《机械基础》课程教学内容与课程体系综合设计研究与应用

余卫平

摘 要：对于工程专业的学生来说，机械基础课程是一门必修课，为了培养这个专业的学生成为一个优秀的工程师，学生不仅要掌握课本上的机械相关的基础知识，还要学会分析“机械原理和操作实践”的设计现状，将所学的基础知识与整个课程体系的实践结合起来，全面掌握该课程的理论知识应用和机械设计制造技术。

关键词：机械基础 课程教学内容 课程体系 综合设计

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（c）-0226-03

机械原理和机械设计两门课程是学习机械基础课程综合设计的基础，相关专业的学生在进入大学两年后才能开始实践操作机械设计，在开始动手设计一般机械之前，学生必须熟练掌握相关的机械工程材料、原理、设计等理论知识，能够在实践过程中灵活应用理论力学、材料力学和工程图学等的相关知识。

1 机械基础课程设计存在的问题及分析

1.1 机械原理课程设计存在的不足

多年来，很多高职院校传统的课程设计有3个步骤：（1）制定设计题目。机械原理课程设计的题目基本一致，都是分析机器中的导杆系统的动态静力情况和运动状况，常见的机器就是用于机械制造和自动化设计的插床和刨床等。（2）观察转动过程中的飞轮。在设计题目的基础上，观察飞轮的转动情况，从而计算出它在运动过程中的惯性力量。（3）设计机器结构。通过对机器导杆和飞轮的分析，实现能够为这些机器设计凸轮和齿轮结构并使之相适应的最终目的。

教学体制设计的手段和方法上均上存在不足。通常情况下，教学过程中学生的设计题目几乎都一致，这些大同小异的题目暴露了学生在操作实践过程中敷衍了事，以完成任务的学习态度对待整个课程设计，没有及时纠正以往设计的课程中的错误，在自己的课程设计中依旧重犯这些错误，使用乏味的设计题目单一的设计方法、手段，即使勉强通过了有关考核，学生的实际知识能力也没有得到提高。

其次，培养体系缺乏全局性和准确性。以往的课程设计中，学生只注重分析机器的执行程序，忽略可机器的原动机和中间传动系统，无法实现机器3个部分的协调统一，没有经过全面系统的机械设计训练，以至于设计理念不完整，设计结果不尽人意。

最后也是最主要的问题，学生的积极性、主动性和创造性不足。传统的机械操作实践往往为学生准备好了要设计的机器机构和设计方案，学生只需要按照既定的方案完成操作，不需要发挥过多的主观能动性。我国21世纪的教育战略是培养创新型人才，所以必须改变学生在传统设计过程中创造性思维和自主设计能力得不到提高的局面，增强学生的理论知识教育和动手能力。

1.2 机械操作实践设计现状分析

随着科学技术的不断进步和市场需求的不断发展，高职院校机械设计的传统课堂已经不能满足时代进步的需要，必须对旧的机械设计课堂进行改革，现将传统的教学现状分析如下。

教学方法和教学内容都无法为学生的实践能力服务。教学过程中多采用“填鸭式”的教学方法，教学内容中的设计题目和设计目标都在老师事先限定的范围，题目离不开对机器齿轮减速器的分析，学生完全按照老师讲授的经验完成整个设计过程，不积极发挥自己的主观能动性，老师的主要职责也仅仅是为学生提供设计的模板，监督设计过程是否和自己的要求一致，在整个设计过程中，学生只需要掌握相关的设计公式和应用原理，将公式和原理死搬硬套进自己的课程设计中，并利用图解法参考其他机器的减速器设计，没有将减速器的设计与所用的机器联系起来，只要完成经验型的手工设计就相当于此次机械设计的圆满完成。

机器的设计说明书的准确度和可信度不高。机器的说明书需要解释清楚机器各个零部件和它们之间的相关关系，而传统模式下的机器说明书显示出，学生不完全知晓自己所设计机器的零部件之间的运动和装配关系，甚至连零部件的形状和性能也不清楚，说明书上的内容也只是参阅其他机器的说明书，只知道说明书上描述的是这样却不知道为什么要这样描述。

