新形勢(shì)下機(jī)械設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)體系改革的探索

張玉言 涂橋安 馬晨波 伍根生

摘 要：本文針對(duì)新形勢(shì)下社會(huì)對(duì)機(jī)械類專業(yè)人才實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的需求，研究了現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)體系在教學(xué)內(nèi)容、方法和結(jié)果考核方面所存在的弊端，提出了優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容以及通過(guò)引入工程實(shí)踐案例和創(chuàng)新型案例提高應(yīng)用型人才實(shí)踐能力和創(chuàng)新型人才創(chuàng)新能力的措施，闡釋了各種教學(xué)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)中的綜合運(yùn)用，并提出了課程考核方式的改革措施，以期為機(jī)械類專業(yè)優(yōu)秀人才的培養(yǎng)提供保障。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì) 理論教學(xué)體系 改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（c）-0187-03

近年來(lái)，制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)的深度融合促進(jìn)了全球制造業(yè)的迅猛發(fā)展，同時(shí)也迎來(lái)了我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和創(chuàng)新的重大機(jī)遇。要想抓住此次機(jī)遇來(lái)?yè)屨贾圃鞓I(yè)新一輪的競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)，完善多層次多類型的人才培養(yǎng)體系、建設(shè)制造業(yè)人才隊(duì)伍尤為關(guān)鍵。而機(jī)械制造業(yè)是整個(gè)制造業(yè)中非常重要的一部分，因此加快培養(yǎng)該行業(yè)急需的專業(yè)技術(shù)人才對(duì)于“中國(guó)制造2025”宏偉目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。在此形勢(shì)下，大批學(xué)校進(jìn)行了機(jī)械類專業(yè)本科人才培養(yǎng)方案的修訂[1-2]，著重將學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提上日程，并據(jù)此將本專業(yè)主干課程教學(xué)體系的優(yōu)化作為重要工作。其中，機(jī)械設(shè)計(jì)作為機(jī)械類本科專業(yè)課程中一門，以培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)能力為核心，是以培養(yǎng)工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力為目標(biāo)的主干技術(shù)基礎(chǔ)課，在新培養(yǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中有著舉足輕重的作用。

機(jī)械設(shè)計(jì)課程通常在材料力學(xué)和機(jī)械原理等課程之后，機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)和機(jī)械綜合設(shè)計(jì)等課程之前開(kāi)展，在整個(gè)培養(yǎng)體系中起著橋梁的作用。該課程的教學(xué)體系通常分為理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩大模塊，其中理論教學(xué)主要圍繞常用零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型等內(nèi)容來(lái)開(kāi)展，是實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)，對(duì)于學(xué)生工程意識(shí)的形成以及實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有至關(guān)重要的作用。但由于該課程涉及面廣，其理論教學(xué)工作是一項(xiàng)重大的系統(tǒng)工程，需要教師在長(zhǎng)期總結(jié)授課經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)產(chǎn)出的基礎(chǔ)上建立適應(yīng)時(shí)代需求的教學(xué)體系[3]。為此，本文將從現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)體系中存在的問(wèn)題出發(fā)，探討新形勢(shì)下課程教學(xué)體系的改革方案，并提出具體改進(jìn)措施，以期為培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代需求的機(jī)械類專業(yè)優(yōu)秀人才提供保障。

1 現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)體系中存在的問(wèn)題

機(jī)械設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)體系由教學(xué)內(nèi)容（設(shè)計(jì)總論、常用連接、機(jī)械傳動(dòng)、軸系零部件和其它零部件）、教學(xué)方法（講授法、翻轉(zhuǎn)課堂法、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法等）和教學(xué)結(jié)果考核三方面組成。在此教學(xué)體系的開(kāi)展過(guò)程中，主要存在三方面的問(wèn)題：（1）教學(xué)內(nèi)容理論性過(guò)強(qiáng)[4]，工程實(shí)踐案例和創(chuàng)新型案例不足，章節(jié)內(nèi)容間的交叉與融合未充分體現(xiàn)；（2）教學(xué)方法（如翻轉(zhuǎn)課堂法[5]、項(xiàng)目/任務(wù)驅(qū)動(dòng)法[6]）針對(duì)性不強(qiáng)、已有改革效果不佳；（3）教學(xué)結(jié)果考核中作業(yè)形式單一、期中和期末考試“重理論、輕實(shí)踐”。為解決上述問(wèn)題，本文將以學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為目標(biāo)，以綜合設(shè)計(jì)能力的提高為導(dǎo)向，提出該課程理論教學(xué)體系改革的具體實(shí)施方案。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)體系改革的具體實(shí)施方案

