“卓越計(jì)劃”背景下的機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革探索

張 俊，包家漢

（安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243032）

過程控制專業(yè)（原冶金機(jī)械專業(yè)）作為我校率先啟動“卓越計(jì)劃”的專業(yè)之一，旨在培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型“卓越機(jī)械工程師”。為適應(yīng)“卓越機(jī)械工程師”的培養(yǎng)要求，學(xué)校專門成立了“卓越機(jī)械工程師”試點(diǎn)班，并對相關(guān)課程進(jìn)行了改革。其中，機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)兩門專業(yè)基礎(chǔ)課程在整個(gè)專業(yè)培養(yǎng)體系中占據(jù)著承上啟下的重要地位。而與之配套的課程設(shè)計(jì)作為重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程能力（包括資料搜集與運(yùn)用、數(shù)據(jù)處理、設(shè)計(jì)計(jì)算及材料選擇能力等）方面發(fā)揮著重要作用。［1－4］考慮到機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)間的緊密聯(lián)系，筆者在開展上述兩門課程的教學(xué)改革時(shí)，將兩門課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)打通，即將與二者配套的課程設(shè)計(jì)合并，以形成較為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程訓(xùn)練。同時(shí)，為加強(qiáng)設(shè)計(jì)題目的實(shí)踐性和多樣性，將課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容與教師的實(shí)際科研項(xiàng)目結(jié)合，或直接將相關(guān)科研成果作為課程設(shè)計(jì)的對象。其目的是使學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中能夠切實(shí)感受到科學(xué)研究及成果對生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)與推動作用，更深刻地理解“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”的理念；同時(shí)，通過貼近科研項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)的方式，培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新意識，并使其養(yǎng)成良好的工程設(shè)計(jì)習(xí)慣。以下將圍繞設(shè)計(jì)選題、組織實(shí)施與效果評估三個(gè)方面對機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革進(jìn)行初步探討。

一、設(shè)計(jì)選題

課程設(shè)計(jì)作為教學(xué)體系中的環(huán)節(jié)，首先應(yīng)滿足教學(xué)要求，即為學(xué)生提供可將其所學(xué)理論知識綜合應(yīng)用的設(shè)計(jì)環(huán)境。相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)能涵蓋本門課程中的主要知識，從而使學(xué)生能在較短時(shí)間內(nèi)得到較為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程的訓(xùn)練。因此，課程設(shè)計(jì)的選題內(nèi)容必須與本科生的知識儲備水平相適應(yīng)，對涉及到的少量提高性內(nèi)容，也應(yīng)是在學(xué)生的接受能力范圍之內(nèi)。

相比之下，教師的科研項(xiàng)目一般來源于學(xué)科前沿探索或?qū)嶋H工程需求，其涉及的相關(guān)理論和技術(shù)都較為復(fù)雜。如何將教師的科研項(xiàng)目提煉成具有較強(qiáng)工程背景并適合本科生開展的課程設(shè)計(jì)題目，使之與學(xué)生的現(xiàn)有水平匹配，讓學(xué)生既能熟練掌握具體的設(shè)計(jì)流程和關(guān)聯(lián)知識，得到充分訓(xùn)練以完成教學(xué)要求，又能開拓眼界，切實(shí)觸及相關(guān)的科技前沿，是一件既具有相當(dāng)難度但又很有收益的事情，值得高等教育者深入研究。傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)選題，一般將適應(yīng)教學(xué)要求、完成對學(xué)生的訓(xùn)練作為唯一目的，而將科研項(xiàng)目作為課程設(shè)計(jì)的選題內(nèi)容，除滿足教學(xué)需要之外，還有在課程設(shè)計(jì)中反映實(shí)際研究成果的要求。這就要求教師對科研項(xiàng)目的內(nèi)容進(jìn)行提煉，找準(zhǔn)其與課程設(shè)計(jì)融合的切入點(diǎn)。如單純?yōu)榱诉m應(yīng)相對水平較低的教學(xué)要求而將科研內(nèi)容抽取過度，則很容易失去設(shè)計(jì)內(nèi)容源自實(shí)際研究的意義，無法使學(xué)生感受到題目的真實(shí)性；而若將實(shí)際研究內(nèi)容保留過多，則又難免會因設(shè)計(jì)內(nèi)容過于艱深而使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，無法完成教學(xué)要求。

