CAX 技术在机械原理教学中的应用研究

董 枫 潘海鹏 王小平

（景德镇陶瓷大学机电学院，景德镇 333403）

引言

机械原理课程是机械工程专业的专业核心课程，该课程目前的教学模式、教学内容和考核方法等依旧暴露出诸多问题。课程整体体系陈旧，过于着重底层基础理论，缺乏和实践的结合，系统性、实践性和创新性不强[1]。近年来，伴随科学技术的高速发展、社会竞争的逐渐加剧以及社会的立体多样化需求，这种传统的教学模式显然已经不能满足对学生工程实践和创新设计能力的培养需求。

教育部“卓越工程师”培养方案强调学生的工程实践和创新设计水平的锻炼，进一步明确了工程专业学生的培养应面向国家的各项中长期战略需求，以积极面向行业需求为方针，培养满足全社会需求和国家中长期发展战略的综合工程专业技术人材，服务于我国的实体经济和可持续发展战略需求[2-3]。随着当前计算机技术的高速发展以及企业数字化设计和智能制造过程中对计算机辅助技术（CAX 技术）应用的普及，同时根据教育部关于机械基础课程教学改革的最新意见和当前企业对机械类学生知识和技能的新需求[4]，研究以CAX技术为辅助的创新教学模式，既有利于激发学生的学习积极性，强化对课程的理解，亦能锻炼学生的创新思维和工程实践能力，增强学生未来从事专业相关工作的适应性，实现培养创新型机械专业实践人材的目的。

景德镇陶瓷大学机械工程专业“卓越工程师”培养计划以工程实践和鼓励创新为特点，教学模式突出锻炼学生的工程实践和创新设计能力。通过在机械工程专业机械原理课程中融入CAX 技术，对该课程进行教学深化改革和实践，深化教学内容、创新教学模式、合理配置课程框架，借助CAX 技术，建立机械原理课程与工程实践及行业需求之间的联系，课程体系能够有效符合科学技术发展和企业转型升级要求，通过对教学过程实施合理的创新和改革举措，进一步深化课程的教学改革，全面提升整体教学质量[5-8]。

一、机械原理学科现状分析

1.课时压缩

当前机械原理课程的总学时数不断被压缩，甚至有部分人建议进一步缩减机械原理的课程内容，仅用较少的学时对常用机构进行基础讲解，把部分内容融入其他专业课。机械设计相关人员往往觉得学习机械原理课程对于机器的设计创新而言，是一门比较鸡肋的课程。这种错误认知严重影响了机械原理在机械专业课程体系中的定位，阻碍了课程教学质量的进一步提升，影响了高校教务管理人员对教学计划的适当安排。

2.理论过多

在教学过程中，我们注意到学生对机械原理课程的学习存在不同程度的“恐惧”之心，首当其冲的原因是该课程的理论性较强，概念和知识点繁多且难以消化理解。另一个原因是传统讲授式的教学模式提高了知识点掌握的难度，教师的讲授速度过快，加上学生在学习和理解水平上存在一定的差异，此类灌输型的教学模式直接导致部分学生无法有效跟上老师的节奏，严重影响了学生的主观积极性。加之整体学时较少，限制了学生对课程内容的理解和掌握。

3.框架和内容陈旧

机械原理课程授课框架和内容与其所承担的教学使命还存在一定的差距。目前的机械原理课程框架和内容是在上世纪前半叶形成的。我国则是在上世纪中叶引入了该教学模式，尽管已经历多次改革，但大体上并未摆脱老旧框架和内容。因此为了满足我国生产战略需求和帮助课程的进一步深化发展，急需进行教学体系和模式的深化改革。

