而且可以反復(fù)進行練習(xí)和思考，通過觀看運動仿真視頻理解變速器實現(xiàn)不同檔位速度和力矩改變的過程。又如講解凸輪機構(gòu)從動件運動規(guī)律時，可以使用ADAMS軟件建立不同凸輪廓線的凸輪機構(gòu)三維模型，通過動力學(xué)分析得到推桿位移、速度、加速度的變化情況，在學(xué)生觀察的過程中教師總結(jié)出推桿常用運動規(guī)律。通過采用三維軟件的教學(xué)方式，將原本抽象、復(fù)雜的問題變得更具體、直觀，學(xué)生的動手積極性和求知欲都得到了充分調(diào)動，學(xué)生對知識的記憶變得更加深刻。

2.4 加強學(xué)生實踐教學(xué)和參賽力度

加強學(xué)生對理論知識的實踐，通過課堂上教師設(shè)計的知識點針對性較強的設(shè)計任務(wù)，將理論應(yīng)用到實踐中，再鼓勵學(xué)生走進實驗室，進行模型制作和模型虛擬仿真，再次驗證理論再實踐，形成了循環(huán)推進式的實踐教學(xué)。實現(xiàn)了“學(xué)中做，做中學(xué)”的知行合一。同時將課堂內(nèi)的設(shè)計作品及實驗室學(xué)生的操作情況一并納入到期末成績的考核中，構(gòu)成更全面完善的考核機制，引導(dǎo)學(xué)生從只關(guān)注期末考試到注重平時成績積累的轉(zhuǎn)變。

鼓勵工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生或與機械工程專業(yè)學(xué)生組隊參加校級、省級、國家級科技創(chuàng)新或工業(yè)設(shè)計大賽，以設(shè)計大賽作為依托，引導(dǎo)學(xué)生主動實踐、自主深入學(xué)習(xí)。在近兩年的各級各類賽事中，工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生作品“新型外賣派送車設(shè)計”獲得院級“苗子工程”優(yōu)秀項目獎。2021年四川省大學(xué)生工業(yè)設(shè)計大賽中，學(xué)生作品“自走數(shù)控雙邊采茶機”、“自動進食器改良設(shè)計”、“新型可爬樓式電動輪椅設(shè)計”、“生鮮物流周轉(zhuǎn)箱”等共計七件分別獲得一等獎，獲得二等獎、三等獎作品共計九件，實現(xiàn)了參賽數(shù)量和質(zhì)量雙突破。

3 結(jié)束語

通過結(jié)合工業(yè)設(shè)計專業(yè)特點，對《機械設(shè)計基礎(chǔ)》課程的理論和實踐教學(xué)進行優(yōu)化整合，一切以學(xué)生為中心，培養(yǎng)滿足“新工科”時代背景下的復(fù)合型人才。課程改革后，本課程及格率由2017級的84.2%到2019級的93.6%，提高了9.4%。學(xué)生對課程的教學(xué)評價平均分2017級為82.1分，2018級為87.3分，2019級為92.4分?？梢钥闯鰧W(xué)生對本課程的興趣和認可度都有了很大的提高。目前在川開電氣有限公司、成都愛迪邇工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計有限公司等校外實習(xí)基地的工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生受到用人單位的一致好評。通過機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)改革，實現(xiàn)了學(xué)生知識掌握程度的提升，運用實踐能力的突破，就業(yè)競爭力的增強三個環(huán)節(jié)的并舉。