全程体认式机械设计实践教学体系的重构

2021-11-21刘文光贺红林

南昌航空大学学报（自然科学版） 2021年3期

刘文光，贺红林，吴晖

（南昌航空大学航空制造工程学院，南昌 330063）

引言

当今高等工程教育教学改革十分重视学生的创新实践能力的培养。然而，从国内高等工程教育的现状来看，学生的创新实践能力培养却是薄弱环节[1-3]。虽然有很多的高校进行了多种不同形式的探索，也取得了一些成效[4-7]。但总体而言，各大高校所进行的创新实践教学成效并不尽如人意，学生的创新实践能力甚至有弱化趋势。

机械设计是高等学校机械类专业学生学习机械工程基础理论的核心课。课程以传授机械设计理论和设计技术为主，其特点是实践性强。大多数高校的机械设计课程设置了完整的理论、实验和课程设计环节，换而言之，机械设计的实践教学成效对学生创新实践能力的培养影响巨大[8-10]。但是，传统实践教学体系在培养学生的创新实践能力方面存在很多缺陷。比如，机械设计选题单一、实践内容碎片化，使得学生难以把握机器设计全局；机械设计实践教学理念比较落后，使得学生难以融通机械类专业所学的专业知识；机械设计实践选题脱离社会需求，使得学生所学设计软件无法对接企业产品研发手段[11-12]。也就是说，传统的机械设计实践环节过于独立，与其它专业课实践之间缺乏统一的教学理念。因此，若再不改革传统的机械设计实践教学体系，其结局必然是课程的课内、课外设计实践与社会需求继续割裂，学生的创新实践能力难以得到显著的提升。

基于此，团队以创新能力培养为引领，讨论了机械设计实践教学体系重构的关键问题，分析了体系重构对大学生创新实践能力培养和课程建设的影响，并以机械类专业本科生为对象，开展了机械设计实践教学体系改革与实践，改革成果可为其他专业课程的实践教学改革提供有益参考。

1 实践教学体系重构的关键问题

按照科学知识的内在逻辑体系和学生认识能力发展的顺序，创新设计实践能力的培养需要遵循渐进形成的原理。因此，实践教学体系需考虑机械设计与其它专业课之间的先修关系，将社会需求与课外学科竞赛融入实践教学，重构一种全程体认式机械设计实践教学体系，如图1所示。

图1 全程体认式设计实践教学体系

全程体认式机械设计实践教学的最初理念旨在拆解立于机械原理课程设计与机械设计课程设计之间的无形壁垒，打通机械学科所学的相关专业知识[13]。因为传统的机械原理课程设计和机械设计课程设计是针对全然不同的设计对象推进各自进程，所以两者割裂使得相关学科知识无法融通，而且学生无法全面体验机器设计的全过程，更谈不上培养创新实践能力。如果要保证全程体认式机械设计实践教学体系的有效性，必须解决以下几个关键问题：

1）优化课程教学大纲。因为不论是课程教材或参考书的选用与编写、课程授课计划的制订，还是课程成绩的考核、课程教学检查及评估，都是以教学大纲为依据的，所以要贯通机械原理和机械设计的实践教学环节，首要任务是优化课程教学大纲。以修订教学大纲为契机，在机械设计的课内实验增设专门的三维上机实践，旨在引导学生利用三维设计软件开展机械设计实践。与此对应，融入全程体认式设计理念，选择某一典型机械为主线详细介绍机器设计的全过程，编写机械设计实践与创新教材。按照优化后的教学大纲开展实践教学，不仅统一了机械原理课程设计和机械设计课程设计的选题，而且强化了三维设计软件在机械设计实践中的应用。学生通过一系列的课内实验、上机实践、课程设计和学科竞赛等实践，不仅体验了机器设计的全过程，而且锻炼了创新实践能力。

