机械设计基础课程教学能力培养模式

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［摘要］随着“智能制造”这一国家战略的制定和实施，培养机械设计创新人才成为实现智能制造战略的重要举措。机械设计基础是机械设计培养的核心课程，但是，目前该课程体系已无法满足智能制造发展的需求。因此，文章系统分析了课程目前存在的问题，针对存在的问题从注重课程系统性、内容的完善与调整、贯穿性案例设计及创新能力培养等方面对课程改革展开研究，并在此基础上对课程能力培养的理念和培养模式展开研究。该研究可为机械设计基础课程改革和培养创新型人才提供有益的参考。

［关键词］机械设计基础；课程改革；培养模式；理论与实践并行

随着“智能制造”这一国家战略的制定和实施,国家经济发展的各个领域都对智能装备提出了更高的要求。智能制造的核心是制造，制造的前提是优良的创新设计，而实现优良的创新设计的关键是人才。因此，培养具备创新能力和实践能力强的机械设计人才，能满足我国智能制造发展的战略需求。机械设计基础作为机械设计培养的核心课程，对人才能力的培养起着至关重要的作用。但是，目前该课程体系已无法满足智能制造发展对人才知识和能力的需求。因此，结合智能制造背景，本文探讨机械设计基础课程体系的改革问题，使之适应创新人才培养的需要，以服务智能制造装备的发展，满足经济和社会发展需求。

一、课程现状

机械设计基础课程是近机械类各个专业的重要基础课程，内容涵盖机械原理和机械设计[1-2]，是后续课程的重要基础。我国从改革开放以来对该课程的教学内容、教学方法等进行了多次改革，教材也较多，在特定时期发挥了重要作用。但随着社会发展和智能制造技术的进步，该课程体系存在的问题也日益突出，影响了人才培养质量。主要问题有：一是课程缺乏系统性和关联性。目前课程存在分章节独立、理论和工程实践关联度低的问题；且理论和实践是串行学习，实践大部分是通过后续课程来进行的，导致学生知识链断裂，学习不系统、不深入；同时，课程体系偏理论、轻应用[3]，导致学生学完课程后很难完成专业的设计任务。二是课程内容缺失。例如，现代智能制造中大量使用机器人，但现有课程缺少这方面的内容；现代设计方法广泛应用于机械设计当中，如计算机辅助设计、仿真等，但课程并没有将这些内容融入课程体系；机械设计中存在大量的结构设计，而这方面内容课程中也没有介绍，导致学生会进行零部件的基本理论计算，却无法设计出符合要求的机械结构；现代装备的设计都需要机电控等多学科融合，但是现有课程没有相关整体设计的内容，导致学生缺乏整体设计概念。三是部分课程内容老化，部分程式化内容占据较大篇章。比如，机械原理部分的作图法等内容，已经不符合技术发展需要，没有必要再讲解；机械设计部分的内容，如齿轮设计、带设计等较多内容学生通过例题或练习参阅标准即可掌握，无须通过专门的章节进行讲解。四是课程例题和练习题偏重知识点掌握，而缺乏具体产品或案例的系统训练。每章的例题都是针对知识点的练习，与具体的产品或机构的关联度弱，导致学生遇到实际问题时缺乏参考和关联性思考，学习效果差；课后习题也是注重知识点的掌握，而缺乏与专业相关的典型产品或装置设计的关联[4]，导致学生虽然可以很好地掌握知识点，但是实践能力较差。五是机构及零部件的发展史、应用背景知识和创新方法缺乏。机构和零部件的发展史对学生了解技术发展脉络，掌握技术创新的思维具有重要的作用，但课程缺乏对其的介绍；课程的理论、习题和练习等缺乏与实际应用背景的结合，如宏观参数的确定、如何对机构或零部件提出设计要求等；课程还缺乏对创新方法的介绍。这些导致学生缺乏自主设计的能力，虽然掌握了很多知识，但是创新乏力，或有创新想法，但难以实现。本文针对机械设计基础课程目前存在的问题，对课程改革展开研究。本文提出系统化、理论与实践并行、即学即用的课程理念，从课程系统化和关联性、课程内容更新、缩减标准和传统内容、设计典型案例、创新能力培养等方面对课程进行改革；同时，从培养创新型人才角度给出课程的培养理念和培养模式，以期改进课程教学体系，提高人才培养质量，满足智能制造装备的发展需求。

二、课程改革探索

针对课程目前存在的问题，本文从以下几个方面进行课程改革：注重课程系统性和关联性，避免知识碎片化和学用割裂；完善教学内容，增加适应时代发展的内容；调整传统和程式化内容，缩减调整老化和标准化内容；进行贯穿式案例设计，设计贯穿课程的案例和练习；进行创新能力培养，通过技术发展史和设计背景等培养创新思维。