机械操作实践的要求不够严格，上课过程没有达到专业化和专门化。一方面，教室无法满足许多个机械设计课堂同时上课，阻碍了正常的设计程序，影响了机械设计的最终结果，另一方面，许多学生的自我约束能力不高，在机器的数据记录和编写过程中存在造假行为，这一行为尽管节省许多设计时间、加快了设计进度，但是学生的课程设计质量和实践能力都没有得到提高。

综上3种现状，都严重阻碍了机械操作实践的变革，必须加大力度培养学生的专业理论素养和实践操作能力，以改变当前的落后现状。

2 课程体系综合设计研究

教师可以组织单一机械课程向综合设计机械课程的教学实践。在实践过程中，教师可以利用模拟试验来证明构成机器的零部件和运动状态，模拟试验要求学生不仅要关注机器的性能和结构，还需要了解机电方向和汽车等多种因素，把机器作为设计题目的主要对象，按机电方向的不同设计不同的题目，并能够使用计算机模拟所设计机器的结构运动形态，该项创新型模拟试验必须接近机器最真实的运动状态，才能展现出设计题目的可行性和科学性。

改革機械基础操作实践的主要方法可以具体描述为以下两点：（1）从简单的机械原理和机械操作实践着手，扩大两门课程共同的学习范围，由原来的两门课程整合为综合的操作实践，相应的增加学生的设计时间，鼓励每一个学生都提出自己对于所选设计题目的不同观点，在小组互动中增强学生的学习兴趣和学习能力，最终的机械运动方案由小组组员集体决定，这个机械运动方案是每一个小组成员创新性思维的集合体，它凝结了学生的学习兴趣和创新设计能力。（2）在学习综合课程设计的过程中，体验以机器的建立模型、计算数据、和最后可视化技术为一体的虚拟样机软件，它的优点在于能够减少生产机器的时间和资金，其中最受研究院、大学和机器制造商欢迎的是美国学者推出的分析性软件，学校将这一技术应用在学生的模拟试验过程中，能够将学生设计的机器结构与仿真的机器结构进行比较，了解所设计模型的运动过程和性能。学校在改革传统课程体系的过程中，CAD、CAE、CAM等系列虚拟样机软件的应用是对传统设计手段的彻底变革，在增强学生实践能力的同时，让原本枯燥的机械操作实践变得充满乐趣。

3 培训体系综合设计的实践及应用

3.1 改革培训体系注重学生素质的培养

要想培養一个21世纪高素质的机械工程技术人才，必须注重培养学生的3大能力，即思维创新设计能力、机械系统设计能力和综合应用与创新能力。学校在培养学生这3大能力时，需要采用下列方法：（1）帮助学生全面深刻的掌握机械基础课程，完成设计方案的制定。在大一大二开展机械原理和机械设计两门课程，并要求学生全面灵活的掌握相应的理论知识，在学生掌握基础理论知识的基础上，再教授学生典型机械系统设计的操作过程，这种由表及里，由浅入深的教学过程能够帮助学生根据机械的设计要求绘制机械运动简图，从而制定系统的设计方案，（2）加强学生对设计图和设计方案的理解，依据基础知识和设计方案绘制整个机器的零件工程图和装备图，完成机器的系统设计。（3）为学校的机械操作实践制定一条科学可行的训练主线，由设计最初的原理和传动方案到更深层次的设计执行机构和整个机器结构，从而使学生形成系统的机械设计能力。（4）在注重学生专业知识和专业设计技术学习的过程中，不能忽视学生思想意识形态的教育，学生对机械设计的工程和系统的认识关系到学生对于机械设计的创新性思维，正确引导学生的创新性思维，能够帮助学生增强自身的创新能力。随着时代的发展，各大高职院校一改传统的机械教育模式，致力于培养学生的3大能力，传统教学模式下的教科书也需要同步进行改革，该校为了改变没有专门的理论知识和操作技术相统一的教科书现状，学科机械类的研究老师合作编写了一本综合设计指导书，这本书的编制不仅广泛涉及了学科的专业知识，同时结合了本校当前的对于机械设计的实际教育水平，为学生日后的设计选题指导了不同的研究方向。

