突出能力培养的“机械设计”课程教学改革与实践

黄秀琴，陈志伟，刘天军

(常州工学院机电工程学院，江苏 常州 213002)

“机械设计”课程是机械类专业的一门主干专业基础课，该课程具有较强的实践性，工程特点突出，是学生从理论基础学习向工程实际过渡的桥梁，对学生设计能力的培养特别是创新能力的培养起着至关重要的作用。学生在该课程的学习过程中形成的工程意识、系统观念以及图表、手册和规范的使用及CAD软件等技术资料和实用软件的应用，决定了学生的创新能力及工程实践能力。

1 突出能力培养的改革思路和课程体系的建立

“机械设计”课程的改革思路是突出机械设计的共性规律和基本方法，注重对已修课程综合与应用，强调多方案设计和再设计的思想，以创新设计与综合设计能力的培养为目标，用CAD技术充实教学内容和改革教学手段，培养学生扎实的工程基础。

“机械设计”课程体系的建立如图1所示。该课程体系包含“机械设计”课程理论教学、课程设计环节、实验教学和技能训练。近年来，在课程教学过程中一直坚持教学方法与教学手段的改革，用新的设计理论和方法代替传统的设计理念，摒弃以教师为主体的传统教育观念，树立以学生为主体、激发和培养学生创新意识和创新能力的新型教育观念，确立以机械系统设计为主线，方案创新设计为重点的课程体系。课堂教学坚持启发式教学，培养学生分析问题和解决问题的思维方式和方法。课堂教学内容以少、精、宽、新为原则，课堂讲授着重讲重点和难点、讲思路、讲方法、讲学科发展、讲工程实际应用，注意强化基础，拓宽知识面，培养学生的创新意识和创造性解决工程实际问题的能力［1-4］。

图1 机械设计课程教学体系

课程设计强调以计算机作为主要工具，要求多种设计方案的对比分析，每个学生一组数据，训练学生图表、手册、规范的使用熟练程度，突出培养学生的设计能力。并且不规定具体题目，要求学生自主进行构思设计，运用计算机进行结构设计，培养学生选型设计、类比设计、改进设计的能力。

实验教学过程中改革传统教学体系中重理论轻实践，重考试轻过程的人才培养模式，重视课程实验教学。建立以培养学生基本实验技能、实践能力、创新设计能力以及应用现代技术解决工程实际问题能力的新实验教学体系。将原有认知性、验证性基本实验加以扩展，赋予新的内涵，形成综合性、设计性和创新性实验。同时将实验教学由实验室延伸至生活实际，加深学生对机械结构的认识，提高学生设计机械结构的能力，激发学生的学习兴趣和热情。

技能训练主要包括各种机械小制作，如在三维软件中完成零件的建模、装配、虚拟仿真。积极鼓励和引导学生参加各级各类的机械创新设计大赛。撰写小论文，要求小论文必须符合出版规范要求，以此来训练和提高学生查阅文献资料和撰写学术论文的能力，为毕业设计论文的开展打下良好的基础。

2 深化现代内涵，培养学生的工程观念和创新意识

传统的课程教学遵循的基本步骤是:零件的工作情况分析→受力分析→应力特性分析→零件的失效形式→建立设计准则→得出设计公式或校核公式→零件的结构参数，即常规机械设计方法是依据力学和数学建立的理论公式和经验公式为先导，以实践经验为基础，运用图表和手册等技术资料，进行设计计算、绘图和编写设计说明书。传统的设计方法在长期运用中得到不断的完善和提高，目前在大多数情况下仍然是有效的设计方法。但传统的机械设计方法具有一定的局限性:①方案设计时凭借设计者有限的直接经验或间接经验，通过计算、类比分析等，以收敛思维方式，过早地确定方案，这种方案设计既不充分又不系统，且不强调创新，因此很难得到最优方案;②零部件设计中，仅对重要的零部件根据简化的力学模型或经验公式进行静态的或近似的设计计算，其他零部件只作类比设计，与实际工况有时相差较远，难免造成失误;③传统设计采用手工计算、绘图，设计的准确性差、工作周期长、效率低。