（一）注重课程系统性和关联性

目前机械设计基础课程的内容主要分为机械原理部分和机械设计部分，而每一部分的章节相对独立，每个章节主要讲解一类机构或零部件的设计原理和方法，如四连杆机构、齿轮传动设计等。通过对每一章内容的学习，学生可以掌握某个机构或零部件的基本原理和理论计算方法。但是，一方面在给定具体设计任务后，由于缺少相应的理论指导和实践基础，学生普遍缺乏对装备的总体设计能力，不具备对设计任务进行分析和解决的综合能力，导致学生面对实际问题时无从下手；另一方面章节间知识的关联性和知识与实际应用间的关联性较差，使得学生面对实际问题时，很难快速找到解决方案，比如系统宏观参数如何确定、系统方案如何设计等。从实际的机电产品设计角度来讲，每一个装备或者装置的设计都首先需要从总体功能要求出发，考虑总体方案和设计，需要确定系统的参数和性能要求、方案中会用到多种机构或零部件，该如何进行选择和设计，课程缺乏系统性的设计体系；同时，总体设计不仅是机械系统的设计，还要根据智能装备机、电、控等一体化的要求，合理选择和配置机、电、液等系统。因此，现有的课程结构很难使学生具备自主设计装备的系统知识和能力，需要对课程进行改革，使课程具有系统性和关联性。系统性可以避免知识碎片化和知识断链，主要改革重点应放在以下几个方面：（1）课程系统需要具有现代智能装备整体设计理论和方法，使学生具有全局观念和意识，掌握装备整体设计的基础理论、知识和基本流程，特别是总体知识架构，如系统设计方法、传动系统类型、常用结构等，使学生具有系统设计的能力和宽广的知识面。（2）课程需要融入现代设计方法，目前课程基本不涉及现代设计方法的介绍，而在实际项目中，工程技术人员都是基于现代设计方法和工具进行设计的。因此，需要在基础学习时让学生掌握基本的现代设计方法和CAD、CAE等基本工具，具备实践能力。（3）课程需要增设装备结构设计的内容，目前课程设计主要是进行基本性能和参数的计算，但是计算完成后，装置或设备结构如何设计合理，缺少相应的理论和实例讲解。关联性可以使各章节知识关联起来，使理论和实践关联起来，使学生建立理论到实践的直观概念，从而实现即学即用。关联性改革主要体现在以下几个方面：（1）根据专业特点，以经典产品或者案例为框架，如采用汽车底盘为案例，将各章节知识点的学习与实际案例的功能部件设计直接关联，从如何分解功能部件、如何确定参数、如何选择方案、如何迭代设计等方面展开讲解，使理论和实践自然衔接；（2）章节例题以案例功能零部件为例，自然引入设计要求，使学生设身处地地考虑具体问题，解决具体问题，从而实现学与用的零过渡；（3）以专业常用装备为总体案例设计课后练习题，使学生将课上所学理论和知识运用到一种或几种专业装备设计上，使学生拓展知识的应用实例，从而增加学生面对复杂问题的从容性，做到举一反三。

（二）完善教学内容

随着科学技术的发展，智能制造领域的发展需要研发各种新型装备，这就要求设计人员具有良好的创新能力和掌握扎实的设计技术。根据前文关于系统性和关联性的陈述，机械设计基础课程在教学内容上要先增加这些系统性和关联性内容。同时，随着智能装备的技术发展，一些新型的机构、零部件大量涌现，现有的课程内容主要对象是传统机械常用机构和零部件，没有体现技术发展现状，如机器人技术、新型联轴器等，致使学生在面对实际问题时，一是认知不足、知识面窄，二是思维受限、创新乏力。因此，在教学内容方面还要增加新型机构和零部件的内容，主要有：（1）机器人的基础理论和知识。讲解机器人的类型、自由度、运动学与动力学基础及典型机器人，包括串联机器人、并联机器人、移动机器人等。（2）新型零部件的介绍。如液力耦合器、粘性耦合器、封闭齿轮传动等，这些内容广泛应用于机械设计领域，但学生基本没有接触，这限制了学生的创新能力和设计能力。（3）零部件结构和结构件的常用设计方法。目前课程内容中缺乏常用结构形式、结构设计原则、设计方法等方面的内容，比如壳体设计方法、基于零件工艺的结构设计、常用结构形式和设计方法等。

（三）调整传统和程式化内容

随着CAE技术的发展，机构的设计可以通过编程或者软件直接完成，而不需要进行手工作图和推导计算；零部件的设计则基于标准进行，且设计内容都已流程化、程序化，没有复杂的理论和技巧。因此，对这些传统方法和程式化的内容学生完全可以在练习过程自主掌握，这些内容需要进行缩减，以节约更多的课时。具体调整包括：（1）调整传统内容。如删除连杆机构的作图法、凸轮的作图法等内容，增加这些内容的现代设计方法的介绍。（2）删减程式化设计内容。比如齿轮设计、蜗轮蜗杆设计、带设计、轴设计的部分内容。

