機(jī)械原理課程設(shè)計教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的探索*

◆張李嫻 郭紅利 張軍昌 侯莉俠

機(jī)械原理課程設(shè)計教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的探索*

◆張李嫻 郭紅利 張軍昌 侯莉俠

結(jié)合長期的教學(xué)經(jīng)驗，闡述機(jī)械原理課程設(shè)計改革的方向及其在創(chuàng)新意識和創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)過程中所起到的作用。

機(jī)械原理；實踐環(huán)節(jié)；課程設(shè)計；創(chuàng)新意識

隨著社會的發(fā)展和教育體制的不斷改革，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)社會的能力和提高學(xué)生的綜合素質(zhì)已成為高等教育的根本。在工科專業(yè)的整個課程體系設(shè)置中，機(jī)械原理是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課程。為了真正能夠通過扎實的實踐環(huán)節(jié)來提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，西北農(nóng)林科技大學(xué)對該門課的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)——課程設(shè)計進(jìn)行了不斷改革。

從內(nèi)容上講，整個機(jī)械原理的課程包括課堂教學(xué)（包括實驗教學(xué)）和課程設(shè)計兩部分，其在時間安排上是相互獨立的。課堂教學(xué)以機(jī)構(gòu)的分析為主要內(nèi)容，重點是機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、運動和動力分析以及參數(shù)的計算；作為課程的一個重要的實踐環(huán)節(jié)，機(jī)械原理課程設(shè)計在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力方面具有重要的作用，所以在進(jìn)行機(jī)械原理課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)改革時，首先應(yīng)當(dāng)關(guān)注的是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

近幾年來，為了滿足教學(xué)發(fā)展的需求，西北農(nóng)林科技大學(xué)的機(jī)械原理課程設(shè)計先后經(jīng)歷了利用圖解法實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計、利用解析法實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計和機(jī)械傳動系統(tǒng)方案的設(shè)計三個階段。在課程設(shè)計改革的過程中，始終堅持把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力作為改革的宗旨。

1 機(jī)構(gòu)圖解法的分析與設(shè)計

在早期的機(jī)械原理課程設(shè)計中，采用的是利用圖解法實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計。這種方法就是要求學(xué)生利用所學(xué)的基本理論知識，根據(jù)分配的設(shè)計題目，按照課程設(shè)計教學(xué)指南，一步一步地完成每一項設(shè)計任務(wù)。比如前期所進(jìn)行的課程設(shè)計主要是要求大家利用課堂上所學(xué)過的機(jī)構(gòu)的理論分析方法、反轉(zhuǎn)設(shè)計方法以及齒輪齒廓曲線的設(shè)計方法，通過手工繪圖完成平面六桿機(jī)構(gòu)的運動和動力分析、凸輪輪廓曲線的設(shè)計和漸開線齒輪齒廓曲線的設(shè)計。整個設(shè)計過程中，雖然可以進(jìn)一步地鞏固和加深學(xué)生在課堂上所學(xué)的理論知識以及增強(qiáng)學(xué)生的制圖能力，對學(xué)生后續(xù)專業(yè)課和研究生入學(xué)考試可以奠定一個良好的基礎(chǔ)，但由于在整個設(shè)計過程中設(shè)計題目、設(shè)計方法以及具體的設(shè)計步驟都是一定的，學(xué)生按照教師所編寫的課程設(shè)計教學(xué)指南照貓畫虎，很輕松地就可以完成所要求的各項設(shè)計任務(wù)。這樣既不能充分地發(fā)揮學(xué)生的空間想象力，又限制了學(xué)生運用理論知識解決工程實際問題的能力，更談不上什么創(chuàng)新思維和創(chuàng)造性設(shè)計了。