3.2 机械传动方案设计，培养学生创新能力

学生在机械操作实践的每一个教学阶段都应当是主体，教师在每一个教学阶段都应当起主导作用，引导学生学习机械设计而不是决定学生机械设计，特别是在机械传动方案设计的重要阶段中，教师必须做到以下几点来正确处理这一关系：（1）在设计题目的选定和方案的制定过程中，教师要鼓励学生发挥自己的主观能动性和创新型思维，正确选择自己的设计题目和设计方案的创新点。（2）教师要了解学生的实际学习能力，根据学生的学习能力制定相应的机械设计计划，对于一些学习能力稍弱的学生，应当适当降低选题的难度，并且尽量选择参考指定的指导书，达到因材施教和因人而异的教育目的。（3）教师在分析学生的设计方案过程中，要把握好3个步骤：其一，向学生提出课程要求，鼓励学生制定不止于两种的设计方案；其二，教师要帮助学生全面分析自己设计方案，发现方案之间的差异，并采用最符合要求的设计方案来完成此次机械操作实践；其三，严格把握设计方案的每一个细节，从测量机器的运动尺寸和观察运动过程到详细计算机械的设计结构和设计强度，每一个设计步骤都必须在方案中做出详细解释。

3.3 引入虚拟样机技术进行机构分析

多媒体时代的兴起，推动了各门课程走向信息化和技术化，在整个机械工程的操作实践教学过程中，计算机软件作为一种辅助工具，在教学的每一个环节都能够发挥重大的作用，主要表现在：（1）将抽象的机械原理转化为简单直观的概念。（2）将复杂难懂的题目转换为易理解的题目；（3）将设计过程中出现的间接问题转化为直接问题，帮助学生解决问题。（4）将刻板的理论知识转换为实践问题。（5）将静止的机械问题转化为动态问题，帮助学生理解。计算机技术应用在机械设计的课堂上，体现了当今课程设计质量的一大进步。

由于互联网技术与计算机技术的飞速变革，虚拟样机技术也随之迅猛兴起成为当代最为先进的一项计算机辅助工程技术，因此在全球范围内又被称作是机械系统动态仿真技术。虚拟样机技术自出现以来就受到了国际各大制造厂商、相关科学研究部门、高等院校、企业的极大重视，那是因为其研发与应用，在一定意义上达到了缩短产品开发周期的目的。以美国的ADAMS软件为例，为了能够在具体操作环节中做到全面贯彻培养卓越工程师的理念，在进行综合设计机械基础课程时，针对插床导杆机构、冲压机构、摆动式运输机机构、牛头刨床摆动导杆机构等相关机构模型，通过利用ADAMS软件来展开相应的运动学和动力学分析，针对刀具的位移、速度、加速度曲线，自动绘制曲柄受到的平衡力矩曲线图等模型图标，ADAMS软件也将会完成自动绘制，同时可以借助于后期加工绘制最大动态剩余功曲线图，有助于曲线结果更为清楚明确。也正是因为如此ADAMS作为一项美国MDI机构研发成效十分突出的虚拟样机分析软件，才得以在信息市场上占据很高的地位。ADAMS软件同时可以对机构进行参数化建模，学生通过将机构的不同原始参数进行系统输入，就能够达到针对不同结果进行比较的目的。导杆机构在进行动态仿真时，可以通过研究各位置时所对应曲线起伏来分析其所要表达的意思。ADAMS软件同以往用图解法或自编程序法进行机械原理课程设计相比较，绝大多数学生都认为使用ADAMS软件来展开课程设计更为简洁有效、一目了然，有助于课程设计最优化成果的获得，在教学过程中利用计算机对机械进行辅助设计，这种变革推动了教学创新的发展进程，进而有助于增强学生对于机构的相关运动学、动力学相关参数优化设计的课本理论知识的研究学习。

