机械原理课程设计教学改革综述及探讨

2020-11-09安军汪建晓陈就范劲松

高教学刊 2020年30期

安军汪建晓陈就范劲松

摘要：在分析研究国内机械原理课程设计教学现状的基础上，结合本校的实际教学，对现有教学方式及存在的设计题目类型单一、手段落后、周期短时间紧、模仿设计以及缺乏团队合作等问题进行了分析讨论，归纳了主要的教学改革方法和内容。文章最后从师资队伍要求和学生成绩评定两個方面对教学改革工作做了进一步分析和探讨。

关键词：机械原理;课程设计;教学改革;综述

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2020）30-0134-04

Abstract： Based on the analyzing and studying of the teaching status about the Mechanical Principles course design in China， combined with the actual teaching program of our university， this article analyzes and discusses the present teaching methods and the existing problems， such as less types of design topic， backward methods， short time cycle， imitation design and lack of teamwork. The main methods of teaching reform and contents are summarized. At the end of the article， the teaching reform is further analyzed and discussed from either the requirements to teacher and evaluation of student performance.

Keywords： Mechanical Principles; course design; reform in education; summary

一、概述

机械原理课程设计是高等院校机械类及近机类专业的一个重要教学实践环节，是学生第一次较全面机械设计方面的初步训练，为学生从事机械产品的开发和创新设计打下必要的基础。其核心是对机器的机械系统方案和机构方案进行设计，直接决定机械系统设计的质量，是机械设计中最具有创新力的地方[1-2]。本课程设计的内容主要包括两个部分：第一部分为机械系统的运动方案设计，要求学生对常用机构进行组合或创新设计，实现简单机械系统的功能需求;第二部分为机构尺度综合，对机械系统中指定机构进行运动分析和动态静力分析[3-4]。

在大量查阅国内公开发表的机械原理课程设计教学改革论文的基础上，对现有的教学方法及改革成果进行了汇总，对其中比较有代表性的成果进行了梳理、归纳和探讨，抛砖引玉，为大家开展相关教学改革提供有益的参考和借鉴，以期达到提高教学质量、更好地培养适应新时代国家和社会发展需求的创新型工程人才的目标。

二、国内现状及存在的不足

（一）现状

从现有的国内资料和我校现状来看，机械原理课程设计的时长一般为1-2周，大多安排在机械原理理论课程教学的学期末集中进行。传统的教学方式主要为：在课程设计开始时，教师对设计内容进行集中讲解，布置设计任务及要求，下达设计任务书;学生参照指导书进行机构组合，拟定运动循环图，按照要求进行相关的设计计算;利用解析法对机构进行运动分析及尺寸设计，并利用计算机编程得到运动分析结果;最后画出功能系统图和机构运动简图、并利用图解法对一些构件如凸轮等进行设计;简单答辩后上交设计资料，教师评分。在整个实践环节实施过程中，教师主要负责解答学生遇到的一些问题和督促检查学生的设计进度，学生按步骤和程序进行设计。这种传统的人才培养模式，在历史上曾发挥过重要作用[5]，但随着产业的转型升级和对创新型工程人才需求的提升，已不能适应社会的需求。

（二）存在的不足

1. 设计题目类型单一陈旧

教师根据指导书指定设计题目，多为一些加工型机械或者机床类设备的主传动机构[3-4]，多数情况下一个班甚至全年级共用几个题目，同一个题目之间只是设计参数略有不同。传统的题目主要有：牛头刨床[6]、平板印刷机和压力机等，上述题目有部分和学生实际生活完全脱节[3]、有部分是已淘汰或即将被淘汰的机械，题目类型单一陈旧[1-5，7-11]，学生创新性设计的空间较少，积极性不强[2，9]。由于设计题目比较成熟[3-4]，多年不变[12]，在学生之间甚至网络上都有很多现成的资料可供参考，不可避免出现雷同或抄袭现象[6-7，13]。其设计思路和模式比较程式化，仅通过对指导书翻书查表[3-4]，按部就班地就可以完成设计任务。

