面向新工科人才培養(yǎng)的機械設計基礎課程教學改革

鄭 靜，龍湘云，伍素珍

（湖南大學 機械與運載工程學院，長沙 410082）

為實現(xiàn)從制造大國向制造強國、創(chuàng)造強國的轉(zhuǎn)變，我國在“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要[1]中強調(diào)，要增強制造業(yè)競爭優(yōu)勢，加快推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。為應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，現(xiàn)代制造業(yè)正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化的智能制造方向發(fā)展。與之相呼應，注重學科交叉、理工融合與產(chǎn)教合作的“新工科”應運而生[2]?！靶鹿た啤睂Ω叩葘W校的傳統(tǒng)機械類工科專業(yè)教學體系改革、人才培養(yǎng)質(zhì)量提出了更高的要求[3-4]。與傳統(tǒng)制造業(yè)相比，智能制造的核心在于創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，而創(chuàng)新和發(fā)展的源動力在于培養(yǎng)卓越的新工科人才。為更好地迎接現(xiàn)代復雜裝備關(guān)鍵機械零部件設計制造提出的挑戰(zhàn)，培養(yǎng)知識種類多、學科交叉、創(chuàng)新能力強的機械類人才至關(guān)重要[5]。

機械設計基礎是面向智能制造工程、工業(yè)工程及工程力學的專業(yè)核心課程，本課程主要包括機構(gòu)學原理、機械零部件和系統(tǒng)設計等內(nèi)容，是從理論性、系統(tǒng)性很強的專業(yè)基礎課向?qū)嵺`性較強的專業(yè)課過渡的一個重要轉(zhuǎn)折點，是塑造機械設計技能與理念至關(guān)重要的一課?？傮w而言，目前機械設計基礎課程中傳統(tǒng)基礎內(nèi)容占比太重，且更新緩慢，教學方法與現(xiàn)代智能化機械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展逐步脫節(jié)，難以滿足智能制造領(lǐng)域?qū)哂泄こ绦?、技術(shù)性和科研性復合型人才的迫切需求。面對這一挑戰(zhàn)，機械設計基礎課程教學模式的改革迫在眉睫。為此，從三個方面提出了機械設計基礎課程的教學改革措施：首先，對課程內(nèi)容進行系統(tǒng)化梳理，在傳統(tǒng)理論教學中融入現(xiàn)代先進設計的理念和方法，保障教學的更新與時俱進；其次，發(fā)揮機械設計科研團隊的優(yōu)勢，豐富教學課堂、討論課堂及實踐課堂的知識廣度和深度；最后，打通理論課堂教學和課程設計實踐，以項目訓練牽引知識學習并最終應用于實際設計，真正實現(xiàn)理論與實踐的高度貫通。

一 機械設計基礎課程的教學現(xiàn)狀

（一）零散式的傳統(tǒng)教學模式

機械設計基礎是從理論性、系統(tǒng)性的專業(yè)基礎課向?qū)嵺`性的專業(yè)課過渡的一個重要轉(zhuǎn)折點，作為一門綜合性較強的課程，其教學內(nèi)容涵蓋了機械原理與機械設計兩部分，內(nèi)容多且雜。以湖南大學智能制造工程、工業(yè)工程及工程力學專業(yè)所使用的機械設計基礎課程教材為例[6]，其內(nèi)容包括機械設計基礎知識、常用機構(gòu)及傳動設計、通用零部件設計、機械系統(tǒng)總體設計以及與機械現(xiàn)代設計方法相關(guān)的18個知識章節(jié)。

整體而言，目前機械設計基礎課程的教材主要是通過各個章節(jié)分別介紹各類常用機構(gòu)和通用零部件來介紹其基本原理及設計方法，章節(jié)之間的聯(lián)系性不強。而傳統(tǒng)教學思路一般較大程度依賴于教材的內(nèi)容，零散地講解各個章節(jié)，難以讓學生搭建完備的知識框架體系，形成對機械系統(tǒng)的整體認知。譬如，傳統(tǒng)教學主要是從機構(gòu)運動學原理方面分別介紹各類機構(gòu)的基本類型及功能特點，較少從實際工程需求角度出發(fā)，分析如何設計傳動系統(tǒng)的組成機構(gòu)，難以培養(yǎng)學生對復雜機械的整體理解。除此之外，傳統(tǒng)機械設計基礎課程教學注重傳統(tǒng)基礎理論，而缺少先進設計理念與方法的融入。盡管教材中通常包含現(xiàn)代設計方法的章節(jié)，但是該部分內(nèi)容通常較為獨立，所涉及內(nèi)容概述性較強，使學生不能充分理解、應用現(xiàn)代設計理念與方法。更重要的是，隨著當前智能制造行業(yè)的發(fā)展，很多具有挑戰(zhàn)性的瓶頸問題亟待解決，而教學內(nèi)容應該與時俱進、不斷豐富與更新，使得學生在學習必要的基礎理論知識的同時，掌握更多的新技術(shù)、新方法、新思路。例如，凸輪輪廓曲線的設計主要集中在講解基于反轉(zhuǎn)原理的圖解法，設計方法較為傳統(tǒng)，難以保證其設計效率與設計精度；齒輪、帶傳動的設計步驟則較為繁瑣，通常都是先進行相關(guān)參數(shù)的預選，根據(jù)計算結(jié)果進行反饋，再通過反復的修改和計算最終確定設計方案，缺少現(xiàn)代設計與優(yōu)化理念的培養(yǎng)。

