地方應用型本科高校機械設計課程設計教學改革研究

2024-01-07 21:55:25蔣亮郭永信孫雪

科技風 2023年36期

蔣亮郭永信孫雪

摘要：新工科教育背景下，對教學改革和人才培養過程提出了更高要求。本研究針對當前地方應用型本科高校機械設計課程設計的現狀及存在的問題，從豐富課程題目設計、運用現代設計工具、強化過程管理、建立全面考核機制等方面討論了機械設計課程設計教學改革的可行辦法。以期提高課程設計的教學效果，強化學生工程意識，激發學生參加工程實踐活動的熱情，為其他工科課程設計教學改革提供借鑒。

關鍵詞：新工科；過程管理；考核機制；工程意識

機械設計課程設計是工科院校機械類專業及近機械類專業必修的一門重要實踐課程，注重學生的工程實踐能力和創新能力的培養，其基礎性、實踐性和綜合性等特點十分突出［12］。課程設計作為一門實踐教學環節，對其先修課程要求較高，比如：機械制圖、理論力學、材料力學、機械原理、機械設計、工程材料及成型技術、互換性與測量技術等。通過完成課程設計，不僅可以鞏固學生對先修課程基本知識和基本理論的理解，而且可以掌握基本的機械產品的設計方法和步驟，培養學生分析和解決工程實際問題的能力，為后續專業課學習、畢業設計及畢業后從事機械相關工作奠定堅實的基礎。

然而，傳統的機械設計課程設計教學安排比較集中，一般在2～3周時間內完成。通常以二級齒輪減速機作為設計目標，學生根據給定的設計參數及傳動形式，完成全部傳動結構的運動學、動力學參數計算，對傳動件及附屬零件展開設計，完成總體裝配圖，編制課程設計說明書［3］。該教學方式具有良好的教學效果，但是教學模式單一，實踐性較差，學生缺乏主動性和積極性，只需運用前期理論知識，按照經典理論、經典公式和經驗數據進行各個零部件的設計與選型，并未考慮合理性、經濟性等因素。最終，出現繪制的圖紙不完整，零部件結構設計不合理，裝配困難或者無法進行裝配，整臺設備尺寸過大、質量較大等情況，學生創新能力和工程實踐能力得不到提升。

與傳統的工科教育相比，新工科教育更注重對學生工程實踐能力和創新能力的培養。對于地方應用型本科高校而言，以服務地方經濟為宗旨，為機械行業培養應用研究和開發的創新人才，學生實踐應用能力的培養顯得更加重要。因此，作為機械專業及近機械類專業重要的實踐教學環節，在新工科建設背景下，加強對該機械設計課程設計的建設，強調理論與實踐緊密結合，激發學生的主觀學習能動性，提高學生的工程實踐能力、創新意識和團隊合作精神，達到知識、能力和素質的有機融合。

1課程設計的現狀及存在的問題

1.1設計題目陳舊、缺乏創新

由于減速器的設計過程涵蓋了機械設計課程的基本理論和設計方法，當前，大多數高校的機械設計課程設計選擇以二級齒輪減速器為主體的機械傳動裝置作為設計課題，具有典型的代表性。具體的設計內容主要包含：零件、箱體的設計，完成零件圖、裝配圖的繪制以及說明書的編寫［4］。但是，傳統的課程設計題目和給定參數多年不變，而且網絡參考資料眾多，學生只需要查手冊、套公式，完成設計說明書即可，這就導致了相互借鑒的現象。對于課程設計中涉及的裝配體結構、裝配關系和運動關系等方面知識缺乏主動學習的積極性，嚴重影響了教學效果和教學質量。此外，傳統課程設計題目與專業后續課程、畢業設計沒有太大的關聯性，導致學生對該課程的重要性認識不足，達不到預期的教學要求和課程設計目的。

