基于任务驱动的机械综合设计能力培养

摘  要：随着科技革命和产业变革加速，人才竞争日益激烈，作为新工科重要专业改革项目中的机械类工程人才培养的需求更加迫切。以设计为主线、注重综合和设计能力培养的机械设计类课程，在构建本科生专业知识的完整体系结构中占有重要地位。本文在分析机械设计类教学现状的基础上，进行基于任务驱动的机械综合设计能力培养尝试，从设计任务导向入手，将机械设计理论教学与实践教学有机融合，在加强基础设计理论学习的同时紧密结合工程问题的解决需求，在工程设计任务实现的过程中综合所学理论和技能，开展工程设计能力的培养。结果表明该方法有利于激发学生的自主学习和创新意识，培养和提升机械综合设计能力。

关键词：任务驱动;机械设计;本科教学;工程教育

中图分类号：G642       文献标识码：A

概述

在新一轮科技革命和产业变革加速、综合国力竞争愈加激烈的大背景下，人才的作用举足轻重、竞争日益激烈，要能够在世界经济政治复杂的变化中不断发展进步，工程教育起着重要的作用。科技和产业的变革，使得工程教育不仅面临构建工科人才培养新体系、模式的要求，同时面对需要推出工科人才培养新理念、高质量的挑战。制造业作为国民经济重要的基础支柱产业，对产业人才的需求更为迫切，机械类专业作为一个涉及面众多的基础学科，为机械工程、动力工程、航空航天等提供基础，被列为新工科19个专业改革项目中，机械类人才培养对于新工科建设和满足产业需求有着非常重要的影响。训练和培养具备分析、解决工程实际问题能力和创新意识的人才，是机械类工程教育的重要任务。

1.机械设计类课程特点

从产业市场和机械专业本科人才能力认证的要求来看，机械类人才培养的重要内容是要培养学生掌握一定的工程专业知识，能够针对较为复杂的机械工程问题进行分析研究、方案设计、工程设计，能够在设计过程中开发运用现代设计软件、工具等完成机械系统设计，同时具备一定的创新精神。

机械设计类课程是机械类专业本科教育中重要的基础理论教学和实践教学环节，国内工科学校的这类课程基本上是以《机械设计》和《机械设计课程设计》为主。课程的特点是以设计为主线、注重综合，与实际问题结合紧密，在设计和创新能力培养上具有明显的优势。在理论课程中系统学习机械零部件设计基础知识、基础理论，在实践环节注重综合知识运用能力和设计技能的培养。

课程理论与实践结合在提升学生机械设计能力与工程综合素质，构建其专业知识的完整体系结构中占有重要地位。对于学生形成正确的设计思想、掌握机械设计方法、培养综合设计能力起着举足轻重的作用。如何在打稳根基的同时激发学生的创新意识，使得创新思维培养和设计能力提升齐头并进，是机械设计类课程建设和改革的关键。

2.任务驱动的机械综合设计能力培养思路

2.1现状和问题

传统的工科本科机械设计类教学过程中，《机械设计》和《机械设计课程设计》是两门独立的课程，《机械设计》主要针对设计基本理论和方法进行理论知识教学，重点学习通用机械零部件的基本知识和主要设计方法，《课程设计》进行设计实践教学，完成中等复杂程度的机械传动装置的设计。

目前教学过程中存在的问题主要表现在两个方面：

1）学生工程意识弱。受以往学习经历、方法和教育教学理念的影响，近些年来本科学生的工程意识普遍偏弱，对工程问题认識欠缺。绝大部分学生没有或很少接触、关注工程设备设施，对生活中常见的机器、设备中的机械系统也了解甚少，工程实际需求和思维方式急需加强引导;

2）两门课程在内容和方法上相关性高，分别开展教学活动使得学生在两个阶段的学习中存在对学习对象认识不清、方法不能灵活应用，基础知识不扎实，应用中技术过程和工艺方法不熟悉等问题，影响设计质量和设计能力的培养和提升。这种设置方式主要是基于历史传统，相比于欧美的机械工程类专业，在课程的设置和内容方面，存在着较大的不同。