（二）分離式的課堂教學與課程設計實踐環(huán)節(jié)

機械設計基礎課程體系不僅包含課堂教學，課程設計也是必不可少的實踐性教學環(huán)節(jié)。課程設計作為學生的首次綜合機械設計能力訓練，其目的是綜合運用機械設計基礎、工程制圖等課程知識，學會查找標準規(guī)范手冊、圖冊等相關(guān)資料，培養(yǎng)學生的基礎專業(yè)技能和機械設計素養(yǎng)，為后續(xù)的專業(yè)學習打下堅實基礎[7]。

機械設計基礎課程設計是理論知識付諸于實踐活動的載體，也是培養(yǎng)學生機械設計素養(yǎng)的必要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的課程設計實踐與課堂教學通常是相互獨立的，只存在鋪墊關(guān)系，缺少相互交融，使得理論教學與實踐教學存在一定的脫節(jié)，難以形成一套實時、系統(tǒng)的理論-實踐一體化的教學模式。譬如，在齒輪傳動設計的教學中，通常是把零散的知識點直接串聯(lián)，未能充分挖掘知識與實際工程需求之間的關(guān)系，課堂教學與課程設計分離，使得學生到課程設計階段面對真實工程背景時不知如何下手。此外，傳統(tǒng)課程設計通常以手算、手繪，以及經(jīng)驗公式和查找手冊為主，缺少對先進的數(shù)值計算技術(shù)和現(xiàn)代設計手段的引進，而在課堂教學過程中也缺乏相關(guān)內(nèi)容的安排，教學模式與現(xiàn)代智能化機械產(chǎn)業(yè)的需求脫節(jié)。

二 面向新工科人才培養(yǎng)的機械設計基礎課程教學改革

在當代新工科視域下，對人才的培養(yǎng)更注重時代性、創(chuàng)新性及引領(lǐng)性，傳統(tǒng)機械設計基礎的教學模式難以滿足行業(yè)高速發(fā)展對人才的需求。為了培養(yǎng)更具競爭力的新工科人才，教學改革應不僅僅局限于對于基礎知識的傳授，更應該著力于如何培養(yǎng)學生的專業(yè)綜合能力。基于此，本文擬從理論及實踐兩個層次出發(fā)，提出“兩層次三方面”的教學改革思路，如圖1所示，為機械基礎核心課的教學提供參考。首先，在理論教學改革方面，系統(tǒng)性地梳理理論知識課程脈絡，將傳統(tǒng)機械與現(xiàn)代先進設計理念和方法充分融合，實時更新教學內(nèi)容；同時，將機械設計科研團隊的技術(shù)手段和科研項目融入課堂，以項目牽引教學，豐富課堂教學，建立傳統(tǒng)機械理論與前沿科學研究的聯(lián)系；另外，打破分離式教學模式，將實時更新的理論知識和設計手段貫通于課堂教學與課程設計實踐，形成理論實踐一體化的教學模式，在培養(yǎng)合格人才的基礎上，鍛煉學生的工程實踐、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等多方面能力，培養(yǎng)其成為適應現(xiàn)代新型機械產(chǎn)業(yè)的復合型人才。