2 機(jī)構(gòu)解析法的分析與設(shè)計

隨著機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計逐漸向高速、高效和精密等方向的不斷發(fā)展，使用者對機(jī)器的工作性能提出更高的要求，同時系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜。由于圖解法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的分析與綜合時，較大的誤差積累可能使得所設(shè)計的機(jī)器或者機(jī)構(gòu)不能很好地滿足預(yù)定的設(shè)計要求，這也就限制了圖解法的應(yīng)用場合。與圖解法相比，解析法由于是通過數(shù)學(xué)方程的求解來獲取機(jī)構(gòu)或機(jī)器的結(jié)構(gòu)、運動以及動力參數(shù)，所以其計算精度更能夠滿足現(xiàn)代化產(chǎn)品的設(shè)計需求。

利用解析法實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計，首先要建立分析所需要的機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，然后利用計算機(jī)編程來進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的求解，最終獲得相應(yīng)的機(jī)構(gòu)或機(jī)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運動和動力參數(shù)。常用的方法有矢量法、桿組法和三角形法等。

以平面連桿機(jī)構(gòu)為例，采用矢量法進(jìn)行運動和動力分析的步驟主要包括：

1）通過機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)分析，在選定機(jī)構(gòu)比例尺和原動件初始位置的基礎(chǔ)上繪制研究對象的機(jī)構(gòu)運動簡圖；

2）通過引入的桿矢量，建立機(jī)構(gòu)或機(jī)器對應(yīng)的位置矢量方程；

*項目來源：西北農(nóng)林科技大學(xué)2013年校級教學(xué)改革研究項目“多元化機(jī)械原理實踐教學(xué)體系改革和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)”（項目編號：JY1302059）。

作者：張李嫻、郭紅利（通訊作者）、侯莉俠，西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院講師，研究方向為機(jī)械設(shè)計及理論；張軍昌，西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院講師，研究方向為車輛工程（712100）。

3）通過位置方程的逐次求導(dǎo)，建立機(jī)構(gòu)或機(jī)器對應(yīng)的運動矢量方程，進(jìn)一步求解獲得桿件上各點的運動參量；

4）建立機(jī)構(gòu)力的矢量方程，求解平衡力及運動副反力。

解析法可以在提高設(shè)計精度的同時避免出現(xiàn)同一個問題——百人百解的現(xiàn)象，也可以實現(xiàn)在滿足精度要求的基礎(chǔ)上對空間機(jī)構(gòu)的分析。但分析和設(shè)計過程中所需要的數(shù)學(xué)模型的建立和求解具有一定的難度，同時對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，分析計算過程比較復(fù)雜。同時，在分析和設(shè)計的過程中，仍然是按照固定的思路和要求來完成所給定每一項設(shè)計任務(wù)，對學(xué)生的設(shè)計能力仍不能進(jìn)行培養(yǎng)和鍛煉。

3 機(jī)械傳動系統(tǒng)方案的創(chuàng)新設(shè)計

為了實現(xiàn)通過機(jī)械原理課程設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的宗旨，為了強(qiáng)調(diào)理論與工程實際、創(chuàng)新設(shè)計有機(jī)結(jié)合的必要性，在進(jìn)行課堂理論教學(xué)時借助于實例講解，使學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)方案設(shè)計的基本和方法。然后在課程設(shè)計這一環(huán)節(jié)，要求學(xué)生根據(jù)自己在課堂上所學(xué)過的知識來完成一個具體的機(jī)械傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計。整個設(shè)計過程包括確定設(shè)計題目、查閱文獻(xiàn)資料、確定設(shè)計方案、撰寫設(shè)計說明書以及設(shè)計交流總結(jié)等五個環(huán)節(jié)，從每一個環(huán)節(jié)都進(jìn)行了一系列的改革。

確定設(shè)計題目 不管是圖解法的課程設(shè)計，還是解析法的課程設(shè)計，設(shè)計題目一般是由教師指定的。為了真正充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，在進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計時，設(shè)計題目是在不脫離機(jī)械原理課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上自由選擇的。通過近幾年的實踐證明，有很多學(xué)生的設(shè)計題目極具研究和應(yīng)用價值。

