機(jī)械設(shè)計(jì)教材建設(shè)的思考

余 皡

（機(jī)械工業(yè)出版社高等教育分社，北京 100037）

一、機(jī)械設(shè)計(jì)課程及教材的歷史回顧和特點(diǎn)

（一）課程的定位

《機(jī)械設(shè)計(jì)》是高校機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的一門核心技術(shù)基礎(chǔ)課。其內(nèi)容主要闡述了一般工業(yè)生產(chǎn)中普通常見的機(jī)器所涉及的相關(guān)知識：機(jī)器設(shè)計(jì)的基本原則、設(shè)計(jì)計(jì)算理論、結(jié)構(gòu)要求、材料選擇及普通機(jī)器中所應(yīng)用的幾種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的介紹，如連接部分、傳動(dòng)部分、軸系部分等。其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生有一定的設(shè)計(jì)思想，可以通過本門課程的學(xué)習(xí)提高學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力。

《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程在培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力方面有重要作用，本課程學(xué)習(xí)結(jié)束后要求學(xué)生掌握機(jī)器的設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝安排、力及應(yīng)力分析、強(qiáng)度計(jì)算、材料選擇及經(jīng)濟(jì)環(huán)保諸多方面考慮，該課程的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

1.和前期很多課程均有聯(lián)系，比如機(jī)械制圖：結(jié)構(gòu)的圖形表示；公差與配合：機(jī)器設(shè)計(jì)的精度；機(jī)械制造基礎(chǔ)：熱加工及冷加工工藝過程；材料力學(xué)：所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度；理論力學(xué)：所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)。

2.公式多：有理論式、經(jīng)驗(yàn)式、半經(jīng)驗(yàn)式、定義式。圖表多：結(jié)構(gòu)圖、曲線圖、標(biāo)準(zhǔn)圖、實(shí)驗(yàn)圖等。

3.實(shí)踐性強(qiáng)：不僅要理解書面知識，更要將書面知識應(yīng)用于實(shí)踐，即可以獨(dú)立根據(jù)要求設(shè)計(jì)出機(jī)器。

4.重點(diǎn)多：差若毫厘失之千里，每個(gè)構(gòu)件的微小疏忽都有可能導(dǎo)致整臺機(jī)器不能正常工作。

5.結(jié)果多樣性：該門課程結(jié)束后解決同一問題結(jié)論多樣化，在達(dá)到要求的前提下，結(jié)論只有設(shè)計(jì)過程更優(yōu)，沒有對錯(cuò)。

（二）歷史變化

多年以前機(jī)械設(shè)計(jì)課程被稱為機(jī)械零件。為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，同時(shí)應(yīng)對知識爆炸、分工更細(xì)的信息時(shí)代特點(diǎn)，高等教育開始擴(kuò)招并從知識教育向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，目前寬口徑教育基本實(shí)現(xiàn)。其具體還表現(xiàn)在很多專業(yè)課，如鑄、鍛、焊、拖拉機(jī)、農(nóng)機(jī)等專業(yè)的消失、合并或者轉(zhuǎn)型，這導(dǎo)致很多行業(yè)專業(yè)課程消失。很多基礎(chǔ)課程需要承接一定量的專業(yè)課知識，比如原來規(guī)劃機(jī)械制圖要承擔(dān)一些互換性（就是公差與配合）的知識，機(jī)械零件轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械設(shè)計(jì)課程承接一部分后期設(shè)計(jì)類知識。但轉(zhuǎn)變從教材上來說并不全面，我們目前的機(jī)械設(shè)計(jì)教材基本上與原來的機(jī)械零件教材差異不大。

（三）相伴而生的問題

進(jìn)入新時(shí)代，隨著寬口徑、能力培養(yǎng)教育教學(xué)改革的不斷深入（cdio、卓越工程師、新工科等），各個(gè)學(xué)科專業(yè)都在壓縮課時(shí)，大部分高校的基礎(chǔ)課、專業(yè)課的教學(xué)壓縮為48～60個(gè)課時(shí)或者更少，教材內(nèi)容較多，這將導(dǎo)致很多內(nèi)容不能詳細(xì)講授。《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程和很多前期課程聯(lián)系較緊密，在學(xué)習(xí)本門課程時(shí)需要大量的前期已修課程知識作為貯備，如果學(xué)生對前期所修課程掌握不好，加上本門課本身內(nèi)容較多將導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺苦悶，教師在講授過程中也會(huì)有很大困難。

