基于能力培養(yǎng)的機械設計課程教學方法探索*

王志偉，孟玲琴

（河南機電高等專科學校機電工程系，河南新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

機械設計是機械類專業(yè)的一門重要技術基礎課，在培養(yǎng)學生具有工程設計能力方面占有非常重要的地位。該課程綜合了多門已學過的學科知識，且與生產(chǎn)實際聯(lián)系密切，理論性、實踐性、綜合性強;概念多、公式多、圖表多、內(nèi)容復雜龐大;教學、學習難度大。而且隨著科學技術的迅猛發(fā)展，要求21世紀培養(yǎng)的人才基礎扎實、知識面寬、適應面廣、創(chuàng)造能力強，即具有較高的綜合素質(zhì)。因此，如何加強素質(zhì)教育，培養(yǎng)學生具有分析、解決工程問題，設計、創(chuàng)造新的機械裝備的能力，探討多渠道提高機械設計教學質(zhì)量的問題，已勢在必行。

2 現(xiàn)行課程教學體系中存在問題

機械設計課程主要涉及的內(nèi)容是關于一些常見機械零部件的基本特點、常見失效方式、力學分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)選取和設計計算。其教學目標不僅要使學生掌握一些常見零部件的基本知識，同時也要初步建立機械零部件和簡單的機械系統(tǒng)設計的能力。但國內(nèi)高校目前所使用的機械設計教材內(nèi)容在編排上存在如下一些問題:過分注重理論知識的講解;零件的設計過程和方法沒有正面系統(tǒng)闡述;零部件的設計和整機系統(tǒng)的設計沒有建立明確的邏輯關系;過分強調(diào)理論設計方法而淡化經(jīng)驗性設計內(nèi)容;對學生只進行有詳盡指導教材的課程設計而沒有進行創(chuàng)新內(nèi)容的設計。由于上述原因，使得學生在學完該門課程之后雖然可以很好地完成與課程配套的習題，但對于具體的實際零部件設計仍然束手無策，對于機械系統(tǒng)的設計更是沒有辦法。

3 探索教學方法，提高教學質(zhì)量

3.1 進行合理地教學設計

機械設計教學設計是應用系統(tǒng)科學的觀點和方法，按照教學目標和教學對象的特點，合理的選擇和設計教學媒體信息、教學方法和教學手段。它包括以下幾個方面:學生情況的了解;選用教材和配套教材的情況;已備教學文檔（教學計劃、進度、要求、CAI課件、教案、試題庫、學習指南等）情況;課程銜接（選修課、相關課任課教師的協(xié)調(diào)）情況;課程主要內(nèi)容、結(jié)構(gòu)體系、學時分配、重點難點:教學環(huán)節(jié)設計（課堂講授、實踐環(huán)節(jié)、作業(yè)訓練、師生交流、考核方法）;教改研究及建議等。

教師在上這門課之前，通過對課程進行深入的分析和研究，對課程的整體進行全面的系統(tǒng)設計，對課程的各個環(huán)節(jié)進行周密的安排，并詳細填寫教學設計一覽表，這樣在教學中就可以有計劃、有準備地完成好各個教學環(huán)節(jié)，為保證教學質(zhì)量奠定基礎。

3.2 充分發(fā)揮多媒體教學手段的優(yōu)勢

當今，科學技術的發(fā)展和經(jīng)濟建設的需要，要求學生掌握的知識面越來越寬，信息量越來越大，而教學學時卻一再壓縮。改革目前傳統(tǒng)的教學手段和方法，將計算機輔助教學這種現(xiàn)代化教學手段引入到機械設計教學中，將大大改善教學環(huán)境和氣氛，使教學活動變得豐富多彩，有效地提高教學質(zhì)量。