（1）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)，融工程實(shí)踐案例和創(chuàng)新案例于課程理論教學(xué)之中。

為解決原有教學(xué)內(nèi)容上存在的問(wèn)題，能更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，教師需優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)，增加工程實(shí)踐案例和創(chuàng)新案例，以應(yīng)對(duì)我國(guó)制造業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才和創(chuàng)新型人才的需求。為此，可從如下幾個(gè)方面具體實(shí)施改革。

第一，精簡(jiǎn)教學(xué)內(nèi)容。例如，將摩擦、磨損和潤(rùn)滑的相關(guān)內(nèi)容融入鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)和軸承的講解過(guò)程中，縮減關(guān)于軸承和軸計(jì)算內(nèi)容所占用的學(xué)時(shí)，而將更多的學(xué)時(shí)放于軸承裝置的設(shè)計(jì)及軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。此外，刪減繁瑣的公式推導(dǎo)，著重介紹其中所涉及的工程背景以及使用方法。例如，在講授機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度時(shí)，可簡(jiǎn)化不同應(yīng)力變化規(guī)律下疲勞強(qiáng)度條件式的推導(dǎo)過(guò)程，而著重介紹使用強(qiáng)度條件指導(dǎo)設(shè)計(jì)的方法；在講授齒輪傳動(dòng)中接觸疲勞強(qiáng)度時(shí)，略去接觸應(yīng)力公式的詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程，而重點(diǎn)解釋取節(jié)點(diǎn)處接觸應(yīng)力為計(jì)算依據(jù)的原因、引入載荷系數(shù)和重合度系數(shù)的緣由、校核公式和設(shè)計(jì)公式的使用場(chǎng)合、各參數(shù)的選取以及在工程設(shè)計(jì)中強(qiáng)度不足時(shí)可采取的改進(jìn)措施等。

第二，從應(yīng)用型人才實(shí)踐能力培養(yǎng)的目標(biāo)層次出發(fā)，增加能體現(xiàn)章節(jié)內(nèi)容交叉與融合的工程實(shí)踐案例，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力和應(yīng)用能力。例如，在講授設(shè)計(jì)機(jī)器的總體步驟時(shí)，可列舉一個(gè)實(shí)際的工程設(shè)計(jì)案例，向?qū)W生介紹其設(shè)計(jì)背景和目的，制定幾組設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行方案的對(duì)比分析和選擇。在介紹完四種機(jī)械傳動(dòng)方式后，可增加一節(jié)課堂討論，主要針對(duì)帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析，并以某一機(jī)器中的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)為例，讓學(xué)生制定不同的方案，并討論各自的優(yōu)缺點(diǎn)和可行性，使學(xué)生能真正掌握機(jī)械傳動(dòng)中各章節(jié)之間的交叉與融合，會(huì)進(jìn)行傳動(dòng)組合。在介紹完軸系零部件這一部分后，可增加一節(jié)關(guān)于軸與軸承組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的案例，例如立式車床工作臺(tái)主軸軸承配置案例[7]，引導(dǎo)學(xué)生討論軸承選擇、軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及各種組合的優(yōu)缺點(diǎn)等內(nèi)容，使學(xué)生掌握綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。

