地方工科院校機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)探索*

李文忠，劉曉陽(yáng)，郭聚東

（河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是工科院校機(jī)械專業(yè)及其相近專業(yè)的一門重要實(shí)踐課程，其先修課程主要有機(jī)械制圖、機(jī)械原理、工程材料與金屬工藝學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、互換性與測(cè)量技術(shù)等，旨在培養(yǎng)學(xué)生初步的機(jī)械設(shè)計(jì)能力，掌握基本的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)理論知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題[1]，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生方案分析設(shè)計(jì)能力、計(jì)算繪圖能力、查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力、資料整理能力和過(guò)程綜合分析能力[2]。

與傳統(tǒng)的工科教育相比，新工科教育更強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)具有將創(chuàng)新思維變成現(xiàn)實(shí)的卓越能力的工程師[3]。因此，作為機(jī)械專業(yè)及其相近專業(yè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在新工科建設(shè)背景下，有必要加強(qiáng)對(duì)該課程的建設(shè)，著重培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，全面提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，并強(qiáng)化其對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)掌握，以利于構(gòu)建自拓展的知識(shí)結(jié)構(gòu)，為自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

1 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及目的

本文選取的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目為帶式運(yùn)輸機(jī)或鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是傳動(dòng)總體方案分析以及二級(jí)齒輪減速器為主的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)，包括了機(jī)械設(shè)計(jì)課程講授的主要內(nèi)容，如帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、軸、滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器、螺紋連接件、潤(rùn)滑與密封等。所以，該設(shè)計(jì)題目是一個(gè)針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)的理想設(shè)計(jì)題目[4]，具有很好的綜合性，可以全面考查學(xué)生前期課程學(xué)習(xí)效果，鞏固提高學(xué)生所學(xué)專業(yè)理論知識(shí)。減速器設(shè)計(jì)作為一個(gè)典型的設(shè)計(jì)案例，以往常常是軟齒面齒輪的設(shè)計(jì)，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，硬齒面齒輪漸漸普及，建議增加部分硬齒面齒輪設(shè)計(jì)內(nèi)容，以與軟齒面齒輪設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

有人建議課程設(shè)計(jì)采用符合工程實(shí)際的題目，以增強(qiáng)真實(shí)感，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。有創(chuàng)新意識(shí)是好的，但人的認(rèn)識(shí)、人才的成長(zhǎng)是有客觀發(fā)展規(guī)律的，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)需要循序漸進(jìn)，不是一蹴而就的。機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)對(duì)接的是機(jī)械設(shè)計(jì)及其先修課程，目的是使學(xué)生掌握、鞏固課程所學(xué)知識(shí)并加以綜合應(yīng)用。這是學(xué)生第一次進(jìn)行比較綜合的實(shí)踐訓(xùn)練，此時(shí)學(xué)生處于打基礎(chǔ)時(shí)期，只有掌握了機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，才能在以后的設(shè)計(jì)中有所創(chuàng)新，才能將創(chuàng)新的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。不能本末倒置，急于求成，盲目要求學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)，否則會(huì)成為無(wú)源之水、無(wú)本之木。因此，應(yīng)該在牢牢打好基礎(chǔ)的前提下再鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在繼承的基礎(chǔ)上進(jìn)行批判、創(chuàng)新。

還有人建議在課程設(shè)計(jì)中加入三維圖繪制、虛擬仿真、應(yīng)力分析等內(nèi)容，以提高學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的能力。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，這些內(nèi)容對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和基礎(chǔ)能力要求比較高，需要在前期儲(chǔ)備大量相關(guān)的計(jì)算機(jī)知識(shí)，在課程設(shè)計(jì)時(shí)間比較緊張的情況下很難完成，只有少數(shù)學(xué)生尚有余力，而大部分學(xué)生只能按教學(xué)計(jì)劃完成任務(wù)，因此只可以對(duì)少數(shù)學(xué)生提出更高要求。而且這些新增內(nèi)容需要用到計(jì)算機(jī)等設(shè)備，目前學(xué)校還未完全具備這方面的條件，只能靠學(xué)生自備，因此不宜統(tǒng)一要求。

2 課程設(shè)計(jì)的步驟和要點(diǎn)

2.1 提高重要性認(rèn)識(shí)

本次課程設(shè)計(jì)是學(xué)生初次進(jìn)行實(shí)踐，很多學(xué)生對(duì)其重要性認(rèn)識(shí)不足，積極性主動(dòng)性較差，時(shí)間和精力投入不夠，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)。在設(shè)計(jì)之初和設(shè)計(jì)過(guò)程中要多次強(qiáng)調(diào)課程設(shè)計(jì)目的和意義，使學(xué)生從思想上充分認(rèn)識(shí)到課程設(shè)計(jì)的重要性，端正學(xué)習(xí)態(tài)度。