（四）贯穿式案例设计

课程内容、例题、习题与实际装备的联系对课程体系构建和人才培养具有重要的意义。理论和实践的联系可以使知识系统化、理论实践并行化、抽象与直观一体化，从而大大提高学生的学习兴趣、学习效率和效果。根据课程内容和专业特点，设计贯穿课程理论的整体案例，可培养学生的整体设计意识、任务分解能力等，比如采用汽车作为整体案例，汽车是学生所熟悉的一个产品，其零部件基本涵盖了课程所有内容，可大大增加学生的兴趣和亲和感。例题的设计可以采用整体案例和专业常用装备结合的方式，以整体案例为主，以专业常用装备为辅，将课程理论和案例有机结合，使学生在学习知识点的同时培养整体和部件设计意识，加深对知识和专业装备的理解；比如连杆机构的讲解可以与汽车雨刮刷结合，齿轮设计可以和新能源轮边减速器结合等。对包装专业的学生可以以包装机械为案例，对化工专业的学生可以以化工装备为案例等。课后练习题也要避免以练习知识掌握程度为主的方式，应以专业常用装备的零部件设计为主，进行习题设计。这样可以使学生在学完典型案例后转换到新的案例场景，通过场景转移不仅可以使学生掌握所学知识，加深对专业装备的理解，还能培养学生举一反三的能力，遇到问题有对比、有参照，消除面对新问题的无措感。

（五）进行创新能力培养

创新能力不是凭空具备的，需要对知识的来龙去脉有充分的认识，通过对技术的发展脉络的认知，逐渐提高学生的创新意识，从而提高学生的创新能力。而了解任何一个机构或者零部件方案是如何产生和满足要求的，则可以让学生在心中生成知识的全景图，从而提高认知和分析能力。因此，需要在每一章绪论对本章内容的发展历史脉络进行陈述，同时嵌入创新方法在其中发挥的作用，尤其是对技术是如何被创新出来的展开讨论，使学生对知识的历史和未来产生一种认知感和“趋势感”，利于培养学生的创新意识和能力。课程的例题和习题要增加装备的设计背景知识，使学生对所设计的对象的功能、要求和使用等有充分认识，对实际设计案例进行沉浸式体验，将抽象的理论学习和实际应用结合起来，从而具备创新能力和即学即用的能力。

三、能力培养模式探索

课程体系改革的目的是使课程满足学生能力培养的需要，而能力培养需要从培养理念和培养模式等方面展开研究。

（一）培养理念

技术的发展需要学生具备独立从事机械设计工作的能力，因此，课程要有系统化、理论与实践并行、即学即用、创新培养的课程理念。课程要自成体系且系统化，避免内容孤立碎片化，且不需后续课程专门训练即可具备设计能力；理论和实际知识要贯穿课程，使之成为一个有机体；课程不是学知识点，要实现理论到实践的零过渡，使学生具备即学即用的能力；课程要注重创新思维的培养，做到提供知识的土壤，播下创新的种子。

（二）培养模式

培养模式的构建是落实培养理念的途径。培养模式要以培养学生的创新能力和掌握扎实的基础知识为中心，通过理论与实践结合的方法开展教学，并充分调动学生的积极性和主观能动性，通过课堂教学、课后练习、创新设计、综合考核等手段对学生进行全面培养。在课堂安排上，可以采用翻转课堂和慕课结合的方式，教师进行综合讲解，学生进行具体知识点和习题的讲解，并在此基础上师生就问题展开深入讨论，培养学生发现问题、解决问题和独立思考的能力。在课后，学生要按照系统化案例进行练习，要求部分学生对练习题进行讲解，其他学生根据自身理解和课外学习内容进行补充，展开师生讨论，使学生掌握扎实的知识，从而扩充知识面，培养创新思维。课程教学过程中布置两到三次创新设计，以小组为单位，自主选题或者由教师命题。任务完成后，每个小组安排一名代表进行小组创新设计总体讲解，同时小组成员分别讲解自己在创新设计中的工作和体会，其他组同学对创新设计进行评价和讨论，教师最后进行设计点评，进而帮助完善每一个创新设计。通过这种创新设计，可以极大地提高学生的学习兴趣、积极性，提高学生综合设计和创新的能力。课程的考核应该避免知识化考核，而应采用平时训练和期末考核的方式。

［参考文献］

［1］沈言锦.“中国制造2025”背景下机械类专业课程体系重组研究：以《机械基础》课程为例［J］.学理论，2018（3）：213-214.

［2］韦慧玲.非机械专业“机械设计基础”课程教学改革［J］.高等教育，2020（2）：176-177.

［3］汤晓明，潘晓红.“目标引导，任务驱动”下的课程设计与专业课教学同步的教改尝试：以机械设计基础课程为例［J］.大学教育，2019（1）：58-60.

［4］陈小强.面向创新社会的精密机械设计基础实践课程改革［J］.教育教学论坛，2019（52）：103-104.

作者：杨富春 岳晓明 陈龙 单位：山东大学机械工程学院