2）拓宽实践训练选题。机械创新设计大赛的特色是“实物参赛、机电结合、系统训练、创新应用”，它在促进高校创新实验室建设、拓展实践教学内容的深度与广度、培养学生创新精神和实践能力、提高学校教学水平等方面具有积极作用，已成为国内最具影响力和培养学生工程实践能力、综合素质效果显著的大学生竞赛项目之一。根据优化后的教学大纲，机械设计上机实践和机械创新设计大赛纳入课程最终考核。利用上机实践环节可以有机地串接机械原理课程设计、机械设计课程设计和机械创新设计大赛，拓宽机械设计实践训练平台。指导教师结合机械创新设计大赛的主题，开展机械原理和机械设计课程设计时，精选一批面向工程实际，既能体现基础性、典型性特点，又具有综合训练性的设计题目供学生选择。这样不仅保证了机械设计实践教学内涵的丰富性、可操作性，又使实践教学内容饱含时代气息、永富新意。因此，重构的机械设计实践教学体系，不仅实现了教学与科研的深度融合，而且能激发学生的学习兴趣，提高了机械设计实践教学的成效。

3）强调三维设计软件的应用。传统的机械设计实践训练，以纯手工绘图方式为主，即使采用计算机辅助设计，多数也局限于计算机二维绘图。这种设计手段无法满足现代企业产品研发需求。教学大纲中增设机械设计上机实验环节，不仅在设计手段上强调三维设计软件的应用，而且重视学生应用和掌握计算机技术能力的培养。这样，不论是机械原理课程设计、机械设计课程设计，还是机械创新设计大赛的产品设计，学生从创新性原理方案的构思、创意机械结构的设计、创新结果的表达到产品虚拟样机的装配，都能采用三维软件完成设计对象。这种全程体认式设计实践可使学生从封闭的教室走进开放的实验室，将实践训练回归到工程设计上来，可以给学生提供实用、贴近工程实际的训练环境，较好地解决传统机械设计实践训练脱离工程实际的问题。

4）健全实践教学评价制度。良好的实践教学体系必须具备健全的课程评价制度，因此重构后的机械设计实践教学需要加强设计选题、任务书下达、过程指导、设计验收和考核评定等环节的管理，让过程管理在最终成绩中有所体现。选题方面，结合机械创新设计大赛主题遴选课程设计题目。指导教师根据遴选的设计题目拟定课程设计任务书，按照同组同题的方式下达任务。每个设计任务由2～3名学生组成一个实践小组完成。但是，要求设计方案不同，每人完成1套设计资料（包括机构运动简图、机器的运动分析、机器总图及零件图、设计说明书等）。指导教师须严格要求学生运用三维软件完成机构和机器零件的三维建模，绘制机械零件的结构图。这种训练一方面可以锻炼学生的三维设计能力，另一方面可让学生从复杂的空间想象力中解放出来。评价设计结果时，指导教师需要遵循机械设计规范的一般原则，按国家有关标准严格执行，实行“学生设计、学生互审、老师批准”的三级审核制，改变传统“一书一图定结果”的评价制度，让学生有一个自我完善和提高设计质量的过程。

2 实践教学改革成效

2.1 打造了全程体认式机械设计实践教学特色

基于全程体认式设计理念重构的机械设计实践教学体系已经融入2011版的南昌航空大学机械设计教学大纲中。按照新的教学理念，课程大纲专门设置了8学时的机械设计上机实验环节以强化学生的三维设计能力，贯通课内实验、课程设计和机械创新设计大赛。融合全程体认式设计实践教学特色，2014年教学团队组织编写了《机械原理与设计综合实验教程》，该教程在南昌航空大学机械类专业近60个班使用，而且也一直被南昌航空大学的科技学院选作实践主教材。融入机械设计实践教学改革的最新成果，2018年团队重新编写了《机械设计实践与创新》作为实践主教材。机械设计实践教材的出版不仅反映了机械设计实践教学特色，而且对于实践教学模式的推广具有重要价值。