查閱文獻(xiàn)資料 為了培養(yǎng)學(xué)生收集和運用信息的能力，學(xué)生在確定了設(shè)計題目以后，根據(jù)題目和設(shè)計任務(wù)的需要，可以通過查資料、上網(wǎng)等途徑來獲取一些與設(shè)計任務(wù)相關(guān)的參考資料。通過對所查得的參考資料的分析和研究，可以為后續(xù)的分析設(shè)計提供必要的幫助。為了避免學(xué)生在查閱文獻(xiàn)時漫無目的，走更多彎路，教師應(yīng)根據(jù)不同題目、不同的設(shè)計需要給予必要的提示。

確定設(shè)計方案 設(shè)計方案的確定是機(jī)械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計中較為重要的一個環(huán)節(jié)。為了發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，在整個方案確定的過程中始終應(yīng)以學(xué)生為中心。同時，教師在指導(dǎo)過程中，還要能夠針對不同層次的學(xué)生、不同難易程度的題目實現(xiàn)區(qū)別對待。

機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計中關(guān)注方案的創(chuàng)新點。要獲得具有一定創(chuàng)新意義的設(shè)計方案，可以從兩個方面入手：根據(jù)設(shè)計任務(wù)的需求，通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料發(fā)明新的機(jī)構(gòu)；通過對現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的分析和總結(jié)，借助于機(jī)構(gòu)的改造來獲得能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計目的的機(jī)器或機(jī)構(gòu)。

為了能夠充分發(fā)揮學(xué)生的空間想象能力，在進(jìn)行方案設(shè)計時，對于一個確定的設(shè)計目標(biāo)，要求每一組學(xué)生至少提出三種不同的可行方案，然后通過對所提出的方案的分析、比較，最后確定出最優(yōu)的設(shè)計方案。針對于最優(yōu)的設(shè)計方案，可以從機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動和動力分析與設(shè)計、機(jī)器和機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計和計算仿真以及加工制作樣機(jī)（這一部分要求在近幾年的實踐過程中，多數(shù)是通過學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計來完成的）等幾方面來完成。

撰寫設(shè)計說明書 為了對整個設(shè)計過程做一個好的歸納總結(jié)，在完成機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計以后，還要求學(xué)生書寫完整的設(shè)計說明書。設(shè)計說明書的主要內(nèi)容包括：確定設(shè)計題目的依據(jù)、意義和必要性；方案設(shè)計、分析以及計算過程；課程設(shè)計的收獲。

設(shè)計交流總結(jié) 設(shè)計交流總結(jié)這個環(huán)節(jié)主要是為了給學(xué)生表達(dá)能力的鍛煉提供一個機(jī)會。在課程設(shè)計的各項任務(wù)完成以后，要求每一組學(xué)生按要求走上講臺，把自己在整個設(shè)計過程中所做的工作向大家做一個簡單的介紹，介紹的過程當(dāng)中還可以與大家進(jìn)行互動交流，以更好地了解自己在做設(shè)計過程中的優(yōu)勢和不足。至于機(jī)械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計最終的成績，則可以通過設(shè)計方案的創(chuàng)新性、方案分析的全面性、設(shè)計說明書書寫的規(guī)范性以及繪圖質(zhì)量等多方面來進(jìn)行綜合衡量。

機(jī)械原理課程設(shè)計的教學(xué)改革中，作為參與教師，最大的感受就是沒有想到學(xué)生會有如此大的適應(yīng)性和潛力，他們都具有很強(qiáng)的語言表達(dá)、材料運用及分析的能力。在教師的啟發(fā)和引導(dǎo)下，他們敢于想象，思維敏捷，設(shè)計過程中甚至提出一些連指導(dǎo)教師都不太了解和不能直接解決的問題，所以這也是對教師的一種挑戰(zhàn)。而作為學(xué)生，大家都認(rèn)為新的課程設(shè)計方法更能夠激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣和創(chuàng)新的意識。

通過近幾年機(jī)制專業(yè)和其他專業(yè)部分學(xué)生的課程設(shè)計的改革，基本上可以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，效果可以從每年的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽以及工程訓(xùn)練大賽等比賽中得到驗證。但存在的主要問題是由于部分專業(yè)的時間安排過于緊張，導(dǎo)致許多學(xué)生很難在課程設(shè)計過程中發(fā)揮自己的優(yōu)勢。

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