融入現代化設計技術的機械設計課程設計教學改革

俞成濤 邱睿 王秀英 丁凱

摘??要：針對目前機械設計課程設計的課程中學生設計過程固定化和陳舊化，結合新工科建設以及現代工程快速發展的新需求，提出將現代化設計技術融入課程設計中。文中給出了具體的教學改革措施和現代化設計技術融入方案，并建立了新的課程考核及成績評定方式。該教學方法可激發學生學習機械的興趣，提高其對現代化設計技術的應用，培養其現代化設計思想。并且對今后的課程設計實踐課程的教學也具有一定的指導意義。

關鍵詞：機械設計??課程設計??現代化設計技術??教學改革

中圖分類號：G642;TH122-4 文獻標識碼：A 文章編號：

Teaching?Reform?of?Course?Exercise?of?Mechanical?Design?Incorporating?Modern?Design?Technology

YU?Chengtao??QIU?Rui*??WANG?Xiuying??DING?Kai

（School?of?Mechanical?Engineering，?Jiangsu?University?of?Technology，?Changzhou，?Jiangsu?Province，?213001?China）

Abstract：?In?view?of?the?immobilization?and?obsolescence?of?students?design?process?in?the?course?of?course?exercise?of?mechanical?design，?combined?with?the?new?demand?of?the?construction?of?new?engineering?and?the?rapid?development?of?modern?engineering，?the?modern?design?technology?is?proposed?to?integrate?into?the?course?design.?This?paper?gives?concrete?education?reform?measures?and?the?integration?scheme?of?modern?design?technology，?and??establishes?the?new?methods?for?course?examination?and?achievement?evaluation.?This?teaching?method?can?stimulates?studentsinterest?in?learning?machinery，?improves?their?application?to?modern?design?technology，?cultivates?their?modern?design?ideas，?and?also?has?certain?guiding?significance?to?the?teaching?of?practical?curriculum?of?the?course?exercise?in?the?future.

Key?Words：?Mechanical?design;?Course?exercise;?Modern?design?technology;?Teaching?reform

隨著“中國制造2025”“人工智能2.0”“互聯網+”與傳統制造業全面融合，需要更多和更新型工科設計和制造人才的支撐，迫切需要創新工程教育理念，發展新工科教育[1]。另外，在工程專業認證的推動下，基于OBE教育理論，對工程專業教育的人才培養模式的變革，對傳統工科專業的升級改造，實施個性化復合型人才的培養都迫在眉睫[2]。作為機械類及相關專業的重要的一門專業技術基礎課程，《機械設計課程設計》具有很強的工程實踐性和綜合性。也是對工程制圖、材料力學、機械精度設計與檢測、機械設計基礎、工程材料與成形技術等課程知識的綜合應用。因而，《機械設計課程設計》可以作為機械類專業新工科建設的一個重要突破口，通過傳統實踐課程和現代先進技術跨界融合式發展，實質性推進知識與能力并重的復合型創新人才培養進程[3-4]。現代化設計技術是對二維技術的突破和發展，在三維建模的基礎上，還具有運動學和力學等分析功能，也是數字化設計、制造和管理的基礎，是現代產品創新的基本工具，更是影響我國制造業創新發展的關鍵共性技術[5]。而當前還普遍存在的人才培養與人才需求的錯位問題以及由此引發的嚴峻的就業形勢等問題，在這種背景下探索筆者學校學生以現代化設計技術為依托的新型教學策略以適應新形勢的需要，就顯得尤為迫切。

1??機械設計課程設計現狀

目前，大部分高校均采用“帶式運輸機”作為課程設計的題目。帶式運輸機主要結構包含電動機、帶傳動、齒輪減速器以及聯軸器等部分，基本涵蓋了《機械設計基礎》課程的大部分內容，具有一定的綜合性、合理性和適用性，這也是眾多學校的《機械設計課程設計》一直采用了該題目的原因之一。課程設計實踐過程包含撰寫計算說明書，繪制減速器二維裝配圖、軸和齒輪的二維零件圖。但隨著時代的發展以及學生培養質量要求的逐步提高，此教學模式已難以維持新時代人才培養的目標[6]，主要表現在以下4個方面。

1.1??模式固定、千篇一律

由于課程設計題目長期使用，與之配套的手冊、教材或課程設計指導教材等相關資料比較多，設計步驟固定，學生不需要太多思考，只需按照設計資料上的要求，按部就班，就能夠完成課程設計的任務。甚至將往屆學生的課程設計說明書作為模版，只修改其中的一些數據，就可以較好地完成課程設計任務。

