專創融合的“機械學綜合課程設計”教學改革與實踐*

徐勤超 ，潘海兵 ，謝 坤 ，王鳳武

（華中農業大學，湖北 武漢 430070）

0 引言

專業教育是以專業知識教學為主，以培養各類專業人才的教育；創新創業教育是為了培養學生的開創性與個性，包括首創精神、冒險精神、創業能力、獨立工作能力以及技術、社交和管理技能等[1-5]。專業教育是創新教育的基礎，創新教育對專業教育的教學目標和內容具有指導作用，專業教育和創新教育的有機融合是高等教育的新使命[6-8]。

目前，在高校機械類課程體系設置中，創新創業教育與專業教育存在著明顯的分離關系，不能有效提高學生的創新創業能力，也無法適應未來社會持續發展與變化的需要。因此，高校需要改革機械類課程教育體系，搭建綜合實踐平臺，啟發學生創新思維，增強學生創業意識，提高學生創新創業能力。

機械學綜合課程訓練是綜合設計型的實訓，是機械類專業的重要實踐教學環節。其要求學生掌握機械系統運動方案的設計及機械零件的結構設計方法和步驟，培養學生計算與繪圖設計能力以及綜合知識的應用能力[9-10]。在專創融合的背景下，課題組從教學內容、教學方法、考核評價、創業孵化等方面進行了“機械學綜合課程設計”教學與創新創業教育深度融合的探索與改革，以培養學生的創新創業意識和能力、激發學生的學習興趣、提高課程教學效果與質量。

1 課程設計教學現狀及改革思路

1.1 “機械學綜合課程設計”教學現狀

“機械學綜合課程設計”是機械類專業實踐教學體系的重要組成部分。在學習“機械制圖”“機械原理”“機械設計”“互換性與測量技術”等先期課程的基礎上，該課程一般安排在第三學年末進行，設計時間固定為3～4周。課程設計主要包括機器設計調研、機械傳動方案設計、減速器方案設計、減速器主要零件的結構設計、減速器零件圖和裝配圖的繪制等教學內容。從總體上看，當前的課程設計存在著設計任務單一、設計過程完全規范化甚至模板化、設計學時緊張、設計方法沿用傳統課程設計的手工計算和尺筆繪圖等問題，導致學生自主學習能力和創新能力得不到培養，利用現代工具解決復雜工程問題的實踐能力弱。

1.2 創新創業教育與課程設計融合的改革思路

創新創業教育與課程設計融合的“機械學綜合課程設計”改革思路如圖1所示。

圖1 專創融合的“機械學綜合課程設計”改革思路

1.2.1 創新意識與機械設計過程的融合

通過創新創業教育與機械學綜合課程訓練的融合，在機械設計過程中，培養學生的創新意識、思維、素質和能力，使學生成為懂機械創新設計表達方法、會結構創新、懂功能原理創新設計的創客，為將來的創業、就業打好基礎。

1.2.2 機械設計成果與創業能力的融合

通過創新創業教育與機械學綜合課程訓練的融合，探索多層次、多渠道、多模式的校企合作、產教融合的培養模式，推動學生創新成果以行業競賽、創業項目、成果轉化等形式落地，培養學生綜合運用專業知識和創業的能力。

2 課程設計改革具體實施

創新創業教育與課程設計融合的“機械學綜合課程設計”教學實踐如圖2所示。

圖2 專創融合的“機械學綜合課程設計”教學實踐

2.1 課程設計的時間安排

為了充分保證學生的設計時間，提高設計質量，采取先分散再集中的模式，將課程設計貫穿到理論教學的全過程，延長課程設計時間到一學期。在學期開始之初，安排3～4次導論課，主要內容包括：機器設計的一般流程和方法、機器設計需要具備的專業知識及設計工具軟件、課程設計的時間節點及具體要求、機械創新理論及相關知識、創業教育相關案例等。之后，學生帶著任務和問題去學習相關課程，同時展開設計工作，保證學生有充裕的時間進行創新思考。此外，建議“機械學綜合課程設計”的指導教師由“機械設計”課程的授課教師擔任，加強指導教師對學生的指導，及時解決設計過程中出現的問題。

2.2 課程設計的選題

改革課程設計教學內容，設計題目應源于工程實際，以面向工程設計和產品開發全周期、全流程設計方案為核心，以實踐能力和創新能力為導向，突出創新思維。機械類學科競賽主題來源于生活實際可以很好地契合實踐能力和創新能力的培養目標，而課程設計中優秀的設計方案經過后續加工完善，可以直接拓展為比賽作品或創業作品，為創業素質培養打下良好基礎。此外，還可以引導學生進行自主創新或創業選題，進一步豐富選題類型及設計任務。

2.3 課程設計的組織實施

課程設計選題雖然來源于機械創新設計大賽等實際生活的選題，但是課程的核心目標是訓練學生對機械類專業知識的綜合應用能力。因此，為了解決科研創新實際與課程訓練結合的問題，在課程組織時，應要求設計目標的解決方案中同時包含原動機、傳動裝置和執行系統三個基本部分，并突出設計方案的新穎性和實用性，以更好地融合創新創業。

