新工科背景下本科毕业设计的思考与探索

吴峰，康国祥，宋年秀

摘要：文章分析了当前工科院校毕业设计存在的问题，以毕业设计为切入点，在新工科背景下，对工科本科生的课程体系建设、理论知识和工程实际的结合、如何提升工科学生科研素养及综合竞争力等方面做了深入的思考和有益的探索。

关键词：新工科;毕业设计;课程体系;科研素养

中图分类号：G642.477     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）01-0332-03

一、引言

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”。共识认为，高等教育发展水平是一个国家发展水平和发展潜力的重要标志。当前世界范围内新一轮科技革命和产业变革加速进行，我国经济发展进入新常态，高等教育步入新阶段。为适应经济与科技的快速发展，迫切需要培养大批科学基础厚、工程能力强、综合素质高的新兴工程科技人才。毕业设计作为高校人才培养的重要实践教学环节之一，对培养高素质工科应用型人才起到非常重要的作用。在人才培养具有更强的动手实践能力、工程能力和创新能力的要求下，对工科毕业设计提出了更高的要求。提高毕业设计质量，已经成了工科教育必须面对和亟待解决的重大课题。[1]

二、当前毕业设计存在的问题

本科毕业设计是本科教学过程的最后一个环节，通过该环节的训练，应使学生综合应用所学的专业理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的练习，对培养学生的创新思维，提高综合素质教育有重要作用，这是高等工程教育教学改革的重点和难点之一。[2]近年来，由于高校招生人数的扩大、师生比下降、各种软硬件水平跟不上等因素，工科毕业设计水平存在不同程度的下降，表现如下。

1.选题不合理。有些毕业设计指导教师根据自己的科研项目或科研方向选题，没有从学生的专业特点、知识结构、兴趣爱好和特长考虑。

2.毕业设计论文化。选题往往偏大，内容易于空洞，文字叙述太多。

3.毕业设计过分依赖应用软件。精通一个专业软件固然不错，但不能系统复习所学课程体系。

4.基础理论和专业知识脱节。

三、实践与思考

笔者在青岛理工大学机械与汽车工程学院交通运输工程专业从事教学和科研工作，该专业立足于汽车运用的传统优势，依托学校机械工程、管理工程等优势学科以及新兴的交通运输工程学科，使学生系统掌握机车构造、检测、维修以及客货运输组织的知识和技能，形成“工管交叉、软硬结合”的专业特色。该专业学生前两年所学的通识课程、学科基础与专业基础课程和本学院机械专业的学生共用一个教学平台，学生花费了大量时间学习了大量的机械、力学、电子、计算机编程的课程，具备了扎实的基础理论知识。据笔者观察，进入三、四年级后，随着专业课的开设，专业课和基础课衔接不够紧密，甚至出现了脱节的现象。基础课教师与专业课教师之间缺乏有效沟通，任课教师主要将精力放在自己所教的课程的内容上，而没有更多地考虑所上课程在整个教学体系中的地位和作用，也没有及时向学生说明该课程在整个教学系统中的地位和作用。结果就是学生学习的主要目的是为了应付考试，学习了很多课程，但不知道这些课程之间的内在联系。

为了解决上述问题，笔者试图通过毕业设计这个教学实践环节，选择合适的题目，让学生通过毕业设计系统复习、总结所学的主要课程内容，结合工程实际，提升解决问题的科研素养。

凸轮挺杆机构是车辆内燃机的重要机构之一，凸轮挺杆副的失效形式主要是点蚀、胶合和磨损，所有这些失效形式都与该运动副的润滑状态有关，所以研究凸轮挺杆副的动压润滑机理，对于合理设计凸轮挺杆机构、降低机构因摩擦等原因而失效有重要的理论意义。凸轮挺杆副由于其恶劣的工作条件，接触载荷、卷吸速度及接触表面曲率半径都随时间做剧烈的變化，故其在工作中处于非稳态弹流润滑状态，能形成弹流润滑。[3]鉴于交通运输专业大四学生所学课程的实际情况，在毕业设计的选题时，对实际的凸轮挺副结构和工况做了简化，将其简化为偏心轮机构，润滑液为牛顿液体，研究其在某一瞬时的等温动压润滑。

如图1所示的凸轮偏心轮运动副，为了研究运动副之间的润滑特性，需要对机构进行运动学分析和动力学分析。首先建立动、静两套坐标系统：研究润滑使用的动坐标系xoz以及确定偏心轮位置的静坐标系x′o■y′。