1.2??時間緊，走流程

根據課程特點，課程設計基本上設置在理論課結束之后，更多的是在下一學期期初進行，經過一個假期之后，學生基本上對所學的理論知識多數已經生疏，因為課程設計時間緊迫只有2個星期，前期計算的時間只有兩三天，時間緊迫、知識遺忘，再加上現成的參考資料，導致了課程設計更多地成為學生照葫蘆畫瓢，套公式、換參數、走流程的2周。

1.3??教學方法固定

目前，課程設計進度安排一般為設計計算草稿和手工繪制裝配圖草圖（6天），繪制正式裝配圖和零件圖（4天），整理設計計算說明書（1天），答辯（1天）。并且在理論課授課過程中并沒有穿插課程設計的內容，導致理論課與實踐課脫節。在2周的時間內，學生需要將理論課的內容串聯起來完成設計計算，還要手工繪圖，對于學生而言疲于完成任務，而缺少時間深入思考和探討，故而綜合實踐的預期效果也大打折扣。

1.4??技術手段陳舊

課程設計中采用二維手繪圖紙的本意是通過此舉讓學生理解工程制圖在機械領域的重要性，以及制圖的嚴謹性，同時也是《工程制圖》課程的一次實戰練習。然而，由于時間緊等因素影響，學生更多的是參照樣圖，照搬照抄。好的同學了解每個零部件的位置、功能和作用，能夠按照設計的參數繪制；也有很多同學，僅僅是畫得“像”，而并沒有按照設計的參數進行，甚至于不清楚每個零部件的名稱和作用。整個過程中學生缺乏思考和主動探索，更重要的是此過程中并沒有強化培養學生利用現代化工具解決復雜工程問題的能力，難以滿足數字化、信息化和智能化技術時代機械制造企業對復合型創新人才的需求。另外，手工繪制二維圖紙還帶來了一定的缺點就是：（1）?圖紙是二維的形式呈現，缺乏與三維實體之間的關聯，對于沒有實踐經驗和力學基礎薄弱的學生來說，極易感覺枯燥乏味，導致學生機械地模仿甚至盲目地抄襲；（2）?在設計計算過程容易缺乏全面考慮，導致繪制工程圖錯誤較多很難查出或者發現錯誤又難以修改、甚至懶得修改；（3）?由于圖紙手工繪制，不能進行參數化設計，導致學生無法通過改變參數直觀地觀察對設計結果的影響。另外，老師也不容易檢驗學生設計的正確性、合理性或可靠性等。

可見，以往這種模式已經無法體現以學生為中心的設計思想和設計理念，嚴重制約了學生的創造性思維和創新能力培養，并且已明顯落后于企業產品設計對工科學生專業素質的要求。

2??現代化設計技術融入舉措

2.1??將課程設計的設計計算內容融入理論課程

現在的《機械設計基礎》理論授課過程中，理論性較強，但與實際應用脫節。為踐行“工程專業認證”的教育理念，實行“N”+1的過程考核形式，往往要求學生以小組形式提交創新設計大作業。但是，學生在此期間內將所學的內容串聯起來完成理解并應用就已經具有一定的難度，更何況要進行創新性設計，所以往往學生交上來的大作業質量參差不齊，難有實質性的較好的成果。而以減速器為模型，將其融入進理論課中，首先可以幫助其明確學習目標；其次，學習過程中穿插著應用，可以加深學生對理論知識的理解，要比傳統的理論學習完成后再進行課程設計效果好；另外，應用理論知識解決實際問題，能夠提升學生的學習興趣。因此，可以在理論課初始階段就引入“帶式運輸機”的案例，并以此貫穿整個授課過程。具體為：在緒論課中介紹“機械”“機器”“機構”等概念時即可以“帶式運輸機”為例，其中包含帶傳動、齒輪傳動等常用機構，軸、軸承等通用零部件；從帶傳動開始結合“帶式運輸機”中的V帶設計作為學生的實際演練對象，以及齒輪傳動、軸的設計等。每章節的授課結束后要求學生按照各自的參數進行計算，并隨機請幾位同學進行分享教學，講解自己的設計計算過程，作為課后作業的一部分。等理論課結束時，每位同學的課程設計計算部分也已經完成。

2.2?現代化設計技術與課程設計的有效結合

課程設計中，減速器主要由箱體、箱蓋、齒輪、軸以及軸承等零部件組成，根據三維軟件的功能特點，將減速器進行了如圖1所示的拆分。每個零部件以三維實體的形式呈現，能夠促進學生去認識和理解每個零部件的形態和功能；再通過裝配，模擬真實減速器的裝配過程，從而理解各零部件裝配順序和配合關系等；并通過裝配體干涉以檢查各零部件設計是否正確；還可以進行運動仿真和結構強度仿真。經過此環節后，學生除了對現代化設計技術手段的應用得到進一步加強，還對整個機械產品設計過程有了更為直觀的認識和深入的理解。