第三，從創(chuàng)新型人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目標(biāo)層次出發(fā)，增設(shè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的介紹和計(jì)算機(jī)軟件在輔助現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用等內(nèi)容，比如向?qū)W生介紹TRIZ理論進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法以及CAD技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的方法等。此外，增加創(chuàng)新設(shè)計(jì)案例，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。例如，在介紹螺旋傳動(dòng)時(shí)，可以雙吊籃高層建筑火災(zāi)逃生裝置[8]為例，介紹將螺旋傳動(dòng)應(yīng)用于這一裝置的創(chuàng)新思路。在介紹軸的設(shè)計(jì)時(shí)，可以滑滾混合軸承支承方式[9]為例，向?qū)W生介紹有學(xué)者在傳統(tǒng)滑動(dòng)軸承支承方式和滾動(dòng)軸承支承方式的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了滑滾混合軸承支承結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)行階段軸承的低磨損、保證軸的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)引入諸類案例，有利于拓寬學(xué)生的思路，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（2）綜合運(yùn)用各種教學(xué)方法。

因?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)課程內(nèi)容的多樣性，所以沒(méi)有一種教學(xué)方法可適用于所有內(nèi)容。因此，綜合運(yùn)用各種教學(xué)方法至關(guān)重要。例如，在“齒輪傳動(dòng)”的教學(xué)中，一般是從失效分析、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定、材料選取、強(qiáng)度計(jì)算等方面來(lái)講授的，內(nèi)容多而雜，學(xué)生掌握起來(lái)較為困難。對(duì)于這一章節(jié)內(nèi)容的教學(xué)可以分為三個(gè)部分、綜合采用三種教學(xué)方法來(lái)開(kāi)展。內(nèi)容一：齒輪傳動(dòng)的失效形式、材料及選擇、精度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于這一部分，可采用調(diào)研法和翻轉(zhuǎn)課堂法，即安排學(xué)生在課下以小組形式開(kāi)展社會(huì)調(diào)研活動(dòng)，總結(jié)機(jī)械類企業(yè)中常發(fā)生的齒輪失效形式及出現(xiàn)場(chǎng)合、所選材料和傳動(dòng)的精度等級(jí)以及應(yīng)用工況和所采用的齒輪結(jié)構(gòu)形式。在課堂上，讓學(xué)生匯報(bào)，根據(jù)匯報(bào)情況教師做出總結(jié)和補(bǔ)充講解。通過(guò)這種教學(xué)方式來(lái)鍛煉學(xué)生的社會(huì)實(shí)踐能力和總結(jié)歸納能力，并提高學(xué)生主動(dòng)探索知識(shí)的熱情。內(nèi)容二：齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的確定以及強(qiáng)度的計(jì)算。此部分內(nèi)容學(xué)生自學(xué)難度較大，需要教師做詳細(xì)分析和解釋，因此可采用以講授法為主。此外，教師在完成這一部分內(nèi)容的講解和梳理工作后，為避免學(xué)生因復(fù)雜的公式計(jì)算而感到苦惱，可將Matlab、Pro/E或Solidworks等軟件引入，安排學(xué)生課后采用計(jì)算機(jī)輔助軟件進(jìn)行齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并使設(shè)計(jì)計(jì)算變得準(zhǔn)確簡(jiǎn)單，而且學(xué)生的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能力得以提升，做到理論與虛擬實(shí)踐的融合。內(nèi)容三：齒輪傳動(dòng)的潤(rùn)滑。這部分理論內(nèi)容可融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來(lái)開(kāi)展，即在傳統(tǒng)的圓柱齒輪傳動(dòng)效率與轉(zhuǎn)速及載荷關(guān)系測(cè)試實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加潤(rùn)滑條件對(duì)傳動(dòng)效率影響的內(nèi)容，這樣既可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂理論教學(xué)的有機(jī)銜接與融合，避免理論教學(xué)中出現(xiàn)學(xué)生對(duì)齒輪傳動(dòng)潤(rùn)滑方式毫無(wú)感官認(rèn)識(shí)的現(xiàn)象，同時(shí)還可以鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