2. 设计手段落后，缺乏设计验证环节

对于机构运动尺寸确定、机构运动分析及动力分析等方面的设计，学生仍然采用图解法或解析法[3-5，9-10，13-15]。为了避免抄袭，大多仍用手工绘图和手写设计说明书的形式，设计手段落后[8，11，14-15]。图解法精度太低已不能满足现代机械设计要求[14]，解析法对学生的理论分析要求比较高，并需要借助计算机编程进行分析[14，16]，手工绘图和理论推导花费学生大量的时间和精力，关键还缺少最重要的环节——利用现代设计手段对设计方案进行可行性验证和分析[9]，造成学生对设计质量好坏没有清晰、定量的标准，不利于培养学生全局观和整体意识。

3. 模仿设计/参考设计，不利于培养学生的创新能力

本实践环节的核心是机械系统方案和机构方案设计，由于已有现成的教师或者指导书推荐的机构形式及其组合，学生所需做的工作就是按照自己的参数进行简单修改，属于一种系统方案和机构方案已定的模仿设计[4，8]或参考设计[2]。在整个设计过程中，受已有设计方案潜移默化地影响，思维模式被固化，很难锻炼学生的系统设计能力和创新设计能力。

4. 设计周期短时间紧，学生没有足够的时间反复思考完成设计

创造性设计工作是一项艰苦的脑力劳动过程，不可能一蹴而就，需不断地反复思考修改[2]。所以设计需要足够多的时间去查资料、构思及修改，反复应用理论知识以及现代设计手段进行设计、评价和验证。而课程设计工作集中安排在1-2周内完成，要在这么短的时间段内完成各项设计任务本来就非常困难[3-4，7，10，13，17]，有时学生还需要准备课程的复习考试，因此他们不可避免会压缩最重要也是最具创新性的方案构思和机构选型等方面的定性分析工作，使课程设计内容明显缩水[3，7]。

5. 单打独斗为主，缺乏团队协作精神

在国内现有的教育教学模式下，在大学四年里，许多高校学生不管是完成课程作业还是做课程设计、毕业设计，几乎都是单打独斗，普遍缺乏团队协作、沟通交流能力方面的有效培养和训练[5]。

三、教改措施和方法

许多学校根据生源的具体情况和自身教学的实际要求，提出了许多各具特色的教学改革方案，通过对现有的文献进行梳理和归纳，教学改革的内容主要有：

（一）改革设计题目

设计题目改革的常见方式有：1. 沿用原来的教学思路，改革力度相对较小，主要通过对传统的题目提出更高设计要求[5，18]，提出一些新的题目以增加题目的类型和数量[2，5-6，8，11-12，17]，按专业方向进行选题[1，4]等方式对题目进行改革;2. 完全改变原有的教学思路，改革力度相对较大，将题目分为创新型题目和传统型题目[17] （自主选题和指定题目[3，13，19]），学生可以根据自身实际情况在以下几个方面[1，5，7-8，12，17，20]自由选题：指导书中的传统型题目、教师科研项目、机械创新设计大赛题目、创新创业项目以及挑战杯的拟参赛题目等。上述两种方式都在不同程度上给予学生自由选择的权力和创新设计空间，有利于将模仿型设计转变为创新思考型设计，提高教学质量和学生设计积极性。

（二）延长或者分散设计时间

通过延长或者分散课程设计时間的方式对设计时间进行了调整，让学生有比较充分的思考和设计时间，有利于学生设计创新。具体来说主要有以下几种方式：1. 提前几周布置题目[11，17-18];2. 采用先分散后集中的方式，将设计分散到机械原理课程教学的整个学期，最后才在设计周集中进行[3，5-6，10，14，19]，并适当调整机械原理理论课的教学安排，以适应课程设计进度的要求;3. 提出将机械原理、机械设计及其两个课程设计综合到一起考虑，或者把两个课程设计有机整合在一起进行教学[11，16，19-20]，以便将机械的原理方案设计与执行机构、传动机构的设计有机结合，将机构的运动设计和结构设计有机结合，加深学生对机械整机系统设计的认识，提升学生设计的全局观和整体意识。

（三）设计手段的改革和提升

引入现代的设计手段和方法，提高设计效率，通过对设计进行不同程度的仿真和验证，培养学生的设计全局观和对设计质量的基本定性分析。主要方法有：1. 采用SolidWorks、UG和PRO/E等设计软件，构建机构的三维模型，并通过动态仿真[1，10，16-17，20]完成设计分析验证;2. 利用ADMAS或者ANSYS等分析软件进行机构的动力学或有限元分析[3-5，8，14-15，18]，完成设计分析验证;3. 利用VB、C/C++、MATLAB等编程实现机构的动力学分析[1，6，10，20]。