圖1 兩層次三方面的教學改革思路

（一）現(xiàn)代設計方法牽引教學

基于理論力學、材料力學等工科前導課程和工程圖學、互換性與測量技術(shù)等機械專業(yè)課程，以理論課堂和集體討論課為教學載體，在講授傳統(tǒng)機械基礎知識的同時，注重現(xiàn)代機械設計方法和手段的應用與融合，以先進前沿的科研方法與思路牽引教學。在首次授課過程中，從現(xiàn)代復雜裝備引入，再介紹典型機器如減速器、內(nèi)燃機和沖床等，引導學生展開討論，觀察復雜機器的工作原理及組成部分，了解齒輪傳動、帶傳動與鏈傳動、鍵連接、軸承、軸和聯(lián)軸器等在機器中的原理及功用，各個零散式的教學章節(jié)通過實際工程應用背景匯集到一起，自然地形成了緊密的聯(lián)系與呼應。除此之外，引導學生繪制思維導圖，由總到分梳理本門課程知識脈絡，搭建整體的機械基礎知識體系，形成機械專業(yè)認知和整體思維。

對于各章節(jié)具體的理論課堂教學，加強對機構(gòu)和零部件的機械設計與實際應用的講解，結(jié)合現(xiàn)代機械工業(yè)的機械設計需求，引入數(shù)值分析、有限元計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等現(xiàn)代先進理念，幫助學生進一步理解機械結(jié)構(gòu)的原理與設計。同時，以小班討論課為載體，著重強調(diào)先進信息化技術(shù)手段的引入與應用，構(gòu)建個性數(shù)字化設計形式的集體討論課，將現(xiàn)代先進理念與技術(shù)付諸于機械設計實踐，切實提高學生的專業(yè)素養(yǎng)和實際操作能力。例如，對于齒輪結(jié)構(gòu)設計，在掌握齒輪設計基本流程的基礎上，采用有限元計算方法進行齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度計算，并與傳統(tǒng)模型的經(jīng)驗公式計算結(jié)果對比；對于連桿機構(gòu)如曲柄滑塊機構(gòu)，應用MATLAB對其進行結(jié)構(gòu)設計與計算，再通過UG構(gòu)建三維幾何模型，分析其運動原理及特性。另外，在對知識內(nèi)容進行梳理和更新的同時，制作與之配套的立體化資源，廣泛收集和選用不同渠道中的公共資源，鼓勵學生在課堂之外根據(jù)興趣進行補充學習，構(gòu)建自己更加充實的專業(yè)知識體系。

總體而言，用現(xiàn)代設計方法與理念引領(lǐng)教學思路，進而開展各個章節(jié)的教學，在機械傳統(tǒng)專業(yè)知識系統(tǒng)化課堂的基礎上，最大化地引入現(xiàn)代前沿設計方法和技術(shù)手段，構(gòu)建總體系統(tǒng)設計思維與觀念，提升應用現(xiàn)代設計技術(shù)與方法的熟練度，縮短本科生專業(yè)技能水準與現(xiàn)代制造業(yè)日益增長的就業(yè)要求之間的差距，提高學生的綜合就業(yè)競爭力。

（二）科研前沿研究融入教學

筆者所在實驗室是湖南大學裝備可靠性分析與設計實驗室，科研領(lǐng)域為機械設計方向，多年來在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、結(jié)構(gòu)不確定性分析與可靠性設計方面進行了深入研究，扎實掌握了該領(lǐng)域的理論知識和前沿技術(shù)。因此，將相關(guān)前沿的研究融入課堂教學，將有效提升教學深度和廣度，使學生充分了解機械設計領(lǐng)域的前沿研究與應用，擴展學生的科研視野。

首先，將結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設計等前沿課題有機融入課堂教學和實踐教學，實現(xiàn)專業(yè)知識和科研動態(tài)雙向并進。例如，在齒輪或帶輪的結(jié)構(gòu)設計中，通常會僅僅介紹實體式、腹板式以及輪輻式的基本結(jié)構(gòu)形式。事實上，在滿足結(jié)構(gòu)強度與剛度要求的基礎上，可以應用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計技術(shù)[8]，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸、形狀和拓撲的優(yōu)化設計，獲取輕量化的更優(yōu)結(jié)構(gòu)。以此激發(fā)學生自主思考潛能，打破固有設計思維，在機械設計的過程中主動探尋和思考更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)模型，達到科研反哺教學的目的。其次，結(jié)合團隊工程研究項目，分組邀請學生進行實驗室參觀及日?？蒲醒杏?，鞏固課程內(nèi)容并補充相關(guān)前沿機械設計相關(guān)的理論知識，形成前瞻性的科研引導和科研洞察力，逐步養(yǎng)成科學探究精神和自主創(chuàng)新意識，達到創(chuàng)新教學的效果。