經(jīng)過對“少齒差行星傳動”相關(guān)研究成果的系統(tǒng)總結(jié)與反復(fù)推敲，筆者決定在機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)部分嘗試，開發(fā)出課程設(shè)計(jì)題目“少齒差星輪減速器的運(yùn)動學(xué)綜合與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”。在該題目中，根據(jù)少齒差星輪減速器的運(yùn)動特性將其簡化為齒輪連桿組合機(jī)構(gòu)，并基于機(jī)構(gòu)變異給出內(nèi)平動兩種傳動構(gòu)型及相關(guān)的工況參數(shù)，要求學(xué)生根據(jù)給定參數(shù)完成其中一種少齒差星輪減速器的運(yùn)動學(xué)綜合與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提交包括數(shù)學(xué)建模、Matlab編程、計(jì)算結(jié)果等內(nèi)容的課程設(shè)計(jì)說明書。

二、組織實(shí)施

考慮到傳統(tǒng)的機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)課程僅對普通的2K－H 行星輪系及標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪設(shè)計(jì)作一般講解，而對少齒差星輪減速器所涉及的少齒差傳動原理、短齒制漸開線齒輪設(shè)計(jì)方法往往不作介紹，學(xué)生對此類知識的掌握不多。因此，在機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)課程講授時(shí)，指導(dǎo)教師在輪系和齒輪機(jī)構(gòu)兩個(gè)章節(jié)中有意識地補(bǔ)充上述兩方面的內(nèi)容，一方面拓展學(xué)生的知識面，另一方面也為此次的課程設(shè)計(jì)作鋪墊。

另外，少齒差星輪型減速器不同于普通的平行軸齒輪減速器和行星減速器，其內(nèi)部存在較強(qiáng)的過約束，采用傳統(tǒng)的剛體力學(xué)方法無法求解其受力，因而也無法正確進(jìn)行齒輪、軸承等零部件的強(qiáng)度校核。因此，在課程設(shè)計(jì)開展前，先對學(xué)生進(jìn)行有關(guān)過約束傳動機(jī)構(gòu)受力分析的強(qiáng)化輔導(dǎo)，同時(shí)結(jié)合案例教學(xué)將Matlab編程的相關(guān)技術(shù)予以集中介紹，從而使得學(xué)生能夠掌握星輪減速器的力學(xué)建模方法與Matlab數(shù)值仿真技能。

不僅如此，為強(qiáng)化“卓越機(jī)械工程師”的培養(yǎng)效果，在此輪課程設(shè)計(jì)中，要求學(xué)生在繪制星輪減速器裝配圖及零件圖的基礎(chǔ)上，能夠運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件建立傳動的三維實(shí)體裝配模型，并對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真。

由于此次課程設(shè)計(jì)涉及的知識點(diǎn)較多、實(shí)踐性較強(qiáng)、工作量也較大，因此在具體實(shí)施時(shí)，采取小組協(xié)同設(shè)計(jì)和指導(dǎo)教師全程參與指導(dǎo)的方式。即將試點(diǎn)班32名學(xué)生按4人一組，分成8個(gè)小組，每個(gè)小組完成一種給定工況參數(shù)的星輪減速器設(shè)計(jì)；同時(shí)，加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)過程中的答疑指導(dǎo)，指導(dǎo)教師全程跟蹤，每天定時(shí)解答學(xué)生遇到的問題。

由于組織有力、措施得當(dāng)，學(xué)生很快從起始的無所適從狀態(tài)進(jìn)入到有條不紊的設(shè)計(jì)過程。經(jīng)過每個(gè)小組中的4名學(xué)生通力合作，協(xié)同分工，發(fā)揮各自的特長，歷經(jīng)4周努力，最終順利完成既定設(shè)計(jì)任務(wù)。