（四）分组形式及考核方式的改革

为培养学生团队协作、沟通交流的能力及相关的工程素养[5，12]，按照自愿和适当调配的原则对学生进行设计分组。总的来说，在分组上每个学校都各有其特点[4-5，7，10，12-13，18-20]，一般3-5人一组为宜，创新型题目推荐强强联合的自由组合，传统型题目可采用教师分组或自由组合适当调配，学生还可采用独自完成的方式。

在成绩评定上各具特色[3-4，9-10，19]，在传统的平时成绩+设计成绩+答辩成绩的基础上，对成绩进行了细化，如选题成绩+平时成绩+设计成绩+答辩成绩，特别将平时成绩进行了分解如考勤、网上活跃度、方案答辩和软件应用能力等，有些还采用小组贡献度的方式对小组成员的成绩进行评定。不管采用何种方式，都是期望能公平公正地对成绩进行评定，尽力做到在学习态度、创新点、中间过程和最终成果上进行相对全面的考核和评价。

四、对现有教改方式的一些思考

（一）师资队伍的要求和培养

与传统的教学方法相比，教学改革对教师提出了更高要求[10，14]，主要包括以下几个方面：1. 加大了教师的工作量，设计时间的延长，设计题目类型和种类以及设计方案的多样化等方面都需要指导教师投入更多的时间和精力，一般情况下工作量的考核计算并没有因此而增加，关键问题还在于花费教师很多时间和精力的教学改革对职称评定不一定有作用;2. 对教师的能力水平提出了更高要求，创新型选题的范围广，学生提出的方案变化无常，有效分析及解决各种方案和问题，正确引导学生以达到有效训练学生的目的，对教师自身的专业理论知识、实际工程经验及计算机应用能力都提出了挑战。

国内高校包括我校在内的一些应用型本科院校，年青教师现在的入校门槛基本都要求博士毕业，而大部分年青的博士都是从学校到学校，缺乏在企业工作的实际工程经验[7]，存在能否保证改革后的课程设计顺利完成，是否胜任这些高要求的指导工作等问题。因此对于工科专业来说，需要培养一批具有较强实际工程能力的年青教师队伍[7]，同时通过工作量考核和职称评定等一系列措施来保护和激发教师，特别是青年教师教学改革的积极性，这些都对学校的管理层面提出了要求，也是许多高校必须面对和思考的问题。

（二）考核方式的改革

考核方式的改革是课程改革的一个重要组成部分，和课程改革是相辅相成、互相促进的，将直接影响学生的积极性、课程教改质量、创新性以及教改能否继续开展的一个重要因素，课程设计的考核方式不同于一般的课程考核，人为影响因素较多，更需要公平公正公开，因此更需要制定一个相对完善的考核机制。

在制定考核方式时要考虑的因素比较多，既有宏观的因素也有微观的问题，其中还不乏存在矛盾和冲突。如何相对准确地评定学生的工作量和创新点？分组评定时如何按照贡献率来评定同组同学之间的工作量和成绩？创新型题目和传统型题目之间在成绩评定时是否要区别对待？是否需要采用不同的评分标准？平时成绩除了集中时的考勤和阶段检查以外，还需要考虑哪些因素？如何评定网络活跃度？等等都是需要根据各个学校的具体特点，在教学实践中继续探索和研究，从而得到一个相对定量化、易操作的评分方式或考核标准。

五、结束语

在目前国内积极开展新工科建设和工程认证的背景下，如何做好工科专业的实践环节是一个急需探讨的问题。机械原理课程设计是一个涉及多方面知识的重要教学实践环节，在培养学生分析问题和解决问题能力、提高设计创新意识、增强创新设计能力等方面具有重要意义。本文在收集1998年以来国内公开发表的相关教研论文的基础上，结合本校实际情况，对存在的问题和主要的教学改革方法进行了梳理和总结，对进一步做好教学改革进行了分析和探讨，以期达到提高教学质量、培养适应新时代要求的创新型工程人才的目标。

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