2.2 提高了学生的机械创新设计实践能力

机械设计实践教学的特色在于整机设计的全程训练，深化了学生对所学机构原理、通用零件的理解，巩固了学生的工程设计理论。实践教学体系着眼于训练学生观察、思考、分析、设计和体验设计问题，学生能切身体验整机设计过程，加深学生对设计内涵及其一般规律的理解，使学生在今后的设计中统揽机械设计的全局。经过近10年的持续改革，受益学生的机械设计创新实践能力逐年提升。近六年，南昌航空大学课外科技创新立项中，超过300多名受益学生获得课外科技创新立项，占受益学生总人数的30%以上。通过创新科技立项所孵化的作品，近200多名受益学生参加了机械创新设计大赛和三维数字化创新设计大赛，获省部级以上奖项的受益学生人数约占总人数的20%。近4届的全国大学生机械创新设计竞赛中，受益学生斩获了全国大学生机械创新大赛二等奖1项、一等奖3项。这些重量级奖项最能体现学生创新实践能力，也是机械设计实践教学改革取得成效的重要体现。

2.3 加速了机械设计一流课程群的建设

在机械设计课程实践体系中设立专门的机械设计上机实践，是国内高校在机械设计课程实践教学改革中的有益的尝试。以此为突破口，机械设计课程群不仅重构了机械设计实践教学体系，而且强化了学生的三维设计能力训练。这些有益的尝试和做法，在2014年的华东地区机械原理教学研讨会、2015年的全国机械原理教学研讨会和2016年的机械设计教学研讨会上进行了推广，使得南昌航空大学的机械设计课程建设得到了国内其他高校同行的夸赞。以实践教学体系改革为抓手，教学团队加强了机械原理、机械设计和机械设计基础三门公共课的建设，已经把南昌航空大学的“机械设计基础”建成为国家线下一流课程，而“机械设计课程”建成为江西省线上/线下混合式一流课程、江西省精品资源在线开放课程、江西高校“课程思政”示范课程、江西高校课程育人共享计划课程。正是在机械设计实践教学体系改革的推动下，加速了南昌航空大学机械设计一流课程群的建设。

3 存在的问题

重构后的机械设计实践教学体系在机械专业人才的创新实践能力培养中取得了一定成效，对于一般工科院校的机械创新设计实践教育也有很好的示范作用，但是要取得更好的实践教学效果并进行推广，还有一些问题尚需解决：

1）通过机械设计上机实践和机械创新设计大赛，打通机械原理课程设计、机械设计课程设计和课外学科竞赛有很多困难。关键是机械创新设计实践选题中，如何找到一个运动关系较为复杂，而且机械结构与传动线路又较为清晰、难度适中的设计对象是实践教学的难点。对于大多数同学可借助某一典型机械作为课程设计教学案例贯穿机械原理、机械设计的实践教学内容，但是对于少数动手能力较强的同学必须结合机械创新设计大赛自主选题完成机械设计实践。

2）机械创新设计大赛等课外科技竞赛虽然拓展了机械设计实践平台和丰富了设计实践选题，但是对学生的自主性提出了更高的要求，对指导老师的实践能力也提出了更高要求。而且全国机械创新设计大赛每两年举行一次，与机械设计系列课程对应的课程设计并非同步。因此，每年根据机械创新设计大赛遴选新的设计题目也是一大挑战。

3）企业应用的三维软件众多，而且各行业对设计软件的偏好也略有不同。在机械设计实践训练时选择哪一种三维设计软件，不仅要考虑社会需求，还要考虑学生的就业面向。所以，在编写机械设计实践教学教材时也面临三维软件选择的难题。

4）实行“学生设计、学生互审、老师批准”的教学实践评价制度，前提是学生具备一定的设计能力和具有公平公正的思想。然而现实情况是，只有极少部分同学能够达到这种要求。因此，在机械设计的课堂教学和课外实践训练中，必须加强学生学习动机教育，端正学生的学习态度。