此外，練習(xí)法和案例分析法等也適合用于機(jī)械設(shè)計(jì)課程內(nèi)容的開(kāi)展。例如，為解決學(xué)生對(duì)前期所學(xué)的材料力學(xué)、公差與配合等課程內(nèi)容遺忘導(dǎo)致本課程學(xué)習(xí)困難的問(wèn)題，采用練習(xí)法給學(xué)生布置1～2道關(guān)于下節(jié)課所涉及的已學(xué)知識(shí)的題目（比如，“請(qǐng)復(fù)習(xí)材料力學(xué)中關(guān)于交變應(yīng)力的相關(guān)內(nèi)容，并簡(jiǎn)述交變應(yīng)力的分類及表征參數(shù)”），使得他們能對(duì)已學(xué)課程中遺忘的知識(shí)點(diǎn)及時(shí)復(fù)習(xí)。此外，廣泛應(yīng)用案例分析法，引入工程實(shí)例，例如在介紹滾動(dòng)軸承時(shí)，可以2016年俄羅斯馬爾半島航空公司波音737客機(jī)由于機(jī)輪軸承損壞導(dǎo)致飛機(jī)右側(cè)主輪脫落事件為例，引出滾動(dòng)軸承的可能失效形式，以加深學(xué)生對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的理解。

（3）創(chuàng)新課程考核方式。

鑒于本課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，因此需對(duì)現(xiàn)有課程考核中存在的“重理論、輕實(shí)踐”的現(xiàn)狀進(jìn)行改革，具體可從如下三個(gè)方面來(lái)開(kāi)展。①分組教學(xué)，使學(xué)生的課堂動(dòng)態(tài)便于把握，并細(xì)化考勤和課堂表現(xiàn)的考核標(biāo)準(zhǔn)，增加課后作業(yè)和大作業(yè)題目的開(kāi)放性。例如，針對(duì)應(yīng)用型人才，可保留原有大作業(yè)中關(guān)于螺旋千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)題目，而對(duì)于創(chuàng)新型人才則改為螺旋傳動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。②刪去期中考試，改為項(xiàng)目考核。比如利用課堂兩學(xué)時(shí)的時(shí)間讓學(xué)生針對(duì)某一工程任務(wù)，設(shè)計(jì)其機(jī)械傳動(dòng)方案，畫出方案草圖，并說(shuō)明設(shè)計(jì)依據(jù)，著重考察學(xué)生對(duì)以帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)為主的機(jī)械傳動(dòng)知識(shí)的掌握及其創(chuàng)新能力。③期末考試采用開(kāi)卷與閉卷結(jié)合的方式，在開(kāi)卷考試中考察學(xué)生對(duì)課程各章節(jié)內(nèi)容綜合運(yùn)用的能力以及查閱資料和手冊(cè)、運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的能力，在閉卷考試中考察學(xué)生對(duì)各零部件的失效形式、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)方法、參數(shù)選取、安裝與維護(hù)等知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。通過(guò)上述三方面措施的開(kāi)展，使得本課程的考核既能反映學(xué)生的知識(shí)水平，又能評(píng)定其實(shí)踐和創(chuàng)新能力，有利于本課程培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)代制造業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)機(jī)械類專業(yè)人才的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提出了更高的要求。然而，現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)體系存在著教學(xué)內(nèi)容理論性過(guò)強(qiáng)、工程實(shí)踐案例和創(chuàng)新型案例不足、章節(jié)內(nèi)容間的交叉與融合未充分體現(xiàn)的問(wèn)題，還有教學(xué)方法針對(duì)性不強(qiáng)、已有改革效果不佳，以及教學(xué)結(jié)果考核中作業(yè)形式單一、期中和期末考試“重理論、輕實(shí)踐”等問(wèn)題，不利于當(dāng)代社會(huì)所需人才的培養(yǎng)。本文針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行探索，從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)、融工程實(shí)踐案例和創(chuàng)新案例于課程理論教學(xué)之中，綜合運(yùn)用各種教學(xué)方法以及創(chuàng)新課程考核方式三方面提出了機(jī)械設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)體系改革的具體實(shí)施方案，為本課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)以及新形勢(shì)下機(jī)械類專業(yè)優(yōu)秀人才的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

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