地方普通高校机械设计课程教学改革的实践与探索*

王庆楠

（怀化学院 物电与智能制造学院，湖南 怀化 418000）

引言

机械设计课程是高等院校机械类专业开设的一门专业技术必修课，该课程起到从理论基础到设计实践的承前启后作用。该课程以通用零件为学习对象，培养学生掌握机械零件的设计方法和规律，能够初步具备机械系统的分析和设计能力，为从事机械工程设计工作打下基础。该课程一般是行业性工科高校和重点综合性高校开设，是与实践联系比较紧密的设计课程，兼具理论性和实践性。

部分地方普通高校由师范、医学或农业等非工科院校建设发展而来，在工科课程的教学思路上处于逐步成熟的阶段。对于机械设计课程的教学常存在不同的观点。有些按照研究型大学的方法实施教学，容易忽视地方院校实际水平和应用型高校的属性[1]。有些强调技能培训，容易忽视完整知识体系的教育和学习，没有很好区分应用型本科高校和高职教育的差异。因此，在机械设计的实际教学活动存在一些不足之处。笔者以在地方普通高校从事机械设计课程教学的经验，就课程教学开展探索性的改革实践和研究。

一、地方普通高校机械设计课程的特点

地方普通高校定位为应用型高校，服务地方区域经济和社会发展[2]，对学科门类进行扩展，推动了工科专业的发展。但是，一些地方普通高校在课程的定位上往往以重点高校为参照，走学术型的精英教育，强调理论型知识的传授，并且有的地方普通高校的前身并不是工科院校，在教学上也会惯性地沿用文理科的思维惯性，类比数学、物理和力学。在授课方式和教学内容上，一些地方普通高校以传统的讲授授课为主，教学过程中把注意力集中在公式推导和演算，而且以此作为期末考试的重点进行考核。这缺少知识应用的工程情境，单纯地讲授基本原理，使得课程抽象、内容单一。而部分地方普通高校学生的逻辑思维和数学抽象能力不够强，学生对知识的实践应用价值不了解[3]，难以掌握机械设计课程内容的重难点。比如脱离轴系和传动系统，单纯讲轴的设计，将成为纯粹的数学解析，会导致学生将高中的学习方法套用在机械设计课程上，关注理论计算和公式推导的模板式的学习，而忽视实际应用的问题[4]。有的理科课程可以进行单纯的理论研究，而机械设计课程很多内容是直接联系工程应用场景。重点高校之所以可以偏重于理论研究和教学，得益于工科基础的积累和行业背景，可以为其提供科研教学支撑和补充。所以，应当厘清机械设计课程的内涵逻辑，不能忽略机械设计课程的工程性和实践性，更不能将设计性的课程虚化为理论性课程。

但是，机械设计课程也并不是纯粹地学习实践操作方面的技能培训课，课程教学不能脱离理论知识的支撑，只谈实践技能的培养。如果过多强调对新技术和新方法的掌握，学生的设计将是缺乏依据的，零部件的选型和设计随意性较大，弱化为重复工作。比如让没有足够理论知识支撑的本科学生学习有限元软件的使用，在现有教学课时有限、学生水平各异的情况下，较难在理论层面将有限元技术与机械设计的课程知识联系起来。学生具体面对轴的计算分析，就会产生计算法则采用平均应力还是最大剪切应力的困惑，有限元的计算结果也就不再具备实际意义。地方本科院校立足于地方发展，学生毕业后主要在地方企业从事工程设计和技术管理工作[5]，地方企业需要的是兼具扎实理论知识和设计能力的工程人才[6]，弥补在高学历科研人员和技术工人之间的空缺，能够在工程应用过程中完成从方案到产品的技术落地。所以，机械设计课程教学应当是向学生传授专业知识为核心，应用新技术和新方法是促进课程教学活动开展的工具和手段。

