面向工程教育专业认证的机械设计基础教学改革研究

刘志强 胡朝斌

[摘           要]  随着机械类专业越来越多参与工程教育专业认证，机械设计基础课程被眾多专业设置为必修专业基础课。然而，传统的机械设计基础的教学设置重点是机构组成与运动原理、机械受力分析、机械强度设计等，偏重于机械的尺寸几何设计与力学分析的内容。这对机械类力学薄弱专业的学生学习带来了挑战。提出利用现代教育技术手段，结合计算机辅助图解法、CAD/CAE工具的方式，开展了教学改革与实践研究，取得了良好的效果。

[关    键   词]  工程教育专业认证;机械设计基础;教学方法;改革

[中图分类号]  G642                    [文献标志码]  A                  [文章编号]  2096-0603（2021）42-0190-02

工程教育认证对近机械类专业提出了综合考虑环境与可持续发展的前提下，基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题展开研究，并利用现代设计与分析工具，给出设计与开发方案的高要求。随着工程教育专业认证在众多近机械类专业的不断扩展，越来越多的专业培养方案将机械设计基础课程设置为专业必修基础课程，其包含“机械原理”和“机械零件设计”两部分内容。在培养近机械类工程技术人才的全局中，起到承前启后的作用，为学生学习后续专业课程打下必要的基础。

基于工程教育专业认证的要求，本课程将培养学生设计能力、创新能力、工程意识作为教学目标，通过理论教学和实践环节的递进融合，培养学生掌握机构的结构分析、运动分析、受力分析和机器动力学等方面的基本理论和基本知识，具有初步的机械方案创新设计能力。通过本课程的学习，学生具有运用标准、规范、手册和现代设计工具的能力，并掌握通用机械零件的设计原理与方法，为后续专业课程学习和今后从事设计工作打下坚实的基础。

然而，由于传统的机械设计基础内容的教学设置是面向机械类专业设置，重点是机构组成与运动原理、机械受力分析、机械强度设计等，偏重在机械的尺寸几何设计与力学分析的内容，这对近机械类力学薄弱专业的学生学习带来了挑战。特别是该课程的传统教学常以理论公式推导为主，对于近机械类专业的学生在认知和理解上有较大的障碍。为此，探讨如何在满足工程教育专业认证目标的前提下，对机械设计基础课程进行改革，使其适应近机械类学生力学计算知识薄弱的特点，仍然能增强学生的机械理论基础，提高学生对机械相关技术工作的适应性，并培养其开发创新能力。

一、基于计算机辅助图解法的机构设计与分析的教学改革与实践

机械设计基础内容中涉及机构设计（连杆机构、凸轮机构、齿轮机构）、机构运动分析（速度和加速度计算）、受力分析（力、自锁分析）、机械平衡等。目前分析机构问题主要采用图解法、解析法和实验法等常规方法。

由于图解法直观易于理解，一直是教学过程中重点介绍的方法。然而，传统的图解法求解过程中需要使用尺规作图工具进行作图求解，精度较差且仅能求解瞬时位置参数，在工程问题求解中应用受限。解析法虽然精度较高，但是其需要较强的数学基础和编程能力，这增加了应用的难度。实验法虽然直观，但是受限于机构尺寸和成本，应用同样有局限。为此本文提出在机械设计基础教学中引入计算机辅助图解法，用于机构设计与性能分析。也就是采用计算机辅助设计CAD理念，在CAD软件基础上二次开发图解法模块，可以综合计算机精度高与图解法形象直观的优点，便于学生掌握设计理论与方法，提高主观能动性。

在实践中，开发了基于NX三维设计软件二次开发的计算机辅助图解法进行机构创新设计与性能分析的插件，提供给学生使用。这样近机械类学生在学习过程中，既可以深刻理解相关基础理论和掌握机构设计、机构性能分析的方法。如图1所示，开发的计算机辅助图解法具备功能模块，包括机构设计、运动学分析、力学分析三个模块。

二、基于现代教育技术与CAD/CAE集成流程的机构设计与分析的教学改革与实践

为了适应网络在线教学的需求，针对近机类专业学生力学基础和知识面需求之间的矛盾，将现代教育技术（多媒体和网络）、数字化设计与分析方法（计算机辅助图解法、CAD/CAE）、网上虚拟实验、案例资源、课程创新设计与考核改革等相结合，开展了相应改革与探索实践。充分利用先进的现代教育技术与设计工具，改进教学内容和教学方法。

设计离不开工具，利用CAD成熟的设计工具包（IN-VENTOR和SolidWorks迈迪工具包，有轴、带轮、齿轮、轴设计工具）和CAE工具，使学生摆脱烦琐的计算工作，着重在分析设计参数对设计性能的影响分析、多种设计方案的优化比较，建立“设计一评价一再设计”的设计迭代思想。并利用CAD软件中的机械零件库，培养学生选型设计、类比设计、改进设计的能力。最后利用三维CAD模型生成二维图技术，培养学生对空间结构的想象与设计的综合能力。

在此基础上，开发的网络在线学习平台包括理论课程学习模块、计算机辅助图解法创新设计工具模块、CAD/CAE交互设计与分析模块和虚拟仿真实验模块。其中虚拟仿真实验包括：三维PDF的虚拟机构测绘实验技术、基于unity 3d虚拟现实的虚拟装配实验技术、基于CAD/CAE的机械创新设计与方案评价实验以及基于Dreamweaver的实验资源（机构运动模块库、案例库）。

三、结论

面向工程教育专业认证，通过对机械设计基础课程和相应课程设计的教学方法进行优化改革，螺旋渐进式组织开展案例式教学、设计性实验、项目式课程设计，开展课程基础内容与课程设计实践融合的“化整为零”法的贯通式的教学方式等实施，促进了近机械类专业课程间交叉融合。

参考文献：

[1]朱永梅，王黎辉，唐文献.基于OBE理念的实践课程目标达成度评价研究：以《机械设计综合训练》课程为例[J].教育教学论坛，2019，410（16）：203-205.

[2]刘志强，纪飞飞，王明强，等.基于NX/OPENGRIP计算机图解法的机构设计与分析[J].机械工程师，2016， 296（2）：9-11.

[3]王黎辉，刘志强，朱永梅.基于现代信息技术的工业设计专业“机械设计基础”教学改革实践[J].科教文汇，2016（3）：65-66，73

[4]午丽娟.基于工程教育认证的《材料成型设备及自动化》课程教学改革[J].教育研究，2020，3（11）：132-133.

◎编辑 鲁翠红