機械設計多媒體課件圖、文、聲、像并茂，具有信息的集成性、超文本的結(jié)構(gòu)性和良好的界面交互性等優(yōu)勢。其豐富多彩的畫面、動畫和視頻片段將工業(yè)場景或逼真的動畫模擬等引入課堂，一改過去抽象地講述，使學生似乎身臨其境，真正步入教學中，從而激發(fā)了學生學習的主觀能動性。一些難點、重點內(nèi)容，如帶的彈性滑動和打滑、鏈傳動的多邊形效應、齒輪的失效形式和機理等，通過動畫的演示，變得容易理解和接受。采用多媒體進行教學，可以培養(yǎng)學生敏銳的觀察力、豐富的想象、求異思考等思維方式，培養(yǎng)創(chuàng)造能力。如軸系結(jié)構(gòu)設計部分，學生通過人機對話參與軸系結(jié)構(gòu)的設計過程，將自己融入教學過程中，變被動接受為主動思考，從而調(diào)動了學生學習的積極性，并通過設計方案、設計參數(shù)的選擇討論，提高了分析問題、解決問題的能力，激發(fā)了創(chuàng)新意識。采用多媒體教學手段，還可以擴大課堂的信息量，將一些科技新技術、新成果及機械產(chǎn)品的工程應用等信息，補充到教學內(nèi)容中，以擴大學生的知識面，并解決了教學內(nèi)容多而課時少的矛盾。

采用以多媒體課件為主體的教學手段時，不要忽視了教具、模型的直觀性，教師肢體語言的生動性，應多走到屏幕前去講述。還要充分發(fā)揮實物展臺的作用，多補充—些相關信息，還可以利用黑（白）板來加強教學效果。另外要注意給學生提供課件的主體素材，以便于學生對所學知識的理解、鞏固和提高。講課過程中注意提醒學生將一些重要內(nèi)容、重要公式劃下來，以彌補做筆記不便的缺陷。

3.3 課堂教學中強調(diào)設計思想的傳授

機械設計這門課程中包含的知識體系較為廣泛，既有大量的理論計算和推導，又有大量的經(jīng)驗公式和經(jīng)驗圖表。學生在學習過程中往往會有一種無從下手的感覺。因此，在進行課堂講解時，首先一定要讓學生從紛繁的知識堆里找到學習的方向，建立本門課程學習的指導思想。機械設計這門課程的學習目標不僅是要掌握一些常見零部件的基本知識和計算方法，更主要的是要掌握這些零部件的設計思想，只有掌握了基本的設計思想和設計方法才能在將來面對這種零部件的設計或選用時知道如何去做。為此，在進行每一種零部件的學習中，可以制定一個“基本特點—失效方式及影響因素—受力分析及計算—參數(shù)的確定和結(jié)構(gòu)設計”的教學模式，讓學生按照這一模式進行學習，重點要求學生掌握基本的設計思想和方法。

所謂設計思想就是貫穿于教材中的一些零散的設計理論，這些理論不一定都是以某種公式或圖表進行表達，它要告訴我們的往往是關于如何進行該零部件的設計，設計中應注意什么，使用中應注意什么，各種參數(shù)的意義和對該零部件性能的影響過程，以及如何選取和確定這些參數(shù)。這些設計思想往往是不具有嚴密的整體邏輯關系，需要花一定的精力在理解的基礎上去記憶。這些設計思想應該是本門課程學習的重點之一，應予以足夠的重視。為了說明什么是機械設計課程教學中的設計思想，在此以齒輪傳動為例進行說明。

在齒輪傳動中，所謂的設計思想包括:齒輪傳動的特點、使用范圍、基本分類方法、主要失效形式和影響因素、齒輪常用材料和熱處理方法、齒輪傳動的受力分析、齒輪傳動的設計方法、齒輪參數(shù)的確定和影響過程、齒輪常見結(jié)構(gòu)和適用工況、齒輪傳動的效率計算和影響效率的因素、齒輪傳動的潤滑和密封方式的選擇方法及注意事項等。學生在對上述思想有所掌握的基礎上才能在設計齒輪傳動時有方向感，知道如何下手開始工作，以及在設計過程中有一個明確的指導思想。

3.4 淡化過細的理論內(nèi)容

機械設計課程內(nèi)容中包含了大量的理論內(nèi)容，特別是一些理論公式和計算圖表成為學生在學習過程中的主要困難，這往往會使他們產(chǎn)生一種“機械設計課程難學”的觀點，影響了教學效果。為此，在進行課程教學的過程中，首先應對每一章內(nèi)容中的所有公式進行分類，將其劃分為基本掌握公式和基本了解公式兩類。對于基本掌握公式要求學生一定掌握，因為沒有這些公式的服務很難建立基本的設計思想。但有些公式比較復雜，即使短期能夠記住，但過幾天就很快忘記，這樣的公式只要求學生對其理解，掌握使用方法以及使用中的注意事項，能夠正確使用即可。