地方普通高校的机械设计课程应当立足于学校现状和学生现有的知识水平，注重应用型的工程知识讲解[7]，让学生掌握机械零件工作原理、设计理论、设计步骤和计算方法等共性问题，要以培养学生的工程问题分析、机械设计能力为核心，对教学内容和教学方法进行适当地调整和补充，同时加强学生工程意识的培养和实践教学活动的开展。

二、机械设计课程教学改革的实施策略

（一）基础知识前期导入

在每章节内容前，增加必要的支撑知识内容导入。机械设计课程在机械基础理论到专业设计课之间起着承上启下的作用，需要机械制图、工程材料、材料力学、理论力学、机械原理等必修课程知识作为基础。上述课程集中在大学一、二年级进行，其理论性强、内容繁杂，部分地方普通高校学生学习基础不够牢固、存在知识点遗忘的现象。部分学校使用濮良贵主编的《机械设计》作为课程教材[8]，该教材编撰严谨合理，但是因为篇幅限制和重点高校学生对前期知识掌握度高的考虑，该教材在各章节涉及上述前续课程知识时，默认学生已知而没有介绍。部分地方普通高校学生的学习主动性较差[9]，导致对本课程学习的内容无法透彻理解、处于被动学习的状态。所以，在实施教学的过程中，有必要加入前述课程相关知识进行适当讲解作为支撑。比如，在理论性较强的“疲劳强度计算”教学中，应先介绍材料力学的变应力概念，让学生在理解不同变应力循环特性的基础上，再展开讲授本课程疲劳曲线、等寿命曲线、等疲劳强度方面的知识内容，这样循序渐进地将先修知识对接课程内容，更有利于学生对课程的理解和掌握。

（二）整合构建课程内容

梳理课程知识点的内在联系，结合工程化实践的例子，将碎片化的课程章节沿着设计主线串联起来，合理安排课程难点重点。机械设计课程涉及面广、知识点多，各章节的内容相对独立缺乏关联性，导致部分从未接触设计课程的学生较难连贯地学习理解。课程内容可以模块化划分为四个，依次是设计准则和计算方法、传动部分、连接部分、轴系部分，各部分之间相互联系。首先，课程内所有的零件设计都遵循第二章正向和反向计算法的流程（设计计算和校核计算）。第三章讲述疲劳强度和接触强度，实质上就是零件的整体疲劳强度和表面疲劳强度，结合静强度计算，可以涵盖课程所有章节的强度计算问题。前三章的设计准则和计算方法实际上构成理论基础，是贯穿机械设计的总体规律和规则，之后的各章则是在这个总的理论框架下对具体零件的解析设计问题。这样梳理出从机械设计一般理性的规律到感性具化实例的关系，学生就有一个从理论概念到应用知识的学习过程，将碎片化课程章节内容整理建构成完整的知识体系。比如零件的面接触是低副接触，表面强度是挤压强度，其润滑对应流体动力润滑，这样就将滑动轴承、流体动力润滑、挤压强度、键连接等分散在三个模块的知识串联起来。零件的线接触是高副接触，表面强度是接触强度、属于弹性力学范畴，则其润滑对应弹性流体动力润滑，这样就将齿轮、滚动轴承、接触强度、弹性流体动力润滑、表面疲劳点蚀等分散在四个模块的知识点串联起来。第三强度理论对应轴强度计算，第四强度理论对应螺栓强度计算；疲劳强度对应零件的整体强度，将齿根强度、轴的强度、螺栓强度等分散在四个模块的知识串联起来；接触强度对应零件的表面强度，将齿面点蚀、轴承点蚀等分散在三个模块的知识串联起来。这样各种零件设计的逻辑联系和区别，可以构成一个关系明确的体系，使得理论内容不再难懂，让学生清晰地理解课程各章内容的知识脉络。