3.4 理论联系实际，修改设计对象

由于工业制造领域覆盖面的扩大，新生产技术与新研发工艺也随之不断兴起，就齿轮行业而言，其中的硬齿面齿轮加工制造技术的愈发纯熟，随着加工制造设备的不断更新换代，硬齿面齿轮减速器作为引领市场齿轮减速装置发展方向的标杆，在生产制造环节中得到了广泛使用，比如现今的工程应用学科在实际的操作过程中所要进行推荐使用的齿轮减速器，绝大多数情况下都会选择硬齿面齿轮，相反地软齿面齿轮减速装置开始出现逐渐被市场所淡忘的势头。正是由于硬齿面齿轮减速器的设计与实际齿轮应用密不可分，教育学习的过程中才更为应当将理论与实际相结合，更多地选择硬齿面齿轮减速器设计的方案来展开实践环节的操作，将改用硬齿面齿轮减速器的设计结果与以往结果进行比较可以看出，硬齿面齿轮减速器的整机重量出现大幅度减小、产品体积相对更小，因此可以大幅减少原料成本，相应的产品造价也就随之下降，这样的生产成果能够使学生深刻理解科学技术的发展是如何提升生产实际应用的整体经济效益，同时有助于增强学生进行学习时的的主动性与学习热情。并且从另一个方面来看，硬齿面齿轮减速器属于新兴技术，在现有资料中难以轻易查找到大量与之相关的资料，这在某个角度上促使学生主动查找相关资料或询问老师，从而有助于提升学生的实际设计能力与思考学习能力。

3.5 学生的模仿型设计转变为思考型设计

在传统的操作实践中，一般是通过教师对设计环节展开相应步骤的口头理论说明，学生针对所学理论概念进行机械模仿来完成，这种教学模式通常以培养传统的经验型设计作为教学目的，在这种教授之下学生总习惯于照本宣科按部就班，对于课程所学内容知其然而不知其所以然。但是现在的授课过程中，教师更多地只是给学生做出必要的课程内容提示，同时罗列出与之相关的参考书目，鼓励学生自觉主动地去查阅资料文献。在课程设计具体实施环节中，草图设计和装配图设计也就是机构设计阶段作为课程整体内容中的疑难点，导致这一学习阶段的学生在自主学习进程中受到阻碍，并且出现较多失误。在《机械设计》的课堂上教师所要进行重点讲解的都只是相关基础知识，尽管实际操作过程中影响结构的因素有很多，但在课程设计中针对结构方面的理论学习整体而言相对较少。因此在这一阶段，指导教师应当展开多方位地指导，不断进行正确和错误结构的深入对比分析，另外还要培养学生养成抓住课程重点进行研究学习的能力，从而促使学生构建起整体设计的思想体系。这种理论与实际相结合的现代教育模式，有助于增强学生对信息及数据的收集处理及独立思考并解决问题的能力。

4 结语

这一课程的教学中测量和互换机械等技术也十分必要，这一实践过程旨在培养学生的一般机械设计能力，加强学生在学习理论知识的同时养成良好的创新思维和实际操作能力，这门课程在学生的整个机械学习过程起着承上启下的作用，一方面帮助学生总结学过的理论知识；另一方面为他们日工作学习打下坚实的基础，即便学生到了工作岗位，这一门课程的相关知识依旧适用。

参考文献

[1] 王立存，张国进，徐元，等.机械基础课程教学内容与课程体系综合设计研究与应用[J].重庆工商大学学报：自然科学版，2014，30（6）：79-82.

[2] 文夫，陈绚.机械设计基础课程体系及教学内容的改革[J].萍乡高等专科学校学报，1997（4）：75-77.