以齒輪傳動設計為例。在齒輪傳動中，傳動比公式、中心距計算公式、分度圓直徑計算公式、斜齒輪法面模數(shù)計算公式、齒頂圓和齒根圓直徑計算公式、節(jié)距計算公式、齒輪傳動受力計算公式、齒寬系數(shù)計算公式、斜齒輪和錐齒輪當量齒數(shù)計算公式等屬于必須掌握的基本公式，這些公式形式上不復雜，易于記憶，而且與基本的齒輪知識體系密切相關，只有掌握了這些基本知識才能很好地對齒輪傳動有較為扎實的理解。而如端面重合度計算公式、嚙合角計算公式、中心距變動系數(shù)計算公式、綜合曲率半徑計算公式、齒面接觸疲勞強度計算公式、齒根彎曲疲勞強度計算公式、許用應力計算公式等均不要求學生記憶下來，只要求對每個公式的使用方法、公式中每項的含義以及使用過程中應該注意的事項弄清楚，將來在應用時能夠通過資料查詢，正確使用就已經(jīng)達到了教學要求。

3.5 將零件參數(shù)的確定與零部件結(jié)構(gòu)設計相結(jié)合

零部件計算參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法是機械設計課程中的一個重要組成部分。這部分內(nèi)容理解與掌握的程度直接關系到學生能否完整掌握單個零部件的設計。由于這部分內(nèi)容一般分散于每一章的教學內(nèi)容中，使得學生學習過程較為困難，往往一章內(nèi)容學完之后，學生對于如何完整設計出這一零部件仍然感到十分困難。為此，應在教學過程中將這些分散于課程中的知識點歸納集中起來，在每章教學內(nèi)容完成之后花半節(jié)課左右的時間進行提綱挈領式的歸納，讓學生建立該零部件的參數(shù)設計方法。下面還是以齒輪傳動的教學內(nèi)容為例進行說明。

齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括:齒數(shù)、模數(shù)、變位系數(shù)、齒輪寬度、分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑、中心距、齒輪結(jié)構(gòu)形式、中心孔直徑、輪轂鍵槽尺寸等。這些參數(shù)中，齒數(shù)的多少根據(jù)最小齒數(shù)、傳動比、外形尺寸要求等條件確定;模數(shù)大小根據(jù)齒根彎曲疲勞強度計算結(jié)合標準模數(shù)序列確定，或根據(jù)齒面接觸疲勞強度計算和選定的齒數(shù)確定;變位系數(shù)根據(jù)中心距取標準或為了大小齒輪強度平衡進行計算之后確定;齒輪寬度根據(jù)選定的齒寬系數(shù)進行確定;分度圓直徑根據(jù)齒數(shù)和模數(shù)確定;齒根圓直徑等于分度圓直徑減去兩個齒根高;齒頂圓直徑等于分度圓直徑加上兩個齒頂高;中心距根據(jù)齒數(shù)、模數(shù)和變位系數(shù)確定;齒輪結(jié)構(gòu)形式根據(jù)幾何尺寸、加工工藝、毛坯材料、生產(chǎn)批量及經(jīng)濟性確定;中心孔尺寸根據(jù)相配的轉(zhuǎn)軸直徑確定;輪轂鍵槽尺寸根據(jù)相配的軸徑查表確定。上述尺寸確定后就可以根據(jù)機械制圖的有關知識畫出一張完整的齒輪設計圖。

通過這樣的講解。學生們對齒輪的有關設計參數(shù)一目了然，對設計一個具體的齒輪有了較為明確的認識。

3.6 將單個零部件的設計與整機設計結(jié)合起來

在實際的工業(yè)應用中，零部件往往不是單獨使用的，它們要相互連接、配合形成系統(tǒng)進行工作。零部件之間存在一定的內(nèi)在關系，使得每個零部件的設計都要考慮到與之相關的其他零部件的要求以及整個機械系統(tǒng)的要求。因此，機械設計課程教學的目標絕不僅僅是為了能夠進行單個零部件的設計，而是面向?qū)嶋H機械系統(tǒng)的設計。但是，目前國內(nèi)高校機械設計課程的內(nèi)容在編排上都是以零部件進行分塊講解，各個零部件之間沒有很好地建立有機的聯(lián)系。學生在學完整個課程之后雖然能夠進行單個零部件的設計，但面向整機設計中的零部件之間相關問題設計往往無所適從。為此，教師應在教學中每講到某一個零部件的設計時要抽出一定的時間詳細介紹一下該零部件與其他零部件間的關系、設計中如何進行相互協(xié)調(diào)。以下再以齒輪傳動為例進行說明。