在内容的章节安排上，可以传动系统为主线，将课程的所有知识点串联起来。轴和轴上零件构成轴系，包括安装在轴上的轴承、联轴器、离合器、带轮、链轮和齿轮，这些零件又由螺栓、键或者过盈配合联接。教学中进一步联系工程实例扩展知识点，比如单向稳态变应力可以用转轴、车辆弹簧、气缸上的预紧螺栓，分别对应说明循环特性为常数、平均应力为常数和最小应力为常数。螺纹连接重点在于强度计算，没有接触工程实践的学生容易混淆不同类型螺栓和载荷的区别。所以，进一步拓展到螺纹连接的详细工程背景，预紧、防松、材料、螺栓组形式和加工方式，延伸涵盖加工、设计、制造、装配、维护的全过程，突出在工程上的应用性和实践性，拓展学生的眼界和思路，启发学生要有统筹全局的设计理念。

在教学时间分配上，由于当前存在扩展科目、压缩课时的情况，一般控制在56个学时以内，所以要合理划分教学内容。侧重讲解齿轮传动、蜗杆传动、带传动、螺纹连接、轴、轴承，而链传动、键连接、联轴器、离合器、制动器和弹簧等内容由学生自学。各章节的公式较为抽象复杂，在课程前期将疲劳强度和接触强度讲透彻，后继章节具体零件的强度计算就不需要再赘述公式推导，只结合具体零件说明公式各参数的含意和用法。强化公式所涉及的参数与工程因素的联系，让学生能够在设计场景中触类旁通应用计算公式。这样，既明析了理论公式与实际设计的关系、减轻学生的学习负担，也更接近在企业工程项目上的实际设计方法，有利于培养学生工程应用的设计能力。同时，传动系统的各类零件可以结合课程设计，不必过于拘泥课程理论教学和课程设计在时间安排上的限制，以减速器为学习对象更直观地介绍给学生，既降低了学习难度，又可以有效控制课程的学时。

（三）创新教学方法

传统教学板书授课往往是公式推导和堆砌概念，比较枯燥且耗时多、效率不高，影响了教学效果。引入机械工程领域的新技术、新方法，能拓宽学生认知视野，产生代入感加深理解工程应用中的机械设计方法。课程教学采用先进设计方法打破传统学科之间的壁垒，建立多尺度、多参数的物理模型虚拟镜像[10]，映射仿真产品设计到生产过程的全过程。Matlab编程建立机械系统的数学模型进行理论技术分析，可以清晰表述抽象的公式和概念。采用参数化的CAD设计如AutoCad、Solidworks、Creo进行零部件建模和参数设置[11]，根据实际装配关系虚拟装配，验证零件间的位置和运动关系的设计合理性。如减速器轴上键槽设计在同一母线、联接键略长于轮毂宽度、轴肩小于轴承内圈、余留装配空间和防止运动副干涉等，可以解决传统的讲解和图例难以直观理解的问题。使用有限元软件如Ansys、Abaqus对关键零部件进行强度分析以优化结构设计，应力分析的应力分布图可以解决应力集中、应力畸变等理论公式难以清晰反映的受力分析问题。通过虚拟仿真软件如Adams进行动力学性能评估分析，直观清晰地展示空间运动状态，得到运动轨迹和速度、加速度、惯量等动力参数。结合Unity3D虚拟仿真实验，体验测试不同参数对输出结果的影响，既能达到真实实验的效果，同时又能避免由于高成本、台数少和安全隐患导致的学生实验不足、动手能力差的问题[12]。通过这些工程设计软件的教学应用，增加了授课信息量，课程形式也更为生动，有利于拓宽学生的知识面，激发学习兴趣，也更符合学生的逻辑思维规律。