2.2任务驱动机械设计综合设计能力培养思路

任务驱动下的机械设计综合设计能力培养，是以目前机械设计课程和机械设计课程设计为基础和依托，探索理论与实践的进一步有机融合的教学方式，在掌握基础知识的同时，加强综合运用和设计能力的培养。主要的思路是：

从设计任务导向入手，由任务需求出发，分析明确设计任务要求，带着问题开展学习和设计工作;在加强基础设计理论学习的同时紧密结合工程问题的解决方法的探索，在工程设计任务实现的过程中及时综合、灵活运用所学理论和技能，完成设计工作;熟悉工程设计各阶段的特点，强化工程设计的能力培养。搭建引导、鼓励、自主进取的教学环境，使学生能够掌握设计理论及方法，有效针对工程实践中所遇到的设计问题进行分析并解决问题，提升学生的创新能力和成就感，有效提升学习效果。

采取的主要技术路线为：

1）选择工程设计问题，分析确定机械系统设计任务要求;重点引导分析设计对象、应用环境条件、主要技术指标，从使用者的角度去分析问题，体会需求。

2）分组选择设计任务要求，进行针对设计任务的方案选择和设计;从机械系统的基本组成出发，提出可行性的方案，分析确定。

3）在机械基础零部件设计理论和方法学习过程中，针对设计系统方案中所确定的主要零部件进行设计和计算，保证可靠的工作能力。

4）应用现代设计工具，进行主要零部件设计;包括非标准件的设计和标准件的选型，设计中应特别注意零部件之间的装配接口设计和匹配关系。

5）机械系统整体装配结构设计，装配过程中出现问题的调整和改进，零部件设计的修改和完善。

6）设计文档编写及结果完成。

3.培养实践示例

设计任务：专用半自动三轴钻床钻头驱动装置设计

基本任务描述：此装置为专用半自动钻床中的钻头工作部分。三个钻头以相同的切削速度做切削主运动，切削孔位置呈三角形布置，工件几何尺寸、切削过程中工作载荷、工作条件等详细设计要求参数见参考文献[3]（第三部分设计任务七）。因篇幅所限，本文重点给出设计结果，详细设计过程及计算分析内容略。

4.结论

工程机械类本科人才培养的重要目标之一是要培养能够针对复杂的机械工程问题进行分析研究、运用基础知识、设计工具实现工程设计的能力，机械设计类课程是设计能力培养的重要环节。从设计任务导向入手，将机械设计理论教学与实践教学有机融合，在加强基础设计理论学习的同时紧密结合工程问题的解决，在工程设计任务实现的过程中综合所学理论和技能，实现工程设计能力的培养。从方案构思、分析计算、设计实现的完整设计过程的学习和工作实践，有利于学生掌握设计基础知识、有目的和针对性的进行知识学习和灵活综合运用，有效的培养和提升机械综合设计能力。同时针对工程实践中的设计问题进行分析并解决问题的教学思路，有利于建立创新、引导、鼓励学生自主进取的教学环境。

参考文献

[1]  国务院.国发[2015]28号.国务院关于印发“中国制造2025”的通知[Z].国务院，2015

[2]  中华人民共和国教育部官方网站.新工科建设复旦共识，教育部，2017.4.11

[3]  王之栎、王大康，机械设计综合课程设计[M]，机械工业出版社，2007.8

[4]  朱立达、巩亚东、于天彪 ，新工科视域下机械类创新人才培养模式探索与思考[J]，高教学刊，2020（15），31-36

[5]  王玲玲、富立、胡晓光、段海滨，工程项目及问题驱动的导航方向实践课程教学探讨[J]，实验室研究与探索，2018，（6）.153-157

作者简介：马纲，北京航空航天大学机械学院机械设计系，副教授。