齒輪傳動是機械傳動中一種十分重要的傳動形式，在使用中一般要和下述一些零部件及機械工藝相關:相配齒輪、相配軸、軸承、潤滑油或潤滑脂、擋油環(huán)、材料選取、熱處理過程、加工制造工藝、日常維護和保養(yǎng)等。因此，在進行齒輪傳動設計時，不僅要從強度與結(jié)構(gòu)方面進行考慮，同時還要考慮上述因素對齒輪傳動設計過程的要求，在綜合考慮的前提下，最終確定整個齒輪的設計，這樣設計的齒輪不僅單獨考察是合格的，同時放在系統(tǒng)中工作能夠滿足相關零部件的要求，這樣的設計才是符合客觀要求的設計。

3.7 課程設計中引入創(chuàng)新設計環(huán)節(jié)

現(xiàn)行的機械設計課程教學對零部件的設計理論有了較為細致的介紹，但忽略了經(jīng)驗知識和主觀能動性在機械設計中的作用。使得學生雖對單個零部件的設計有一定的思路，但一遇到實際設計問題，面對一些需要自己根據(jù)有關知識確定參數(shù)的部分就茫然不知所措。雖然課程設置中有一個課程設計環(huán)節(jié)作補充，但由于課程設計內(nèi)容的程式化成分很高，學生只需按照指導教材一步步進行設計，根本不用動太多的腦筋就可以完成整個減速器設計，因此，這一教學環(huán)節(jié)對學生實際設計能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)力度十分有限。為此，應在對課堂教學及課程設計進行改革的同時，縮短整個課程的教學時間，在不增加教學總時數(shù)和學生負擔的前提下引入創(chuàng)新設計環(huán)節(jié)。該教學環(huán)節(jié)的兩個基本原則是:培養(yǎng)學生的基本設計能力和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計能力并重;本專業(yè)設計能力和相關專業(yè)設計能力并重。該教學環(huán)節(jié)的教學總目標是:在培養(yǎng)學生的實際設計能力和創(chuàng)新能力的同時，創(chuàng)造出有市場價值、能夠服務于社會的實實在在的產(chǎn)品。

創(chuàng)新設計可同創(chuàng)新制作同步進行，在學過機械設計課程后，學生可以通過課程設計，組合各類機構(gòu)，創(chuàng)造設計出一個新機器，繪出運動簡圖，而且親自動手，將自己設計的機器用有機玻璃按比例加工出模型，通過機電控制，實現(xiàn)預定的動作，將紙上談兵式的設計變?yōu)檎鎸嵉臋C器模型。通過這一環(huán)節(jié)的實踐，可提高學生的設計積極性，而且在學生親自動手通過勞動制作出自己設計的機器模型后，會產(chǎn)生一種發(fā)自內(nèi)心的成就感，通過這種成就感，可以激發(fā)學生對其他專業(yè)課學習的興趣。在這一個環(huán)節(jié)進行過以后，可達到以下幾個目的:（1）進一步鞏固機械設計所學理論知識，并將其系統(tǒng)化;（2）培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際，用所學理論知識解決工程技術問題的能力;（3）進一步掌握機器運動設計方法，建立空間概念，為下一階段的構(gòu)形及工作能力設計打下基礎;（4）通過裝配、調(diào)試使學生了解零件的配合、定位、協(xié)調(diào)關系;（5）、通過加工、制作，培養(yǎng)學生的操作動手能力，并初步了解一些加工工藝學知識;（6）通過創(chuàng)造性教育，培養(yǎng)學生的革新、創(chuàng)造能力;（7）開展小發(fā)明、小制作活動，使學生盡快成才，以適應社會主義市場經(jīng)濟對人才的要求。

4 結(jié)束語

21世紀的高等教育，不僅要培養(yǎng)知識型的人才，更要培養(yǎng)能力型、開創(chuàng)型的人才。傳授知識、能力培養(yǎng)是我們機械設計課程教改的目標。如何將這門課程上好，讓學生建立扎實的機械設計理論基礎和建立基本的機械設計思想，值得我們深入思考并在具體的教學過程中不斷探索。

（責任編輯呂春紅）

［1］王志偉.機械設計基礎［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［2］王志偉.機械設計基礎課程設計［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［3］鄧宗全.機械設計及機械原理教學改革的理論與實踐［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.