同时，通过信息技术在空间和时间上扩展课堂，课程内容的分散性恰好可以通过线上教学，充分利用学生碎片化的时间，解决学时不足、部分课程内容需要自学的问题。该校采用学习通作为线上教学平台，根据机械设计的工程属性，在线上以项目实例为载体，展开和推进工程情景化的教学活动。如以传动系统为主线前后连贯减速器的各个零件，同时结合课程设计分散对应课程的各个章节，让学生带着问题学习。平时线上就涉及到减速器各类零件的分析和设计，这样也可以解决课程设计一般安排在学期末时间不足的问题。学习资料和课件、习题都上传到网络，便于学生课前预习、课后练习和线上讨论，作业和任务在“学习通”上完成。这样，教学过程的考核因素、考评方法、成绩比重都重新设计，章节学习10%、论讨10%、考勤20%、习题60%，适当增多过程考核。线上自动批改、汇总成绩、保留学习痕迹，从而全面地掌握学生的学习程度，及时发现调整薄弱点，实现教学活动的持续改进。

（四）工程素养的实践培养

机械设计课程教学向学生传授扎实专业理论知识的基础上，应当进一步培养学生解决实际设计问题的工程素养，达到为地方发展培养应用型工程技术人才的目标。长期以来受通识教育基础课学习模式的影响，部分学生形成单人独立的做题习惯，而工程应用过程中有很多因素需要综合考虑，很多计算公式也是基于实验和经验的总结，计算参数往往是在一定范围浮动，只有相对合理的解，而没有唯一的绝对正确的解。机械设计课作为设计性课程，要让学生明白工程上的设计任务是开放性的问题，在实践中提炼核心设计对象，按规范流程分工协作完成设计任务。在教学活动中应该营造特定的工程情景进行教学，在工程实践的环境下让学生完成从知识传授到能力、素养培养的转变。与地方企业合作开展工程应用教学是比较理想的途径，但是依据近年的反馈来看效果一般。主要原因是机械行业在竞争的环境下，企业的设计和制造任务较多，缺少足够的精力支持高校的教学活动。通常由企业工程管理或设计人员抽空开展方向性的介绍，往往是单一讲解，只适合专业导论或讲座之类的活动。由于部分地方普通高校缺乏行业支撑，因此，应该立足学校自身的资源开展机械设计课程实践教学活动，而课程设计和学科竞赛是学校能力范围内切实可行的途径。

地方普通高校应该以课程设计为主要的实践教学手段，依托项目任务为载体、以学生为执行主体，在项目推进的过程中，引导学生掌握运用已学知识解决设计问题的能力。设置若干在机械工程的实际开发过程中将遇到的问题，让学生先初定变量，进而计算得到中间变量，再综合工况因素和结构参数确定最后的零件尺寸，校核计算如果不达标或者存在结构干涉，就再多次返工重新修改调整，通过多次反复修正迭代设计才能达到性能要求。在教学中，让学生认识到机械设计不是简单的做题，要遵循机械设计的规范和流程，以辩证科学的思维方式解决复杂工程问题。

在此基础上挑选综合能力较好的学生，参加更有挑战性的学科竞赛。这类比赛重视将专业知识与实践应用的结合，往往要求制作实物参赛，在机械范畴进行创新性的设计和制造。学生根据赛项分析问题、查阅文献资料和拟定设计方案，除了全面考验机械设计的专业知识和技能，还涉及赛程有限的时间和成本控制。所以，需要学生组合成团队进行分工协作，涉及设计计算、图纸绘制、技术文档撰写、加工制作、安装调试等多个环节，符合企业实际工程项目的任务分配和轮岗位实际。教师侧重指导学生观察各个环节之间的内在关联，了解重要性能指标、平衡整体的设计理念，利用专业知识和创新能力去解决工程实践问题。

三、结语

针对地方普通高校在机械设计课程教学活动，本文结合笔者在该课程的教学实践经验，从课程内容、教学方法、工程素养等方面阐述了机械设计课程教学的改革路径。使课程改革立足学校专业和地方发展的现状，遵循应用型技术人才的培养规律，明晰该课程是设计性课程的本质，统筹理论知识和实践技能的平衡。整合设计课程内容和教学方法创新优化，转变学生思维惯性，培养学生具备机械设计的创新能力和工程素养。这既是办好新建工科专业发展的内在要求，也是为地方培养应用型机械技术人才的客观需要。