《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程不同于其他專業(yè)課程，該門課程實(shí)踐性、創(chuàng)新性很強(qiáng)。目前我國機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)薄弱，用于本科層次的書籍基本都涵蓋了復(fù)雜的理論知識體系，培養(yǎng)目標(biāo)基本是科研型人才，其在編排過程中就缺少應(yīng)用型人才的培養(yǎng)案例。因而對學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)有較大的缺陷。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中科研型人才需求量較小，但需要大量的工程技術(shù)人員，在此背景下，學(xué)校課堂教學(xué)定位的模糊使得學(xué)生畢業(yè)后面臨較大的就業(yè)壓力。而繁雜的理論知識學(xué)習(xí)使得學(xué)生在創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力方面投入不足。

《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程的特點(diǎn)導(dǎo)致本門教材學(xué)習(xí)有一定難度，同時(shí)在學(xué)習(xí)的過程中所涉及的內(nèi)容較多：如連接部分的螺紋連接、鍵及花鍵連接和鉚接、焊接，傳動(dòng)部分的帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)等。在前邊的應(yīng)力分析過程中，問題比較抽象，在后邊具體常見零部件學(xué)習(xí)過程中有大量圖表和很多公式推導(dǎo)，內(nèi)容晦澀乏味。在講授過程中，大部分學(xué)生不能將前后知識對比、歸納、總結(jié)，導(dǎo)致很多學(xué)生對整本書的知識缺乏一個(gè)完整的認(rèn)知，即便授課教師反復(fù)講，一部分學(xué)生還是認(rèn)為各個(gè)章節(jié)各自獨(dú)立、沒有聯(lián)系，不知道為什么學(xué)習(xí)，從而導(dǎo)致學(xué)生對本門課程產(chǎn)生畏懼心理，同時(shí)也對學(xué)習(xí)本門課程失去興趣。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)課程和教材的現(xiàn)狀及中外對比

國外主要是歐美的機(jī)械設(shè)計(jì)教材，這幾年均由我社悉數(shù)引進(jìn)。產(chǎn)生比較大影響的主要有西格里版的機(jī)械設(shè)計(jì)、諾頓版的機(jī)械設(shè)計(jì)、德國慕絲版的機(jī)械設(shè)計(jì)，都分別進(jìn)行了中文翻譯，也被部分院校使用。其用途主要為國際競賽和雙語教學(xué)服務(wù)，也有國際班教學(xué)使用。其體系和國內(nèi)的機(jī)械設(shè)計(jì)差別不大，差別較大的主要在習(xí)題、教材設(shè)計(jì)和具體講解的詳細(xì)程度。下面我們做一個(gè)簡單的對比。

（一）結(jié)構(gòu)體系的比較

表1 教材結(jié)構(gòu)體系的比較

比較結(jié)果：從結(jié)構(gòu)上來看，國內(nèi)教材在習(xí)題、例題和附錄方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有國外教材的豐富。這種問題產(chǎn)生的主要原因是國內(nèi)教材受篇幅限制，不可能像國外，特別是不可能像美國教材那樣大篇幅、高容量，短時(shí)間內(nèi)沒有改進(jìn)的可能。

（二）信息表達(dá)形式的比較

表2 信息表達(dá)形式的比較

比較結(jié)果：國內(nèi)外的機(jī)械設(shè)計(jì)教材均十分重視圖文并茂。相比較而言，美國大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)教材不僅信息表達(dá)方式生動(dòng)多樣化，符合學(xué)生的學(xué)習(xí)心理規(guī)律，而且教材的信息量十分豐富，而國內(nèi)的教材在信息表達(dá)方式和信息量方面均不及美國教材，但比印度教材還是強(qiáng)不少的。