通過將科研研究融入教學，一方面發(fā)揮科研團隊的優(yōu)勢，將科研成果、工程案例融入教學，充盈學生的科研素養(yǎng)與敏感度，并且給予學生了解新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)的更多途徑與方法。同時，通過工程項目的實際訓練，引領(lǐng)學生的主動思維與主動學習，學習與應用現(xiàn)代設計手段和方法，從而提高學習與實踐的質(zhì)量和效率。另一方面，學生掌握知識的過程中產(chǎn)生的正面質(zhì)疑與反饋，將會推動教師查閱相關(guān)文獻，實時捕捉科研動態(tài)和前沿學科知識，緊跟學科前沿動態(tài)。

（三）理論課堂與實踐課程的貫通融合

傳統(tǒng)機械設計基礎課程課堂教學與課程設計是兩個獨立的版塊，一般在課程知識學習結(jié)束之后再單獨進行課程設計，造成理論環(huán)節(jié)與實際環(huán)節(jié)脫節(jié)。正如前文中所述，將機器結(jié)構(gòu)的設計理念貫穿于整個教學過程，在知識學習的過程中搭建機械系統(tǒng)的設計流程和思路，使得在后續(xù)的課程設計實踐中更加地有的放矢。同樣地，將學習內(nèi)容運用于課程設計的過程也反向鞏固了課堂所學知識。同時，結(jié)合現(xiàn)代設計引領(lǐng)的課程學習以及機械設計領(lǐng)域前沿的科學研究，開展理論-實踐一體化的數(shù)字化課程設計改革，形成一套理論課堂與實踐課程貫通的培養(yǎng)模式，如圖2所示。在保證學生熟練掌握與應用專業(yè)知識的同時，激發(fā)學生思考的積極性與主動性，培養(yǎng)其研究思維，使得其在課程設計中能更好地發(fā)揮主觀能動性，設計出更優(yōu)的結(jié)構(gòu)。

圖2 理論-實踐一體化的復合型人才培養(yǎng)模式

具體來說，理論-實踐一體化的數(shù)字化課程改革的開展如圖3所示。一般的課程設計主要包括以下五個環(huán)節(jié)：①確定總體方案，合理分配傳動比；②設計傳動零件，包括結(jié)構(gòu)設計和強度計算；③繪制裝配圖；④繪制零件圖；⑤編寫說明書。在此基礎上，充分運用所學的機械基礎知識，結(jié)合相應的現(xiàn)代設計理念及計算機輔助設計方法，提高分析的準確性和計算的效率。傳動零件的設計通常需要預選參數(shù)，若計算結(jié)果不合理或不滿足則返回調(diào)整參數(shù)重新計算，導致設計過程較為繁瑣，且有較多重復性工作。針對此類問題，可利用MATLAB對零件的設計過程進行編程，通過軟件進行高效計算。另外，傳統(tǒng)手繪裝配圖和零件圖在繪制精度和效率方面均受到限制，可采用CAD等繪圖建模軟件取代傳統(tǒng)的手繪，采用ANSYS等有限元分析軟件進行零部件校核分析，大幅提高設計效率。除此之外，在完成CAD三視圖繪制的基礎上，增加數(shù)字化三維建模部分，鼓勵學生采用UG、SolidWork等三維數(shù)字化軟件進行三維建模，幫助其更清晰地了解整體結(jié)構(gòu)以及零部件的裝配關(guān)系，形成理論設計與數(shù)字化技術(shù)的閉環(huán)反饋，使設計流程更加完整與精準。

圖3 理論-實踐一體化的數(shù)字化課程設計改革

因此，將課程教學與課程設計貫通融合，由現(xiàn)代設計思想引領(lǐng)課堂內(nèi)容，現(xiàn)代設計方法豐富基礎知識，同時在課程設計中合理運用所學專業(yè)知識與技術(shù)，開展理論-實踐一體化的現(xiàn)代數(shù)字化課程設計改革，提高學生綜合應用專業(yè)知識和現(xiàn)代設計技術(shù)的能力，培養(yǎng)適應新工科背景的復合型人才。

三 結(jié)束語

現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展對高質(zhì)量的新工科人才提出了迫切的需求，在人才培養(yǎng)的過程中，機械設計基礎課程的學習至關(guān)重要。本文針對機械設計基礎課程提出了“兩層次三方面”的教學改革思路，在傳統(tǒng)理論教學中融入現(xiàn)代先進設計理念、以科學前沿研究拓寬課堂的知識廣度和深度，并開展理論-實踐一體化的數(shù)字化課程設計改革，從理論層次與實踐層次培養(yǎng)綜合性新工科人才。