2.3.1 總體方案設計

課程設計導論課結束后，開始系統總體方案的擬定，整個階段一直持續到集中設計之前。方案設計階段，學生分組協作，4～5人為一組，開展設計工作。課程設計從選題功能出發，根據系統工作要求或執行構件的運動和動力要求，考慮原動機、傳動裝置和執行系統間的連接關系與空間位置、運動參數和動力參數間的協調以及執行機構系統中多個機構間的協調配合來設計整機系統方案。小組要提出至少3種方案，然后組織方案研討會，分析比較各方案的優劣，進行方案的評價與決策，擇優確定最終方案，并畫出系統總體方案簡圖，方案可以是手繪的裝配草圖，也可以是三維虛擬樣機。指導教師根據學生提出的具體實現方案，與學生進行討論，就方案與課程能力考核的關聯性、方案的創新性等方面進行評價，給出明確的指導意見，學生的設計方案最終要通過指導教師的認可才能開展下一步設計工作。

2.3.2 機械零件設計

機械零件設計安排在集中課程設計階段，并一直持續到課程設計結束。整個階段，學生按照分組分工協作開展具體設計工作，并繪制裝配圖及零件圖，撰寫設計說明書，完成設計答辯等工作。

1）機構運動設計。機械零件設計需要對所選定的機構進行尺度綜合分析，主要分析方法包括圖解法、解析法、現代商用軟件分析法等，學生可以根據自身的學習情況，自主決定采用哪一種分析方法。為了培養學生使用現代設計軟件的能力，建議學生采用解析法，通過編程對機構進行運動分析或者利用商用分析軟件（如ADAMS、SolidWorks等）建立機構的運動分析模型，再進行機構的運動學動力分析。然后，根據計算結果得出執行機構的位移圖、速度圖和加速度線圖，并進行特征分析，檢驗該機械零件是否符合工作要求。

2）主要零部件設計。依據傳動系統方案與機構運動設計結果，對主要傳動零部件進行設計，如齒輪、蝸桿傳動、帶傳動、鏈傳動的設計，軸的設計與校核，鍵連接和聯軸器的選擇與校核，機架及附件的設計等。學生可以根據自身學習情況，自主采用傳統的理論計算方法或者采用有限元方法（如ANSYS等）進行強度的校核分析工作。根據計算結果，完成零部件的設計工作，并按要求進行3D建模、虛擬裝配。

3）撰寫設計說明書，繪制裝配圖及零件圖。設計完成后，學生需要整理、撰寫設計說明書，繪制裝配圖及零件圖，然后進行小組答辯。最終提交的材料包括三維虛擬樣機、工程圖紙（總裝圖、部裝圖、零件圖，建議采用CAD繪制）、設計說明書（字數8 000～10 000）。答辯過程中，指導教師對設計的創新性、工作完成情況、訓練情況進行評價，并通過評選，發掘優秀的課程設計作品，鼓勵學生在課外進一步開展后續工作，完善設計，制作樣機，參加競賽或進行創業等。

2.4 課程設計的成績評定

考核評價采用過程評價和期末評價相結合的考核評價方法。過程評價應該貫穿于課程設計開展的全過程，綜合考查小組在設計過程中方案調研、文獻查找、小組討論、團隊協作的完成情況。期末評價更加側重從學生對基本知識的掌握程度、設計工作量的大小及完成情況、設計創新情況、答辯效果等方面進行評價。在設計過程中，每個小組成員對設計工作的貢獻不一樣。因此，每個學生的最后成績應由團隊成績與個人成績兩部分組成，個人成績主要依據在答辯環節中的個人工作匯報及問題回答情況進行評價。課程設計的學生成績評價標準，如表1所示。

表1 課程設計的學生評價標準

2.5 機械加工成型及成果轉化

機械設計的最終目的是通過制造將設計思想變成機械實體裝置。在設計完成后，對于優秀的設計作品，鼓勵學生繪制符合制造工藝規范的圖紙，編制加工工藝，通過激光切割、數控加工、3D打印以及純手工加工等方式加工出非標零件，并進行整體組裝，通過調試檢驗其是否滿足設計要求，及時發現設計中存在的問題并加以研究解決。樣機制作后，通過撰寫專利對創新方案進行保護，并參加更高層次的創新比賽，在比賽過程中不斷總結、完善。在條件成熟的情況下，鼓勵學生申請創業資助，推動科技創新技術在實際生活中的應用。

3 課程設計改革效果

實踐效果表明，學生整體參與率較高，由于設計題目切合工程實際，解決實際工程問題，學生做設計的積極性和興趣大大提高，普遍反映收獲較大。總體方案設計階段，學生積極查閱資料，構思具體方案，不僅在組內討論，組與組之間也經常進行交流學習，并積極與指導教師展開細致討論，學生之間、師生之間互動明顯。部分學生主動自學相關計算機輔助設計與分析軟件，利用現代工具解決工程設計中的實際問題。在具體零件設計階段，學生能夠將設計內容較順利地轉換為3D虛擬模型，并在建模過程中對設計的細節進行修改和調整，協作完成設計全過程，并組織匯報答辯。設計完成后，學生對設計過程由最初的陌生到熟悉，并在后期繼續完成加工制作、申報專利、參與機械類創新創業大賽的積極性顯著提高。傳統課程設計與專創融合的課程設計對比，如表2所示。

表2 傳統課程設計與專創融合的課程設計對比

4 結論

1）專創融合的“機械學綜合課程設計”教學改革，突出了創新思維、創業教育與“機械學綜合課程設計”專業課程的融合，在課程設計中解決實際工程問題，培養了學生創新意識、思維、素質和能力，推動了學生創新成果以行業競賽、創業項目、成果轉化等形式落地，提高了學生綜合運用專業知識和創業的能力。

2）專創融合的“機械學綜合課程設計”從教學內容、教學方法、考核評價、創業孵化等方面進行了專業教育與創新創業教育深度融合的探索與改革，探索了培養學生創新創業意識和能力、提高學生學習興趣和課程教學效果與質量的新途徑。