机械原理课程设计教学中培养学生创新意识的探索*

◆张李娴 郭红利 张军昌 侯莉侠

机械原理课程设计教学中培养学生创新意识的探索*

◆张李娴 郭红利 张军昌 侯莉侠

结合长期的教学经验，阐述机械原理课程设计改革的方向及其在创新意识和创新设计能力培养过程中所起到的作用。

机械原理；实践环节；课程设计；创新意识

随着社会的发展和教育体制的不断改革，培养学生适应社会的能力和提高学生的综合素质已成为高等教育的根本。在工科专业的整个课程体系设置中，机械原理是培养学生创新意识和创新能力的一门主干技术基础课程。为了真正能够通过扎实的实践环节来提高学生的创新意识和创新能力，西北农林科技大学对该门课的实践教学环节——课程设计进行了不断改革。

从内容上讲，整个机械原理的课程包括课堂教学（包括实验教学）和课程设计两部分，其在时间安排上是相互独立的。课堂教学以机构的分析为主要内容，重点是机构的结构分析、运动和动力分析以及参数的计算；作为课程的一个重要的实践环节，机械原理课程设计在培养学生的创新思维和动手能力方面具有重要的作用，所以在进行机械原理课程设计实践环节改革时，首先应当关注的是创新能力的培养。

近几年来，为了满足教学发展的需求，西北农林科技大学的机械原理课程设计先后经历了利用图解法实现机构的分析与设计、利用解析法实现机构的分析与设计和机械传动系统方案的设计三个阶段。在课程设计改革的过程中，始终坚持把培养学生的创新意识和创新能力作为改革的宗旨。

1 机构图解法的分析与设计

在早期的机械原理课程设计中，采用的是利用图解法实现机构的分析与设计。这种方法就是要求学生利用所学的基本理论知识，根据分配的设计题目，按照课程设计教学指南，一步一步地完成每一项设计任务。比如前期所进行的课程设计主要是要求大家利用课堂上所学过的机构的理论分析方法、反转设计方法以及齿轮齿廓曲线的设计方法，通过手工绘图完成平面六杆机构的运动和动力分析、凸轮轮廓曲线的设计和渐开线齿轮齿廓曲线的设计。整个设计过程中，虽然可以进一步地巩固和加深学生在课堂上所学的理论知识以及增强学生的制图能力，对学生后续专业课和研究生入学考试可以奠定一个良好的基础，但由于在整个设计过程中设计题目、设计方法以及具体的设计步骤都是一定的，学生按照教师所编写的课程设计教学指南照猫画虎，很轻松地就可以完成所要求的各项设计任务。这样既不能充分地发挥学生的空间想象力，又限制了学生运用理论知识解决工程实际问题的能力，更谈不上什么创新思维和创造性设计了。

2 机构解析法的分析与设计

随着机械产品的设计逐渐向高速、高效和精密等方向的不断发展，使用者对机器的工作性能提出更高的要求，同时系统的结构也变得更加复杂。由于图解法进行机构的分析与综合时，较大的误差积累可能使得所设计的机器或者机构不能很好地满足预定的设计要求，这也就限制了图解法的应用场合。与图解法相比，解析法由于是通过数学方程的求解来获取机构或机器的结构、运动以及动力参数，所以其计算精度更能够满足现代化产品的设计需求。

利用解析法实现机构的分析与设计，首先要建立分析所需要的机构的数学模型，然后利用计算机编程来进行数学模型的求解，最终获得相应的机构或机器的结构参数以及运动和动力参数。常用的方法有矢量法、杆组法和三角形法等。

以平面连杆机构为例，采用矢量法进行运动和动力分析的步骤主要包括：

1）通过机构的机构分析，在选定机构比例尺和原动件初始位置的基础上绘制研究对象的机构运动简图；

2）通过引入的杆矢量，建立机构或机器对应的位置矢量方程；

*项目来源：西北农林科技大学2013年校级教学改革研究项目“多元化机械原理实践教学体系改革和创新能力的培养”（项目编号：JY1302059）。

作者：张李娴、郭红利（通讯作者）、侯莉侠，西北农林科技大学机电学院讲师，研究方向为机械设计及理论；张军昌，西北农林科技大学机电学院讲师，研究方向为车辆工程（712100）。