4.教学方式陈旧

对于课程中的机构设计和解题思路，当前各高校在讲授过程中普遍以图解法为重点讲解对象，解析法和CAX 方法则不太受重视。而随着学科和计算机软硬件的持续发展，图解法的缺点已经渐渐凸显。因此当前迫切需要强调解析法和CAX 应用的重要性，应为解析法分配足够多的课时，特别需要注意的是数学模型建立的基本思路和方法，尽可能得多运用CAX 技术和MATLAB 等科学计算软件实现模型的构建和求解，弱化复杂的理论推导，在课程结构调整的同时也能缓解学时不足的情形。

二、CAX 技术的在机械学科的地位和作用

CAX 技 术 是CAD、CAPP、CAM、CAE、CAS、CIMS 等技术的综合叫法，由于其所涵盖的各项技术均依靠计算机辅助（CA）来实现，便将这些技术统称为CAX 技术[5]。CAX 技术集成了CAD 等技术并对它们实施综合运用，通过有效的配合，能够明显减少产品的开发周期，能够在设计初期更妥善的考虑所研发产品全生命周期的各个环节，尽快找出设计中所存在的问题，不断调整和优化产品设计方案，有效符合市场需求并确保经济性。

机械工程专业“卓越工程师”培养计划的理论及实践课程框架中，绝大部分都涉及CAX 技术的应用。理论课程作为工程实践的先修基础，其教学效果将直接影响人材培养结果。在机械专业课程框架内，涉及到CAX 技术的工程实践教学占比已经超过20%，这些课程在机械专业本科教学过程中都占据着非常关键的地位。

机械原理课程教学内容的核心是机构设计的思路、理论和方法的叙述。如平面连杆机构和齿轮机构的基本设计原理和方法，这些知识点的实际应用都与CAX 技术中的各项子技术密切相关，掌握CAX 技术在这些知识点中的应用将有助于解决相关的实际问题。而且当前机械原理课程还包含大量的工程实例，提高了实践教学要求。最为典型的案例当属学生需熟悉常用机构简图的绘制方法，具备借助专业软件确定机构自由度的能力，并能够通过专业平台对实际机构和机构简图进行转换。此外，CAX 技术能够辅助对机械机构的原理进行验证。因此在机械原理课程教学中全面应用CAX 技术，能够通过三维数字化设计和运动仿真来评估机构设计方案。

三、教学模式优化

机械原理课程的特点是同时具备很强的理论性和实践性，它在培育机械专业人材的过程当中，能够提升学生的机械基础理论、加强学生将来从事机械相关工作的适应性和锻炼学生的创新设计能力。在系统学习本课程后，学生将理解常见典型机构及其传动的基本理论，能够对普通机械传动装置进行初步设计，为今后的专业课程学习和工程实践能力的进一步提升打好基础。

在课程的教学过程中，教学内容相互衔接，理论实践结合紧密，对于从事机械工程相关行业的卓越人材具有举足轻重的作用，能够体现“前导有续、后续有需、学习有用、工作有备”的卓越人材培养教学内容和方法，充分展示了该课程在机械专业人材培养体系中的关键地位[6]。

1.教学体系优化

（1）夯实基础，优化课程

机械原理课程在机械工程专业的培养计划中扮演着关键角色，但是在先修基础课程的教学过程中，更应注意底层基础知识点的讲授。我们在课程教学过程中注意到基础偏弱的学生在学习后续专业课程时明显感到困难。例如前期机械制图这一基础课程学习效果如果不好，在机械原理课程的教学过程中,就会出现如不会绘制机构简图、识图能力差、空间感不强等不足问题。如果这些基础课程都没有掌握好的话，那么后续应用CAX 技术就非常困难。因此在整个教学体系中需要强调基础课程的重要性，要夯实先修基础知识的掌握。

（2）增加实践比例，切换学习思维

要适当缩减纯理论的讲授内容，适度增添锻炼创新思维和动手能力的工程实践教学知识点，改进以讲授为核心的传统教学方式。例如在对“常见机构及其特点”这个知识点进行教学时，应选择在具备工程实践训练条件的专用教室内进行，借助理论和实践训练来加固知识点，运用教、学、思、练来激发学生的创新思维。同时采用CAX 软件系统，让学生自主去建立各类机构的运动仿真模型，加强对各类机构运动特性的理解。