随着计算机技术的发展及现代新型设计方法的不断涌现，“机械设计”的教学内涵也随之不断变化，因此有必要在教学过程中融入新的设计理念和现代设计方法，如，反求工程、可靠性设计、优化设计、有限元分析等已经成为必然趋势。结合“机械设计”课程教学内容，通过将工程编程软件(Matlab)、二维工程制图设计软件Autocad、三维建模设计软件SolidWorks、运动学和动力学分析软件Adams等现代工程软件融入到传统的“机械设计”课程中，使工程计算、计算机绘图、三维零件模型的建立和结构分析仿真等手段和方法充实到“机械设计”教学过程中，让学生能深入、形象地了解机械零部件的结构、零部件之间配合是否合理，另一方面学生深切体会到各种工程软件的强大功能以及在机械设计中的应用，借助于工程软件可以可视化所设计产品的工作原理，利用有限元分析判断机械内部的受力情况，以确定所设计零件或机械的可靠性，还可进一步模拟加工仿真，完成产品设计与制造等等，逐步形成系统和工程意识，使学生从习惯于理论学习转向实用工程知识的学习、实践能力的培养，在学习过程中不断积累工程观念和创新意识。图2为学生做的分析题，齿轮轴在只受扭矩作用下的应力分析和同时受扭矩及齿轮齿顶集中载荷作用下的应力分析图，这样使学生由感性认识到理性认识再到应用。

图2 齿轮轴的应力分析

3 采用启发式案例教学法，激发学生创造力，培养学生分析问题和解决问题的能力

“机械设计”课程具有内容多、概念多、符号多、公式多的特点，其经验数据、图表、参数等工程元素尤为突出。学生在学习过程中普遍感到“机械设计”课程内容繁杂、零碎、枯燥，基本概念、基本理论难以消化，缺乏系统性。由于“机械设计”课程的授课对象已经具有一定的专业基础，改变教师“一言堂”模式，坚持启发式案例教学是完全可行的。课堂上对一些较难掌握的知识点进行讨论，鼓励学生分析、质疑，发现问题和解决问题，努力从习惯于基础理论知识学习向工程应用的转变，突出能力培养。如，在讲机械零件的“过度磨损”问题时，可以设置如图3所示内燃机中的活塞和缸体(曲柄与滑块)之间磨损的问题，由于磨损内燃机驱动能力下降，让学生讨论如何解决该问题。学生有的说换活塞，有的说换缸套，有的说两者一起换。之后由教师点评讨论结果，并且还可以拓展到是否两者都不换来解决该问题，加个衬套如何，衬套的材料如何选，精度要求如何保证等等。

图3 内燃机(曲柄滑块机构)

通过案例启发式教学，鼓励学生关注身边的工程问题，以此来丰富工程实践知识，形成良好的工程意识和工程观念，激发学生学习工程知识的热情，开阔思路，不拘一格，勇于发表自己的见解，提高分析问题和解决问题的能力。图4是一对齿轮啮合传动，由于轴的刚度不足导致一对齿轮的啮合由原来的线接触变成了点接触，接触应力加大，最后齿轮失效，针对齿轮失效的原因让学生进行分析。学生以小组为单位分别对此问题进行讨论，通过讨论后得出分析结果，并向教师汇报，之后教师对学生的讨论结果进行点评，并给出齿轮失效的原因。

图4 齿轮的失效分析

这样设置的问题讨论涉及每一章节，每次5分钟左右，效果相当好。教师在教学过程中巧妙安排，适时提问，阐述简练，重点突出，思路清晰，启发性培养学生分析问题和解决问题的能力。

4 加强实验和课程设计环节，培养学生的创新能力，提升学生的综合机械设计能力

“机械设计”课程致力于培养学生的机械设计能力，传统的课堂教学、课内实验、课程设计等教学环节远远不能满足现代企业对学生设计能力的要求。在教学过程中必须促进和引导学生学会综合应用理论知识、计算机语言、现代设计方法、工程软件来提高综合机械设计能力。通过课内课外相结合、理论与实践相结合的方法，培养学生的综合机械设计能力。