（三）內(nèi)容的比較

表3 教材內(nèi)容的比較

比較結(jié)果：國外機(jī)械設(shè)計(jì)教材內(nèi)容較為廣泛，特別是美國教材編寫方式很靈活，除公認(rèn)知識點(diǎn)外，對計(jì)算機(jī)、軟件均有介紹，注重學(xué)科的前沿性、理論與實(shí)際的結(jié)合。

我國的機(jī)械設(shè)計(jì)教材基本上按照教學(xué)大綱編寫，有固定框架，所以不同學(xué)校編著的教材都反映了同一知識系統(tǒng)的邏輯性、學(xué)科體系的基本原理，涉及其他的分支學(xué)科較少，理論性強(qiáng)，而實(shí)踐性弱。并且國內(nèi)教材的版本更新慢，對計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方面的最新發(fā)展涉及少，跟不上科技前沿和世界先進(jìn)水平。

但這種缺點(diǎn)要想一步改進(jìn)到位，并不太現(xiàn)實(shí)。一是我國大學(xué)教育體制問題，國家限定的大綱比較嚴(yán)格，輕易改動(dòng)能否被接受。二是大規(guī)模增加章節(jié)，也增大了成本。現(xiàn)階段還要一步步嘗試，稍微增加一些相關(guān)軟件介紹、計(jì)算機(jī)應(yīng)用，輔助學(xué)習(xí)，可能會(huì)取得更好的效果。

（四）課后內(nèi)容的比較

表4 課后內(nèi)容的比較

比較結(jié)果：國外機(jī)械設(shè)計(jì)教材習(xí)題數(shù)量多，類型多，內(nèi)容比較豐富。特別是印度的教材，習(xí)題類型豐富：有作圖題、問答綜述題、選擇題，還有填空題。習(xí)題的內(nèi)容貼近工程實(shí)際，采用大量生活中常見的零部件，還把習(xí)題分為指導(dǎo)行性問題、復(fù)習(xí)問題、實(shí)際練習(xí)等。

國內(nèi)教材習(xí)題非常少，僅限于基本的練習(xí)，對設(shè)計(jì)類等鍛煉實(shí)際工程思維的大作業(yè)題基本沒有，且習(xí)題內(nèi)容較窄，與工程實(shí)際貼合不緊密。

這種差距主要由國情所致，國內(nèi)習(xí)慣性地要為教材分配習(xí)題集，對教材本身的習(xí)題重視度就大打折扣?？赡艿母倪M(jìn)是完全不要習(xí)題部分，減少書本的不必要頁數(shù)，可能會(huì)有更好的效果。

（五）數(shù)字資源內(nèi)容的比較

表5 光盤內(nèi)容的比較

比較結(jié)果：經(jīng)過近幾年MOOC的發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)教材在數(shù)字資源配套方面，國內(nèi)與美國都相對領(lǐng)先。這不僅體現(xiàn)在內(nèi)容完整度上，還體現(xiàn)在質(zhì)量上。

三、機(jī)械設(shè)計(jì)課程教材的未來

黨的十九大以來，我國正式進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期。制造業(yè)升級和全面建設(shè)創(chuàng)新型國家，本質(zhì)就是人才的升級和人才培養(yǎng)的創(chuàng)新。因此，如何培養(yǎng)出符合新時(shí)代要求的各類人才就成為今后工程教育要承擔(dān)的主要責(zé)任。工業(yè)化的進(jìn)一步深入發(fā)展，對機(jī)械工程這個(gè)學(xué)科提出了更高的要求。智能制造、增材制造、綠色制造、先進(jìn)設(shè)計(jì)方法層出不窮。在人才培養(yǎng)上怎么能完成新舊知識的更替，怎么組織整體學(xué)科的教學(xué)體系，這是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，不是一門課、兩門課能解決的問題，需要通過所有課程的同步調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。

對于機(jī)械設(shè)計(jì)這門機(jī)械工程的主干課程和教材來說，可以改革的地方非常多。國內(nèi)眾多學(xué)者、專家、教授也正在不斷研究、探討和實(shí)踐。下面簡單介紹幾個(gè)正在嘗試的方向。