三、效果評估

在指導(dǎo)教師與學(xué)生的共同努力下，結(jié)合教師科研成果的機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)試點(diǎn)工作順利推進(jìn)。參加設(shè)計(jì)的學(xué)生大部分能夠按照設(shè)計(jì)要求，相繼建立星輪減速器的運(yùn)動學(xué)與準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)分析的數(shù)學(xué)模型，通過Matlab編程繪制出減速器各環(huán)節(jié)的受力曲線，完成了少齒差內(nèi)嚙合副的幾何計(jì)算，完成了減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用三維軟件實(shí)現(xiàn)了傳動的實(shí)體建模與運(yùn)動仿真。

通過對此輪課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革的總結(jié)，筆者認(rèn)為以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒：

一是將源自教師科研項(xiàng)目且具有鮮明工程背景的設(shè)計(jì)內(nèi)容引入課程設(shè)計(jì)中，可極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識，輔之以教師的適當(dāng)引導(dǎo)，可使學(xué)生在完成設(shè)計(jì)內(nèi)容后產(chǎn)生強(qiáng)烈的責(zé)任感和成就感。于此同時(shí)，設(shè)計(jì)過程中采取協(xié)同合作又分工明確的小組形式，有助于培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作互助的團(tuán)隊(duì)精神。

二是將科研項(xiàng)目的提高性內(nèi)容引入到課程設(shè)計(jì)中后，為保證設(shè)計(jì)的順利推進(jìn)，需要指導(dǎo)教師較以往付出更多的指導(dǎo)精力，即不僅要掌握科研成果中相關(guān)的設(shè)計(jì)理論與分析方法，還應(yīng)將其整理成學(xué)生能接受并可消化的設(shè)計(jì)題目。對設(shè)計(jì)中涉及到的提高性內(nèi)容，要采取集中強(qiáng)化或?qū)?yīng)分解到相關(guān)課程章節(jié)中提前講授。

三是由于學(xué)生掌握課程設(shè)計(jì)中的提高性內(nèi)容需要一定的時(shí)間，因此在整體時(shí)間安排方面建議采取更加靈活的措施，或在前期的機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)中有計(jì)劃地加入相關(guān)內(nèi)容，或在課程設(shè)計(jì)開始之前先行布置等。此次試點(diǎn)工作在時(shí)間安排上略顯緊張，后續(xù)計(jì)劃讓學(xué)生有更多的時(shí)間來熟悉設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)方法，可望取得更好的教學(xué)效果。

“卓越機(jī)械工程師”試點(diǎn)班的實(shí)踐表明，將源自教師科研項(xiàng)目的內(nèi)容及成果引入課程設(shè)計(jì)中，使學(xué)生在本科階段就能接觸并以近乎實(shí)戰(zhàn)的方式參與到具有濃厚工程背景的科研項(xiàng)目中，進(jìn)而了解現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品和系統(tǒng)的功能、構(gòu)成要素和研發(fā)流程，初步掌握機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)常用的分析與設(shè)計(jì)方法。上述舉措，對于學(xué)生知識體系構(gòu)建、工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都有著極大的促進(jìn)作用，是機(jī)械類基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革適應(yīng)“卓越工程師”培養(yǎng)新形勢的有益嘗試。

［1］ 王濤，張艷華．“機(jī)械原理”課程設(shè)計(jì)新模式的探索與實(shí)踐［J］．中國電力教育，2010（1）：155－156．

［2］ 王立存，張國進(jìn)，徐元，等．機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容與課程體系綜合設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用［J］．重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（6）：79－82．

［3］ 許愛瑾，陳富強(qiáng)，涂德?。岣邫C(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量的措施［J］．安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2010（3）：130－131．

［4］ 陳海波．機(jī)械設(shè)計(jì)類課程創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)模式的研究［J］．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010（1）：31－32．