1.2設計方法和手段落后

課程設計中涉及多種零部件的參數計算，如齒輪傳動、軸、軸承等零件。大多數計算仍采用手工計算，其計算量較大，效率較低，對學生基礎知識和能力的要求較高。同時，同類設計對象的步驟相同，重復性的計算工作較多，導致學生很難在規定的時間內完成設計任務，出現錯誤也不易察覺與糾正。此外，設計過程中涉及零件圖和裝配圖的繪制，傳統的課程設計多采用手工繪圖，這種制圖方式所占課程時間比例較大，嚴重影響設計效率和課程設計進度，也影響了學生對課程設計的積極性。機械類教學質量國標中要求“具有在機械工程實踐中選擇、運用相應技術、資源、現代工程工具和信息技術工具的能力。”同時，提出機械工程專業核心知識領域要求包括“計算機應用技術”［5］。因此，學校應該加強普及計算機應用技術，使學生熟悉先進的設計方法和手段，增加學生的設計積極性，提高課程設計的效率和質量，使學生滿足“新工科”背景下就業市場的需求。

1.3組織管理不足

傳統的機械設計課程設計采用集中安排2～3周的授課方式，在課程設計過程中會穿插各種考試，學生無法集中精力于課程設計，導致學生無法在較短的規定時間內保質保量地完成設計目標，限制了學生創新能力的培養。此外，每個教學班通常只有一位指導教師，需要指導20～30名以上的學生，教師資源嚴重不足。在課程初期，由指導教師分配設計任務，在整個設計過程起到監督管理的作用，課程設計結束后，學生按時提交設計說明書等相關材料即可［6］。然而，每位學生的學習基礎和能力存在不同，在課程設計中需要解決的問題也各不相同，在這種非一對一指導的設計過程中，很難保障每位學生得到有效的指導，影響學生的設計效果和設計進度，最終導致學生無法按時完成課程設計。同時，指導教師不定期抽查，無法精準把握學生課程設計的進度和知識點的掌握程度。有限的教學資源導致教師組織管理不足、學生學習差異的現象進一步擴大，最終成績呈現兩極分化現象。

1.4考核單一

指導教師對課程設計的考核方式過于簡單，僅僅根據學生最終的圖紙和課程設計說明書等紙質材料來評定學生成績。該考核方式很難真實有效地評價學生運用理論知識開展機械設計的工程化能力和水平，考核完全取決于教師的主觀評價，缺乏標準性和透明度，沒有調動學生的積極性，違背了課程設計教學的初衷［7］。此外，傳統教學考核方式限制了教學和評估的本質，僅僅注重理論學習結果的評價，忽略了學生在課程設計中體現出來的創造性、團隊合作能力以及責任感等難以被量化的成果。教育部所印發的《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》文件中強調了教學環節中的考核應加大過程考核成績在總成績中的比重，從而真實有效地評價學生工程化能力和水平［89］。因此，急需制定全面的課程評價體系，提高對學生的綜合能力水平的考核。

2改革措施

2.1豐富課程設計題目

在新工科背景下，以學生專業能力培養為出發點、落腳點，適當擴大選題范圍，豐富機械設計課程設計的題目，對傳統減速器題目進行更新替代。課程設計的選題來源很廣，主要來源于教師科研課題、機械類相關競賽和企業項目等方面［10］。首先，高校教師具有扎實的專業理論基礎，指導教師從自身科研項目中篩選出具有較好代表性的課程設計題目，將課程設計題目從一般用途的減速器改為高鐵、機器人、風機等使用的減速箱或者增速箱。其次，以學科競賽為驅動，激發學生創新和主動設計的學習興趣，比如機械創新設計大賽、挑戰杯競賽和全國機器人大賽等。將競賽內容轉化為課程設計內容，豐富課程設計題目，從傳統的命題式設計轉變為競賽驅動的探究式學習。最后，校企實踐基地可以為課程設計提供新的設計方向，以企業項目任務為驅動，由高校教師與企業工程師共同指導，加深學生對現有產品及技術的認知，形成對復雜工程的系統視野。

此外，設置不同難度等級的課程設計題目，學生根據自身專業水平自選或者自行設計題目，指導教師經過探討、分析、調整、修改后確定最終選題，確保題目具有可操作性，解決設計題目單一化問題，滿足不同層次學生在課程設計過程中各方面能力鍛煉要求。這樣不僅可以保障課程設計任務的順利完成，而且可以提高學生理論運用能力及創新能力。