（3）理论结合实践，强调基础能力

理论是实践的基础，实践是能力的验证。应该以提高学生能力为目的，让学生多学、多想、多练，通过应用CAX 技术，将课程中抽象的理论知识和实践进行有机结合，例如连杆的轨迹综合问题。一方面帮助学生充分理解理论知识，另一方面也巩固了学生CAX 的应用能力。“卓越工程师”人材计划的目的是培养具备工程实践能力的专业技术人材。所以学生在学习期间需要确保理论扎实，能力达标，这样才能符合实际工作的诸多要求。

（4）注重实际应用

在完成机械原理相关的理论课程教学任务之后，针对相关课程设置了与之对应的课程设计、校内实习、实训等实践任务，在这些任务中布置一定的CAX 应用实例，让学生在教学过程中能够持续地学习。景德镇陶瓷大学作为以陶瓷为特色的教学科研基地，应重点将陶瓷机械原理作为本课程的研究对象，在CAX 的应用中也应以陶瓷机械为主。

2.课堂教学设计

（1）讲练结合

当前，机械原理课程教学大多采用课堂讲授的教学方式，根据对相关专业学生的调查问卷结果，我们注意到：学生对这种陈旧的课程教学方法不太感兴趣，对知识点的理解和掌握较慢，学习效果不够理想。我们针对上述问题实施了如下改进：一是尽可能在具备支持CAX 技术的软、硬件平台的实验室或机房教学；二是充分利用上课时间，提高上课效率，要确保有充分的时间将各个关键知识点讲解清楚，并且也要让学生熟练掌握，防止相邻课时的间隔过长导致出现即使当时听明白了，但长时间不实践又忘掉的情形；三是改进当前先讲后练的教学模式，运用讲练结合的循环式教学方法[8]。采用该模式进行教学后，学生普遍反映较好，大部分同学均期待下一次课程的到来，他们认为结合先进的计算机辅助技术进行辅助教学，一方面提升了学习乐趣，另一方面也加强了对理论知识点的理解和掌握。

（2）结合实际进行引导式教学

当前的机械原理课程教学常常是根据教材目录进行讲授，基本上要严格遵守教学大纲并遵照授课计划来实施教学。学生在课程学习的过程中，欠缺发散的创新思维能力，仅能以“照葫芦画瓢儿”的方式被老师牵着鼻子走。学生只能借助教材，才能够进行相关知识点的学习，一旦没有了教材便两眼一抹黑，不知如何下手。我们在机械原理课程设计的实训过程中深有体会，学生平时在上课时感觉好像掌握的不错，但是突然拿到一个实际的设计实例，大部分同学完全不知道从何处开始着手。本项目在研究过程中，强调增强学生的创新和实践能力才是教学的重要目的，充分结合CAX 的技术优势，在基本满足教学大纲的情况下尽可能与工程实践建立联系，将课程各知识点的CAX 实例作为教学内容的一部分，锻炼学生的实践操作和创新设计能力，为学生将来从事相关专业打牢基础。

（3）参与式教学

传统的教学模式通常围绕教师为核心，学生遵循教师的知识点讲解和思路引导来完成学习，这显然严重限制了学生的自主和积极意识。针对“卓越工程师”的培养，应强调激发学生的自主和创新意识，培养学生不但要结合教学内容，而且需改进教学模式。采用CAX 技术辅助机械原理课程的教学，给学生更多的自主权和参与感，学生通过自主获取知识而非被动灌输知识，整个教学过程应以学生为核心，对相应的教学内容和教学模式实施改进，顺利引导学生融入并享受每个教学过程。