常用的現代化設計軟件，如美國PTC公司的PRO／E、美國UGS公司的UG、法國Dassault公司的高端CATIA和中端SolidWorks以及Autodesk公司的Inventor等均具有很多模塊，功能非常強大，基本上都可以實現如圖2所示的幾種基本的功能[7-8]。將這些功能與該課程進行結合后，能夠激發學生學習興趣并且提升自身技術能力。

2.3?分組設置，合理分配參數，引入研究性理念

傳統課程設計中，一般給定3個原始參數：運輸帶工作拉力F，運輸帶工作速度v和卷筒直徑D，并且為了學生之間的設計具有一定的差異性，隨機組合3個參數分配給每位學生。此法雖然達到了每位學生的計算參數各不相同的目的，但是學生之間的結果毫無對比性，缺乏研究和探討的基礎。為此，在理論計算過程中，班級學生以4～6人分為一組，將原始參數中的1個參數作為變量，而其余參數相同分配給同一組學生。不同組之間變換不同參數變量再進行分配。此舉的目的是既能保證每位同學的參數的差異性，同組之間同學還可以對比研究此變量參數對最終的設計結果產生的影響，甚至不同組學生之間也具有一定的對比性，從而培養學生的研究能力。另外，為了更多地觀察不同參數對結果的影響，還可以增加參數作為初始變量，比如減速器中小齒輪的齒數、齒輪的中心距等。

2.4?建立新的課程考核及成績評定形式

目前，《機械設計課程設計》課程的最終的成果包括設計計算說明書1份、裝配圖草圖和正式圖各1張、齒輪和軸零件圖各1張。其中，說明書和所有圖紙均采用手工寫作和繪制。如表1所示，結合現代化設計軟件后，手工繪圖可改進為三維零件和裝配體繪制，并生成二維工程圖紙。由于已經將課程設計的理論計算部分在理論課階段完成，所以在課程設計進行階段只需要首先將計算說明書整理完成即可；然后根據各自的計算結果，進行三維零件的繪制，在零件繪制的過程中，可以進一步完善計算部分的內容；所有零件繪制完成后，再進行三維模型裝配，并生成和完善總裝配和齒輪、軸的二維工程圖；此外，對模型進行爆炸視圖，生成拆裝動畫，并模擬齒輪傳動過程；應用力學分析模塊，對減速器中的齒輪或軸進行強度分析，并與理論計算的結果進行對比分析；最后，每個小組將各自的設計結果做對比，并根據分配的原始參數特點，進行分析研究該參數變化對設計過程中哪些結果產生了影響，并且將結果和原始參數的變化趨勢進行歸納總結，形成小組報告進行提交。具體的項目進度安排和成績評定方式如表1所示。

3?如何能夠切實達到預定目標和效果

由于將課程設計理論計算部分結合到理論課授課環節中，所以最好由同一個老師講授理論課和課程設計課程，并最好安排在同一個學期，方便老師制訂統一的授課計劃，全程掌控學生的學習進度。首先，提前要求學生熟練操作三維設計軟件。其次，制訂好教學方案，將《機械設計基礎》課程各章節內容與課程設計對應設計任務有機結合。另外，以學生為中心，分組設置，小組成員之間能夠相互促進；并且三維模型生動形象，能夠調動學生的積極性、主動性，激發其學習興趣。最后，做好過程監控，完善考評標準。

4?結論

該文針對傳統機械設計課程設計實踐課程教學的不足之處，提出了將現代化設計技術融入實踐課程創新教學方法，并完善了教學體系。

（1）?結合現代化工業應用軟件，以達到促進學生實踐能力培養、提升人才培養質量的目的，進一步落實培養學生分析和解決復雜工程問題的能力；提高學生工程軟件應用能力，增加就業籌碼；提高學生的宏觀思維和創新能力，以適應當前機械制造企業對數字化、信息化高端人才的需求，從而培養符合企業需求的具有應用和創新能力的復合型人才。

（2）?理論與實踐更好地結合，使學生切實感受到學有所用、學為何用、學如何用，從而調動學習的積極性和主動性，激發學習的熱情，培養和提高學生的自主學習能力，掌握現代化創新設計工具并深入理解機械設備整體設計的思維，從而真正地為我國制造業創新發展的關鍵共性技術提供創新型應用人才。

（3）?通過建立以計算機設計、繪圖為主線的新教學模式，使學生的設計、繪圖觀念發生改變，實現真正意義上的設計思想現代化，培養具有創新能力和個性發展的應用型本科人才。

參考文獻

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