（一）課程關(guān)聯(lián)

目前的機(jī)械設(shè)計(jì)課程及教材，相對來說比較獨(dú)立，與機(jī)械原理沒有什么聯(lián)系，在整體的機(jī)械專業(yè)核心課之中也沒有相互的刻意關(guān)聯(lián)。對于日漸復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工業(yè)生產(chǎn)來說，對設(shè)計(jì)有一個(gè)整體的理解和感受，從原理到設(shè)計(jì)，從需求到產(chǎn)品，從材料到性能，從圖紙到生產(chǎn)工藝。能否有一條主線或多條主線將機(jī)械工程專業(yè)的核心主干課程貫穿為一體，這是一個(gè)很有意義的改革方向，具有極大的教學(xué)意義。

（二）加入先進(jìn)設(shè)計(jì)方法

目前的機(jī)械設(shè)計(jì)課程及教材，還是停留在代數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的講解上，我們都知道，實(shí)際生產(chǎn)和科研的設(shè)計(jì)工具已經(jīng)大大超出這些固定的表格、算式、系數(shù)。我們會(huì)用有限元來分析強(qiáng)度、振動(dòng)、熱場和磁場等，也會(huì)利用靈巧設(shè)計(jì)找尋最優(yōu)的結(jié)構(gòu)組合，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法平衡各種參數(shù)的選取，甚至綠色設(shè)計(jì)理念、成本分析、設(shè)計(jì)過程的管理等能力也越來越重要。但在我們的機(jī)械設(shè)計(jì)課程及教材中，這些知識很多只字未提，不得不說這是一種遺憾，也是不足。雖然受課時(shí)的限制，但我們應(yīng)該想辦法來教授現(xiàn)代化的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，這也是非常迫切的改革需求。

（三）能力培養(yǎng)型課程組織

上面提到，機(jī)械設(shè)計(jì)課程受課時(shí)的限制，無法講授無窮無盡的知識，確實(shí)如此。隨著我國工程教育進(jìn)入華盛頓體系，工程教學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新的階段，面對無窮無盡的知識，我們是否能抽絲剝繭、去粗取精，將機(jī)械工程設(shè)計(jì)人才應(yīng)該具備的能力進(jìn)一步細(xì)化，按能力需求來進(jìn)行人才的教育，而不局限于對一個(gè)知識點(diǎn)、一個(gè)計(jì)算公式、一個(gè)機(jī)械零件的認(rèn)知。從設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)語言、設(shè)計(jì)思維的能力方面全面重新構(gòu)建機(jī)械設(shè)計(jì)課程教材和機(jī)械工程核心課程教材，是一項(xiàng)相當(dāng)有難度的課題。但我們和機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)的專家都在努力，專業(yè)認(rèn)證、CDIO、新工科，眾多學(xué)者、教授正在努力研究，進(jìn)行嘗試。

（四）mooc教學(xué)

近年來我國mooc的發(fā)展非常迅速，目前規(guī)模比較大的幾家國內(nèi)mooc平臺有：愛課程、學(xué)堂在線、開課吧、網(wǎng)易云課堂、好大學(xué)在線等。利用mooc教學(xué)可以更靈活多樣地組織我們的教學(xué)活動(dòng)，mooc教學(xué)不用嚴(yán)格按照大綱規(guī)范系統(tǒng)講授，可以突破教學(xué)時(shí)間、課時(shí)長度、教學(xué)手段的束縛，便于教師發(fā)揮主觀能力性，大膽嘗試，讓廣大學(xué)生來評判?？梢哉f利用好mooc平臺教學(xué)，對于教學(xué)改革、課程設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的試驗(yàn)場。mooc平臺是機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)改革的很好的平臺。

新時(shí)代對機(jī)械設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)課程及教材應(yīng)該迎難而上，勇于突破，結(jié)合新技術(shù)，傳播先進(jìn)的知識，培養(yǎng)出符合時(shí)代要求的各類人才。