为了得到润滑模型直观的等价模型，先对机构进行运动学分析。令动系原点在静系中的位置为x′■，y′■，由图1可得x′■=-esinφy′■=R-ecosφ

则动系原点在静系中的速度为

u■=■′■=-eωcosωtv■=■′■=eωsinωt

偏心轮a上与o点重合点记为o■，其绝对水平速度分量和垂直分量易得u■=ω（R-ecosωt）v■=eωsinωt

挺杆b上与o点重合的点记为o■，其水平速度分量为0，垂直速度分量由瞬心法得到v■=eωsinωt。

综合上述各式，利用理论力学中的绝对运动、相对运动和牵连运动的关系，可得出动系中两表面的速度为

u■=u■-u■=ω（R-eωcosωt）+eωcosωt=Rωu■=u■-u■=0+eωcosωt=eωcosωt

v■=v■-v■=eωsinωt-eωsinωt=0v■=v■-v■=eωsinωt-eωsinωt=0

于是，从润滑角度来看，图1等价于图2。

挺杆的行程为s=（R-ecosφ）-（R-e）=e（1-cosφ）=e（1-cosωt），然后对偏心轮机构进行动力学分析，在偏心轮运动过程的任意瞬时，偏心轮挺杆副间的作用力由弹簧力p■和惯性力p■组成。设初始载荷为w■，弹簧刚度为k■，偏心轮宽度为L，则弹簧力为p■=w■·L+k■·s。

設弹簧质量为m■，挺杆质量为m■，其他关联件质量为m■，那么惯性力为p■=（■+m■+m■）■，于是沿接触线方向单位长度上的载荷为w■=■+■=w■+■+（■+m■+m■）/L

从数学上来讲，弹流润滑理论研究的是一个非线性系统，需要联合求解雷诺方程、弹性变形方程、载荷方程、粘压方程和密压方程。求出运动副之间油膜的压力分布和油膜厚度分布，用以指导机构设计，使其运动时可以有效地形成弹性流体动压润滑。

雷诺方程为■■■=12u■

油膜厚度方程为hx=h■+■-■■px′ln（x-x′）■dx′

粘压方程、密压方程、载荷方程及各变量含义参见文献[4]。

难点是求解雷诺方程，它是一个二阶微分方程，首先引导学生如何解微分方程，这就自然联想到高数中的微分方程的解法，然而在实际工程中，只有极少数的微分方程有精确解，绝大多数的微分方程无法获得精确解，因此只能诉诸数值方法，借助于计算机编程，求出满足一定精度的近似解。首先把求解域剖分，形成0，1，2，…，n等节点，用有限差分法把雷诺方程离散化，在每个节点上可以建立一个有相邻节点压力构成的线性方程，那么所有节点上的压力方程就可以构成一个线性方程组，这样问题就转化为如何求解线性方程组，就把抽象的理论问题转化为工程实际问题了。

把雷诺方程变形为■ε■=12u■，用中心差分离散方程左端项，用向后差分离散右端项，得到■ε■p■-ε■+ε■？摇p■+ε■p■=

■（ρ■h■-ρ■h■），（i=1，2，…，n-1）。

求解方程组有直接求解和迭代求解等方法。鉴于本科生的实际情况，毕业设计中让学生在划分求解域时取数量较少的节点，使用直接求解代数方程组，把所求结果经过松弛迭代若干次，当结果满足一定的收敛判据时，即可作为可以接受的近似解。通过这种方法，求出每个节点上的压力和油膜厚度，然后借助于专业绘图软件Origin，绘制出压力和油膜厚度曲线，为后续理论分析提供依据。

通过此次毕业设计，把大学四年所学的高等数学、线性代数、理论力学、材料力学、计算机程序设计、机械设计、汽车构造等基础课、专业基础课和专业课有机联系起来，使学生在完成毕业设计的过程中，重新梳理了所学的课程体系，深入理解了课程之间的前后关联和相互关系。

四、结语

根据学生所学专业的实际情况，合理选定毕业设计题目，使学生通过毕业设计，系统复习了公共基础课、专业基础和专业课的相关内容，加深了学生对整个专业课程体系的认识与理解，明白了课程之间的关系，初步学到了解决工程实际问题的思路和方法，培养了基本的科学研究素养，为以后从事科研工作打下了一定的基础。通过这种系统的训练，激发了学生的学习兴趣，提升了学生的专业综合素养，增强了学生在新工科背景下的竞争能力。

参考文献：

[1]王武.工科毕业设计问题及路径选择[J].湖北第二师范学院学报，2018，35（2）：97-100.

[2]冯志焱，等.在毕业设计环节培养工科学生创新能力的思考与实践[J].榆林学院学报，2017，27（4）：106-108.

[3]杨沛然.流体润滑数值分析[M].国防工业出版社，1998.

[4]王静.偏心轮机构的热弹流润滑及任意卷吸速度方向的椭圆接触表面凹陷现象研究[D].青岛建筑工程学院，2001.

Thoughts and Researches on the Design of Undergraduate Graduation Projects under the Background of Emerging Engineering Education

—Taking Transportation Major of Qingdao University of Technology as an Example

WU Feng，KANG Guo-xiang，SONG Nian-xiu

（School of Mechanical and Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，

Qingdao，Shandong 266520， China）

Abstract：Starting from deep analysis of some existing problems found in the Undergraduate Graduation Projects area，the author did extensive researches and shared many valuable insights on areas including curriculum configuration for undergraduate in the engineering schools，integration of theory learned in classes and engineering in reality，and ways to improve both the research and overall capabilities of students graduated under the background of Emerging Engineering Education.

Key words：Emerging Engineering Education;graduation project design;curriculum configuration;research capability