2.2 提前布置設(shè)計(jì)任務(wù)并進(jìn)行講解

在設(shè)計(jì)前，學(xué)生要仔細(xì)閱讀指導(dǎo)教材，明確參考已有資料與創(chuàng)新的關(guān)系、理論計(jì)算與結(jié)構(gòu)工藝的關(guān)系、計(jì)算與繪圖的關(guān)系、正確使用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等問(wèn)題[1]。為減輕設(shè)計(jì)計(jì)算工作量，將部分設(shè)計(jì)任務(wù)分散到理論教學(xué)時(shí)完成，如帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)、鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)，在授課時(shí)完成與課程設(shè)計(jì)類似要求的習(xí)題，搭建起設(shè)計(jì)框架，課程設(shè)計(jì)時(shí)按所給的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)改動(dòng)相應(yīng)參數(shù)即可得出設(shè)計(jì)結(jié)果，從而縮短設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)間。安排設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)還要安排好設(shè)計(jì)進(jìn)度，設(shè)置若干時(shí)間節(jié)點(diǎn)，要求按進(jìn)度執(zhí)行。

提前安排學(xué)生拆裝減速器，觀看減速器三維圖及動(dòng)畫、拆裝視頻，增加對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的感性認(rèn)識(shí)，對(duì)各零部件建立直觀印象，對(duì)主要零部件繪制草圖，加深認(rèn)識(shí)，并掌握各零部件之間的相對(duì)關(guān)系。通過(guò)親自動(dòng)手拆裝訓(xùn)練，提高動(dòng)手實(shí)踐能力。

2.3 科學(xué)組織及強(qiáng)化過(guò)程管理

按設(shè)計(jì)任務(wù)方案每5~8人分為一組，有問(wèn)題首先在組內(nèi)討論解決，難以解決的問(wèn)題由組長(zhǎng)總結(jié)整理向指導(dǎo)教師匯報(bào)，由指導(dǎo)教師統(tǒng)一解答，這樣會(huì)促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)探討和解決問(wèn)題，也避免了相同的問(wèn)題重復(fù)回答，提高了教師指導(dǎo)課程設(shè)計(jì)的效率。

指導(dǎo)教師每天不定時(shí)到設(shè)計(jì)教室檢查出勤情況、設(shè)計(jì)進(jìn)展情況、學(xué)生在設(shè)計(jì)中的主動(dòng)性和積極性，并解決學(xué)生設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。通過(guò)QQ群、微信群等現(xiàn)代通信技術(shù)手段，及時(shí)溝通，解決問(wèn)題，還可通過(guò)視頻檢查出勤和設(shè)計(jì)情況。

學(xué)生初次接觸課程設(shè)計(jì)，許多事情無(wú)從下手，遇到問(wèn)題不知所措，常常導(dǎo)致進(jìn)展緩慢，這就需要指導(dǎo)教師勤于指導(dǎo)、解答問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中教師要分階段講解需完成的設(shè)計(jì)任務(wù)，如傳動(dòng)方案分析及動(dòng)力計(jì)算、傳動(dòng)件設(shè)計(jì)計(jì)算、草圖繪制、箱體及附件繪制、裝配圖整理完善、零件圖繪制、說(shuō)明書(shū)編寫等階段，并按設(shè)計(jì)進(jìn)度檢查完成情況，督促?zèng)]有按時(shí)完成設(shè)計(jì)任務(wù)的學(xué)生在課余時(shí)間自行補(bǔ)齊。

對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中易出問(wèn)題的地方反復(fù)強(qiáng)調(diào)、著重檢查，如減速器兩級(jí)傳動(dòng)比的分配、傳動(dòng)中心距、齒輪模數(shù)、兩個(gè)大齒輪直徑、高速級(jí)大齒輪距低速軸要有足夠的距離等，以免影響后期設(shè)計(jì)。

繪圖后期需要注重細(xì)節(jié)問(wèn)題，如裝配圖上密封、封油盤、軸承繪圖及配合尺寸標(biāo)注等制圖細(xì)節(jié)問(wèn)題，零件圖的結(jié)構(gòu)、尺寸公差、幾何公差、粗糙度的標(biāo)注等問(wèn)題；說(shuō)明書(shū)要求按所列章節(jié)編寫，內(nèi)容完整、表達(dá)清晰、步驟詳盡，并要將主要的設(shè)計(jì)結(jié)果清晰列出。