3）通过位置方程的逐次求导，建立机构或机器对应的运动矢量方程，进一步求解获得杆件上各点的运动参量；

4）建立机构力的矢量方程，求解平衡力及运动副反力。

解析法可以在提高设计精度的同时避免出现同一个问题——百人百解的现象，也可以实现在满足精度要求的基础上对空间机构的分析。但分析和设计过程中所需要的数学模型的建立和求解具有一定的难度，同时对于结构比较复杂的机构，分析计算过程比较复杂。同时，在分析和设计的过程中，仍然是按照固定的思路和要求来完成所给定每一项设计任务，对学生的设计能力仍不能进行培养和锻炼。

3 机械传动系统方案的创新设计

为了实现通过机械原理课程设计培养学生创新意识和创新能力的宗旨，为了强调理论与工程实际、创新设计有机结合的必要性，在进行课堂理论教学时借助于实例讲解，使学生掌握机构方案设计的基本和方法。然后在课程设计这一环节，要求学生根据自己在课堂上所学过的知识来完成一个具体的机械传动系统的方案设计。整个设计过程包括确定设计题目、查阅文献资料、确定设计方案、撰写设计说明书以及设计交流总结等五个环节，从每一个环节都进行了一系列的改革。

确定设计题目 不管是图解法的课程设计，还是解析法的课程设计，设计题目一般是由教师指定的。为了真正充分调动学生学习的兴趣，在进行机械系统方案设计时，设计题目是在不脱离机械原理课程内容的基础上自由选择的。通过近几年的实践证明，有很多学生的设计题目极具研究和应用价值。

查阅文献资料 为了培养学生收集和运用信息的能力，学生在确定了设计题目以后，根据题目和设计任务的需要，可以通过查资料、上网等途径来获取一些与设计任务相关的参考资料。通过对所查得的参考资料的分析和研究，可以为后续的分析设计提供必要的帮助。为了避免学生在查阅文献时漫无目的，走更多弯路，教师应根据不同题目、不同的设计需要给予必要的提示。

确定设计方案 设计方案的确定是机械传动系统方案设计中较为重要的一个环节。为了发挥学生的主观能动性，在整个方案确定的过程中始终应以学生为中心。同时，教师在指导过程中，还要能够针对不同层次的学生、不同难易程度的题目实现区别对待。

机械系统方案设计中关注方案的创新点。要获得具有一定创新意义的设计方案，可以从两个方面入手：根据设计任务的需求，通过查阅相关的文献资料发明新的机构；通过对现有机构的分析和总结，借助于机构的改造来获得能够实现设计目的的机器或机构。

为了能够充分发挥学生的空间想象能力，在进行方案设计时，对于一个确定的设计目标，要求每一组学生至少提出三种不同的可行方案，然后通过对所提出的方案的分析、比较，最后确定出最优的设计方案。针对于最优的设计方案，可以从机构的结构设计、运动和动力分析与设计、机器和机构的强度设计和计算仿真以及加工制作样机（这一部分要求在近几年的实践过程中，多数是通过学生的毕业设计来完成的）等几方面来完成。

撰写设计说明书 为了对整个设计过程做一个好的归纳总结，在完成机构的分析与设计以后，还要求学生书写完整的设计说明书。设计说明书的主要内容包括：确定设计题目的依据、意义和必要性；方案设计、分析以及计算过程；课程设计的收获。

设计交流总结 设计交流总结这个环节主要是为了给学生表达能力的锻炼提供一个机会。在课程设计的各项任务完成以后，要求每一组学生按要求走上讲台，把自己在整个设计过程中所做的工作向大家做一个简单的介绍，介绍的过程当中还可以与大家进行互动交流，以更好地了解自己在做设计过程中的优势和不足。至于机械传动系统方案设计最终的成绩，则可以通过设计方案的创新性、方案分析的全面性、设计说明书书写的规范性以及绘图质量等多方面来进行综合衡量。

机械原理课程设计的教学改革中，作为参与教师，最大的感受就是没有想到学生会有如此大的适应性和潜力，他们都具有很强的语言表达、材料运用及分析的能力。在教师的启发和引导下，他们敢于想象，思维敏捷，设计过程中甚至提出一些连指导教师都不太了解和不能直接解决的问题，所以这也是对教师的一种挑战。而作为学生，大家都认为新的课程设计方法更能够激发学习的兴趣和创新的意识。

通过近几年机制专业和其他专业部分学生的课程设计的改革，基本上可以锻炼学生的创新意识，可以培养学生的创新能力，效果可以从每年的机械创新设计大赛以及工程训练大赛等比赛中得到验证。但存在的主要问题是由于部分专业的时间安排过于紧张，导致许多学生很难在课程设计过程中发挥自己的优势。

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