新工科背景下工业设计专业机械设计基础课程教学改革探索

◇成都理工大学工程技术学院 徐一心 周洪祥 王振玉 吕中意

为适应新工科背景下应用型人才的培养需求，针对近年来本校工业设计专业机械设计基础课程的教学过程中突显出的各种问题，进行了分析和总结。从我校工业设计专业学生的学习特点和传统机械设计基础教学方法弊端入手，提出了激发学生学习积极性、提高综合运用知识能力、增强创新设计能力的教学方案和教学手段。以提升本课程在工业设计专业学生后续专业课程学习中的前导作用，培养新工科背景下具备更强就业竞争力的复合型人才。

在全球新经济模式和新产业革命的背景下提出的新工科，是对培养多元化、多学科融合、适应新产业需求的卓越工程科技人才进行的高等工程教育改革试探[1]。“天大行动”中提出的“问技术发展改内容”[2]，明确要求更新工程人才的知识体系，工业设计专业人才培养方案直接决定了本专业学生知识体系的形成及岗位竞争能力。在工业设计专业的人才培养方案中，机械设计基础课程是一门重要的专业基础课。其主要任务是让学生对常见机构、构件的组成和基本原理有初步了解，并掌握常用零件的设计方法，同时能够灵活运用到工业产品的设计中，满足原理和功能上的需要。该课程起到从基础课到专业课的衔接作用，并为后续专业课的学习打下基础，因此该课程的开设在整个工业设计专业培养方案的实施中举足轻重。

机械设计基础课程具有机构繁多、公式复杂、图表繁琐、概念抽象等特点，且传统的教学方式多以教师讲授为主，导致学生课堂参与性不高，知识掌握程度不理想。在新工科“问学生志趣变方法”的理念下，通过改革本课程的教学手段和教学方法抓住学生的学习兴趣点，提高课堂任务的参与积极性，提升学生的知识综合应用及创新能力已势在必行。

1 教学现状分析

1.1 近机类专业《机械设计基础》课程的生搬硬套

目前，本校承担工业设计专业机械设计基础课程教学工作的教师大多来自机械类专业，在教学大纲和教学设计上只是按照工业设计专业的课时要求在近机类专业的基础上进行章节的删减。工业设计专业大多沿用近机类专业使用的教材和授课课件，导致课堂中教师讲解零件、机构、构件等概念时举例用到的四冲程内燃机，讲解平面四杆机构基本特性时举例用到的牛头刨床，讲解轮系的应用时举例用到的汽车后桥差速器，在工业设计专业学生的前导课程中接触极少，导致学生在理解这些知识点时晦涩难懂。在平面四杆机构的设计、螺栓连接的强度计算、齿轮传动的强度计算、轴的工作能力计算等章节中使用到大量的计算公式，工业设计专业的学生很难将这些计算公式和整体产品设计联系起来，形成系统的工程知识体系，更难以综合运用知识以解决今后工作中的实际产品设计问题。

1.2 课堂理论知识满堂灌，缺乏学生参与

本校为西南地区理工类应用型高校，工业设计专业学生为理科生源招生，近年来高考录取分数线高于本科省控线约20分，学生普遍存在数理基础不扎实、逻辑思维不强的问题，但善于在实操中学习知识。工业设计专业学生所上的艺术设计类课程中多以教师布置设计任务或大作业的形式进行，课堂上以学生完成设计任务为主导，老师提供建议和指导，课堂开放性很强。对于习惯于以任务为驱动教学方法的工业设计学生，当接触到以教师满堂灌的概念、公式、原理时自然感到难以适应，更无法激起学生的学习兴趣。在近年来的教学中，已暴露出通过课堂理论知识讲授加机械设计基础课程设计的教学方式无法适应本专业学生学情。

1.3 教学手段单一，缺少与专业课的衔接

目前课堂教学使用的课件普遍比较陈旧，大多数机构案例动画多以机构运动简图等二维图形的形式代替真实三维图形，对于二维图形接触较少的工业设计专业学生在理解上会大到折扣。教师授课内容以传统的教材章节作为单位，章节之间缺少系统整合，极少将知识点与工业设计专业课联系起来，造成学生无法在后续课程中运用本课程知识解决实际产品设计问题。

2 教学改革内容及方法

2.1 修改教学大纲及教学内容

机械设计基础教学大纲依据《高等工业学校机械设计基础课程教学基本要求（多学时）》[3]和本校近年的教学实践，与工业设计专业的发展现状相结合制定而出。教学理论学时为36，实践学时为12。由于学时压缩，去掉了8个章节的内容。在教学内容的设置上以提高学生的机械认知能力为核心，进一步掌握相关机械原理。同时，对于学生后续课程在产品设计中可能会涉及到的间隙运动机构、弹簧、联轴器、离合器等，要求学生应当了解。而对于原理和校核计算中涉及的复杂公式推导、力学演算这些较难理解的内容从原教学大纲中去掉。常用机构和零件的结构和原理作为大纲中要求重点掌握的内容。