2.4 綜合考慮確定成績(jī)

答辯之前，要求學(xué)生將易犯錯(cuò)的地方反復(fù)檢查、修改，避免明顯錯(cuò)誤、低級(jí)錯(cuò)誤，如投影關(guān)系、制圖規(guī)范、說(shuō)明書(shū)的完整性等問(wèn)題，體現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)和細(xì)節(jié)的重視。答辯時(shí)就設(shè)計(jì)中的知識(shí)點(diǎn)提出問(wèn)題，對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握水平形成一個(gè)總體認(rèn)識(shí)。

最終成績(jī)由平時(shí)表現(xiàn)、圖紙、說(shuō)明書(shū)、小組互評(píng)、答辯成績(jī)構(gòu)成。其中，平時(shí)表現(xiàn)包括出勤、每日進(jìn)度完成情況、設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出的主動(dòng)性、能否發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和主動(dòng)解決問(wèn)題并提出自己的見(jiàn)解；小組互評(píng)由小組內(nèi)成員就每個(gè)人的總體情況進(jìn)行互相評(píng)價(jià)，可有效防止指導(dǎo)教師平時(shí)指導(dǎo)時(shí)的疏漏。

3 計(jì)算機(jī)技術(shù)在課程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

在數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等的設(shè)計(jì)計(jì)算通過(guò)計(jì)算機(jī)編寫相關(guān)程序進(jìn)行[5]，見(jiàn)第137頁(yè)圖1，輸入相關(guān)數(shù)據(jù)即可逐步計(jì)算，并可對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改，以得到比較滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果，還能減少計(jì)算工作量，而V帶型號(hào)、小帶輪基準(zhǔn)直徑等參數(shù)需要人工選擇、輸入，同時(shí)鍛煉了設(shè)計(jì)能力。一些簡(jiǎn)單的計(jì)算可采用Excel表格，相較于編制計(jì)算機(jī)程序計(jì)算更簡(jiǎn)單方便，有利于快速計(jì)算，修正結(jié)果。軸和軸承的校核計(jì)算也可采用計(jì)算機(jī)編程來(lái)輔助進(jìn)行，見(jiàn)第137頁(yè)圖2，輸入相關(guān)參數(shù)，選擇合適項(xiàng)目，由計(jì)算機(jī)算出結(jié)果，并繪制相關(guān)圖形，可與手工計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，防止出現(xiàn)重大失誤。

圖1 帶傳動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序的部分界面

圖2 軸、軸承校核程序的界面

由于繪制草圖時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要結(jié)合計(jì)算交叉進(jìn)行，圖紙需要經(jīng)常修改，采用計(jì)算機(jī)繪圖更加便捷，但目前學(xué)校還不具備全員使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的客觀條件，只能鼓勵(lì)部分有條件有能力的學(xué)生使用計(jì)算機(jī)繪圖，出了問(wèn)題方便反復(fù)修改，等校核沒(méi)問(wèn)題后再手工繪制正式裝配圖。這樣不僅培養(yǎng)了學(xué)生必須要掌握的手工繪圖基本技能，還提高了其計(jì)算機(jī)繪圖能力。有條件的學(xué)生可以用計(jì)算機(jī)繪制一張零件圖并打印出來(lái)，體會(huì)計(jì)算機(jī)繪圖的優(yōu)勢(shì)。

另外，鼓勵(lì)部分設(shè)計(jì)有余力的學(xué)生繪制減速器的三維效果圖，增加對(duì)零部件的直觀認(rèn)識(shí)，鍛煉三維繪圖能力。學(xué)生也可利用業(yè)余時(shí)間，將所設(shè)計(jì)零件采用3D打印技術(shù)打印成型，使課程設(shè)計(jì)結(jié)果呈現(xiàn)更加具體，提升設(shè)計(jì)的成就感，激發(fā)學(xué)生參與的積極性并鍛煉其工程實(shí)踐能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

在新工科教育背景下，本文的機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)選擇以減速器設(shè)計(jì)為主的機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)，可以滿足培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題能力的基本要求；通過(guò)加強(qiáng)重要性教育、合理布置設(shè)計(jì)任務(wù)、加強(qiáng)過(guò)程管理等措施，能夠使學(xué)生嚴(yán)格按要求完成設(shè)計(jì)任務(wù)，鍛煉工程實(shí)踐能力；在設(shè)計(jì)中鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)計(jì)算、繪圖，可以提升設(shè)計(jì)效果，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和提升其整體素質(zhì)，為以后的設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。