实验教学在培养学生创新能力上起着重要的作用，“机械设计”课程已经构建了集课堂实验教学、虚拟实验、开放式实验教学于一体的具有特色的实验教学体系，在原来的认知性、验证性实验基础上，增加了研究型、设计型、综合型、提高性和创新性实验，通过课内外相结合，自主实验和开放式实验相结合，提高学生的实验能力，如，机械系统传动参数的测定与分析，实验室提供各种传动部件:带传动部件、链传动部件、齿轮传动部件、联轴器和离合器部件等，加上加载装置、工控机和变频电机等模块，学生可以自主创意设计出多种具有一定功能的传动方案，并进行传动部件的搭接，组装出各种机械传动系统，将系统通过传感器连接到测试仪器，可以对系统的运动学和动力学参数进行测试，得出参数曲线，比较测试结果，选出最佳方案。这样的实验具有综合型和创新性，学生可以完成:①机械传动系统的设计与拼装;②机械系统虚拟设计;③机械系统的集成设计;④机械系统效率的测试与分析;⑤机械系统传动部件运动参数的测定与分析;⑥机械系统末端执行构件运动参数的测试与分析。

总之，通过不同层次不同种类的实验，可以满足不同层次学生自主学习和提高学习的需要，努力培养学生的动手能力和传感器安装调试、控制系统软件性能测试、数据分析能力以及撰写实验报告的能力等。

机械设计课程设计是“制图”、“力学”、“机械设计基础”等课程的综合与构建。对培养学生的构思能力、综合设计能力、结构及参数分析能力、创新能力、从事机械行业工作的适应能力及形成终身学习的习惯等方面，起着不可估量的作用。因此，机械设计课程设计作为一重要的实践教学环节，更要突出以学生的创新能力和综合设计能力培养为主线，重点突出设计。在课程设计中，学生运用已修的综合知识解决实际工程问题，也是培养学生应用多学科基础理论知识分析问题、解决实际问题的能力。在课程设计任务的布置中，力争一人一方案、一数据，使每个学生都有机会发挥自己的聪明才智，避免互相抄袭。在课程设计中强调方案的总体设计和结构设计，把创新设计和综合设计结合起来，难点是装配图中结构的表达，学生运用标准、规范、手册、图册对简单机械装置的设计计算，采用计算机绘图，通过对Autocad的二次开发，简化常用零部件的绘图过程，主要放在方案结构表达上，这样有利于提高学生计算机辅助绘图的能力，通过教师的引导和鼓励，不断解决设计中遇到的问题，最后完成课程设计，教学效果非常好，而且学生也很有成就感。

5 结语

能力培养是一个永恒的主题，“机械设计”课程教学改革对提高学生分析问题和解决问题的能力、创新能力及工程实践能力具有重要意义。本文提出了突出能力培养的改革思路和现代课程教学体系的构建，通过深化现代内涵，培养学生的工程观念和创新意识，在课程教学中采用启发式案例教学法，激发学生创造力，加强了实验和课程设计环节，培养学生的创新能力，提升学生的综合机械设计能力。通过机械设计教学改革与实践，将课程的重点由知识传授转变到对学生工程实践和创新能力的培养，优化了学生的知识结构，提高了学生的综合素质，达到了培养学生创新能力及工程实践能力的目的。

［1］黄秀琴.“机械设计”课程教学改革的研究与实践［J］.常州工学院学报，2006，19(3)，79-81.

［2］诸小鹏.《机械设计》课程教学改革与学生创新能力培养［J］.南京农专学报，2001，9(3)，89-90.

［3］胡宏佳，王世刚.机械原理与机械设计实验教学改革的探索与实践［J］.实验室研究与探索，2010，29(7):233-234.

［4］徐锦康.机械设计［M］.北京:高等教育出版社，2012.