2.2 更新教学案例并与设计任务相结合

以提高工业设计专业贴合度，并结合学科前沿技术、民生热点产品为指导思想更改教学实例。淘汰传统的机械类机械设计基础课程中常使用的加工机械、包装机械等工业设计专业学生接触极少、较难理解的教学案例。增加更能反映民生需求、具有时代特点的产品实例，比如通过展示自拍杆、智能伸缩晾衣架、社区健身器材、网红小家电等，讲解简单的可调节、伸缩机构的结构组成、材料选择及机构结构对可靠性和机构形状的影响。这些案例贴近生活、简单易懂，按照从易到难循序渐进的过程逐渐建立起学生对机械结构的兴趣。同时，可以让学生对以上教学案例的实物进行拆解，在动手的过程中进一步加深学生对机构结构的理解和记忆。

在课程章节的学习过程中，针对具体的知识点，提出产品设计任务。例如，在平面四杆机构这一章中，教师先通过让学生观察机车车轮联动机构的动画，了解平行四边形机构的结构和力学特点。然后为学生布置“应用平行四边形机构的家用机械”设计任务，要求所设计的与日常生活相关的家庭用产品中必须包含平行四边形机构，并且结合设计类课程所学知识完成造型设计。任务实施过程中，学生3-4人为一组，每组选出一位组长，以组为单位完成设计任务，要求每位组员都提出一项设计方案，通过小组讨论选出最优作为本组最终方案，在最后设计产品展示环节，由组长陈述最终方案的优点。在本项目中，有的组设计了家用折叠梯子、伸缩晾衣架、窗户开启机构、简易踏步机等方案，其中如图1所示为学生所设计落地式可折叠晾衣架，应用平行四边形机构实现了晾衣架的展开和收缩，结构灵活小巧，折叠后不占空间。在设计任务完成的过程中，不断提升学生的学习成就感和对机械的兴趣，也提高了团队合作能力、增强将来的岗位适应能力。

图1 落地式可折叠晾衣架

2.3 使用现代信息技术完善教学手段

利用现代信息技术手段如三维造型软件、计算机辅助设计、虚拟仿真计算等，可以有效地将机器或机构的内部构造直观形象的展现给学生，还可以模拟从零件到整机的装配过程，启发学生的三维空间想象能力。

以讲解圆柱齿轮传动为例，其典型的应用为汽车手动变速器。通过拆解和装配手动变速器的各组成零部件可以让学生对圆柱齿轮传动的原理和传动的过程有更直观的了解。但是由于学时所限，无法安排充足的课时让学生在实验室完成手动变速器的拆装。为了解决以上矛盾，可采用CATIA等软件建立变速器的各零部件三维模型，基于坐标系完成各零部件的装配，还可实现手动变速器的运动仿真。在使用三维软件进行虚拟装配的过程中，学生如同亲临机器进行零部件的安装和拆卸，而且可以反复进行练习和思考，通过观看运动仿真视频理解变速器实现不同档位速度和力矩改变的过程。又如讲解凸轮机构从动件运动规律时，可以使用ADAMS软件建立不同凸轮廓线的凸轮机构三维模型，通过动力学分析得到推杆位移、速度、加速度的变化情况，在学生观察的过程中教师总结出推杆常用运动规律。通过采用三维软件的教学方式，将原本抽象、复杂的问题变得更具体、直观，学生的动手积极性和求知欲都得到了充分调动，学生对知识的记忆变得更加深刻。

2.4 加强学生实践教学和参赛力度

加强学生对理论知识的实践，通过课堂上教师设计的知识点针对性较强的设计任务，将理论应用到实践中，再鼓励学生走进实验室，进行模型制作和模型虚拟仿真，再次验证理论再实践，形成了循环推进式的实践教学。实现了“学中做，做中学”的知行合一。同时将课堂内的设计作品及实验室学生的操作情况一并纳入到期末成绩的考核中，构成更全面完善的考核机制，引导学生从只关注期末考试到注重平时成绩积累的转变。

鼓励工业设计专业学生或与机械工程专业学生组队参加校级、省级、国家级科技创新或工业设计大赛，以设计大赛作为依托，引导学生主动实践、自主深入学习。在近两年的各级各类赛事中，工业设计专业学生作品“新型外卖派送车设计”获得院级“苗子工程”优秀项目奖。2021年四川省大学生工业设计大赛中，学生作品“自走数控双边采茶机”、“自动进食器改良设计”、“新型可爬楼式电动轮椅设计”、“生鲜物流周转箱”等共计七件分别获得一等奖，获得二等奖、三等奖作品共计九件，实现了参赛数量和质量双突破。

3 结束语

通过结合工业设计专业特点，对《机械设计基础》课程的理论和实践教学进行优化整合，一切以学生为中心，培养满足“新工科”时代背景下的复合型人才。课程改革后，本课程及格率由2017级的84.2%到2019级的93.6%，提高了9.4%。学生对课程的教学评价平均分2017级为82.1分，2018级为87.3分，2019级为92.4分。可以看出学生对本课程的兴趣和认可度都有了很大的提高。目前在川开电气有限公司、成都爱迪迩工业产品设计有限公司等校外实习基地的工业设计专业学生受到用人单位的一致好评。通过机械设计基础课程教学改革，实现了学生知识掌握程度的提升，运用实践能力的突破，就业竞争力的增强三个环节的并举。