（4）考评方式公平合理化

当前大多数考核评价模式都是“期末决定论”，仅以一份试卷来判定学生的学习成绩。在基于CAX 技术的机械原理课程教学中，我们对这种考核方式进行改进，采用更合理的评价方式。在本项目的实践过程中，采取以下改进模式：第一，以小考试代替练习，将知识点的考核通过小考试的方式分配至每个教学过程。例如运用CAX 软件完成平面四杆机构和凸轮机构的作图法。根据作业完成情况和小考分数等方式对成绩进行综合评定。第二，彻底纠正学生仅以通过考试为唯一目的而忽略掌握理论知识和增强实践能力的情况，采用“平时表现+随机测试+课堂小考+期末大考”的全方位考核模式，获得更为公平合理的综合考核成绩。

四、教学改革与实践效果分析

根据对机械工程专业核心课程机械原理教学过程中应用先进CAX 技术的一系列改革和实践，以优化教学目标、教学体系、教学模式、考评方式为主要目的，对人材培养模式进行了改进和优化，显著提升了学生的工程实践和创新设计能力，提高了教师队伍的理论和实践教学水平，证明本研究的一系列改革举措取得了较好的效果。

1.优化人材培养模式

针对“卓越工程师”的人材培养计划，对机械原理课程的教学内容占比进行了合理配置，合理调整了理论和实践内容，深化了机械工程专业卓越型人材的培养计划。纠正了“重理论、轻实践”并以理论教学为核心的传统教学模式，使学生在课程的学习过程中不但可以有效理解和掌握的各个理论知识点，也可以通过CAX 技术的应用使工程实践能力得到全方位的训练，确保学生能够在将来的工作中合理有效的通过理论和实践知识来处理实际工程案例。CAX 技术应用于机械原理课程的教学改革与实践能够有效满足卓越型机械工程专业人材的培养模式，通过有效的将理论与实践相结合，使学生在接受教学后掌握扎实的理论基础知识和工程实践能力，充分激发了学生的自主创新能力和实际应用能力。

2.提升学生动手能力和创新能力

CAX 技术的应用重点关注学生运用知识解决实际问题能力的锻炼，全方位锻炼学生的实际操作和动手能力。由于机械原理课程是理论性和实践性都很强的一门专业核心课程，学生在学习过程中应具备较强的创新性，充分激发学生的创造和实践能力，辅助设计产品的机械原理。机械工程专业在制定人材培养计划时，课程配置应满足理论少而精、实践丰富且全面等特点，合理优化课程结构体系，使其更符合应用型大学“卓越工程师”的培养方案精神。通过应用CAX 技术学习该课程，可在相关老师的带领下，积极申请与之相关的大学生创新创业基金项目，将所学习的理论知识和实践能力充分运用到实际项目中去，将进一步帮助提高运用所学知识解决实际问题的能力。

3.培养具备综合教学能力的教师队伍

“双师型”师资队伍建设是顺利实施“卓越工程师”人材培养方案的前提条件和重要保证。当前国家对“双师型”教师的定义还不是很明确，大部分教师特别是青年教师普遍存在缺乏工程实践经历，理论联系实际能力不强等情况。通过对机械原理课程中应用CAX 技术的教学改革与实践，授课教师能够在课程领域通过国家职业资格认证，专业技能等级或专业技术职务培训和考核，提高自身的工程文化素养，自主适应卓越人材培养模式，充分利用扎实的理论基础、娴熟的专业技能、创新的思维及丰富的实践经验，培养卓越的应用技术型高级人材[9]。

五、结束语

本文研究的是机械工程“卓越工程师”培养计划专业应用CAX 技术辅助机械原理课程进行教学改革与实践，根据对教学体系、模式及效果等方面的分析、改革和实践，获得了较好的效果。对课程改革成效进行了多项问卷调查，均得到较好的反馈信息，满足景德镇陶瓷大学机械工程“卓越工程师”人材培养计划的长期目标和要求。希望本研究也能够为其他高校同类课程的教学改革提供参考。