2.2融入現代設計方法

當前，部分高校已經開展現代設計方法在機械設計課程設計中的應用研究，比較常用的就是計算機輔助設計，如CAD二維制圖及三維建模，但是對于運動仿真的分析不足，后期應要求學生利用三維軟件完成整個課程設計建模及組裝，并開展運動仿真的研究，也可借助學校實驗室進行3D打印，開展實體裝配。傳統課程設計按照公式對軸等零部件進行校核，但是計算量較大，容易出現錯誤，對于較復雜的局部位置的應力強度難以精確校核。可以通過有限元仿真對零部件展開分析，特別是應力集中處的應力強度進行精確校核。當然，鑒于學生的學習能力和專業水平不同，可以分小組形式開展有限元分析或者選擇具有代表性的零件進行仿真分析。此外，可以通過ANSYS、MATLAB等具有優化模塊的軟件開展機械優化設計，如進行成本、壽命、體積和重量等多目標的優化，此環節存在一定難度，作為選做任務［1112］。課程設計融入現代設計方法，加強學生對現代化設計技術手段的應用，同時可以加深學生對整個機械產品設計過程的直觀認識和深入理解。

2.3科學組織及強化過程管理

課程設計基于項目教學法展開教學，將課程設計分成若干個項目單元融于教學環節中。課程初期，學生自由組隊，形成一個3～5人的小組并確定組長，組長配合教師統籌負責小組設計工作。課程設計過程中涉及多個方面的內容，比如：設計手冊的查閱、零部件的設計及校核、零件圖和裝配圖的繪制、三維建模仿真、答辯PPT制作及匯報等工作，學生根據自己的專業水平及興趣選擇相應工作，并建立甘特圖，以時間順序顯示所要完成的工作，并及時更新任務進程。盡管每人獨立負責其中的某一部分工作，但是仍然強調小組成員之間的相互溝通、相互配合以及相互監督，培養學生的協作設計能力和團隊精神。為了充分發揮教師在課程設計過程中的指導及管理作用，為學生選定專用教室，定期檢查學生出勤情況。嚴格的出勤管理可以確保學生在課程設計過程中投入充足的時間，加強學生對課程設計的重視程度。不定期安排線下集中輔導和線上單獨解答環節，可以及時糾正學生在課程設計中的錯誤，精準掌握學生的設計進度，督促學生按照時間節點完成相應的設計任務，還能根據每次的檢查結果判斷學生是否獨立完成相應的設計工作，作為后期課程成績的評定依據。

2.4建立全面的課程評價體系

課程設計的考核評價綜合考慮設計過程、設計成果、答辯評分和組內互評成績，分別占總評成績的20%、50%、20%和10%。設計過程主要考慮平時的考勤情況、項目節點完成情況以及解決問題的合理性等方面；設計成果包含傳統的零件圖和裝配體圖紙以及設計說明書，重點考核設計的合理性、創新性、圖紙的完整性和設計說明書的規范性；強化課程答辯所占比例，邀請具有豐富教學經驗的指導教師參與答辯，以小組的形式逐一進行答辯審查，指導教師根據圖紙和說明書提出問題，并給出修改意見，同時對每個小組及成員在答辯時的陳述表達能力給予一定打分，客觀評定學生對理論知識的掌握情況，在考核評價中加入組內互評成績，每個小組成員根據組員在設計過程中的表現和貢獻進行打分，計入總成績［6，13］。采用全面的課程評價體系，可以較好地考核學生在課程設計過程中的綜合表現，避免出現個別學生在課程設計過程中貢獻不足，最終卻憑借紙質材料獲得較高得分的情況發生。

結語

機械設計課程設計強調理論和實踐的有機結合，注重學生綜合能力的培養，傳統的機械設計課程設計無法滿足新工科建設理念，存在以下問題：設計題目陳舊、缺乏創新、設計方法和手段落后、組織管理不足以及課程考核單一，課程改革迫在眉睫。為了滿足新工科建設對學生機械設計能力的培養要求，以學生專業能力培養為出發點、落腳點，適當擴大選題范圍，豐富機械設計課程設計的題目；融入計算機輔助設計、有限元分析和優化設計三種現代設計方法，提高學生設計能力；基于項目教學法強化過程管理，提高課程設計的實施效果；最終，建立全面的課程評價體系，更加科學、有效、合理地評價學生課程成績。

參考文獻：

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