“机械设计基础”教学改革研究

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摘要：为了调动学生的学习积极性，通过分析传统教学模式下“机械设计基础”课程教学过程中当前存在的问题，结合该课程的特点从教学方法、教学手段、教学内容、教材建设、实践教学等方面对课程教学的改革进行了研究。经过几年的研究与实践，课程教学效果得到了改善，学生的学习兴趣得到了激发，实践能力获得了锻炼。

关键词：机械设计基础；教学研究；教学方法；近机类专业

“机械设计基础”课程是北京信息科技大学近机类专业工业工程、工业设计的一门重要专业基础课程，其任务是培养学生对机械机构的分析与设计能力，使学生初步掌握基本的设计理论和设计方法。课程在基础课与专业课之间起承上启下的作用，与后续课程衔接紧密，为今后学习专业课程以及工作打下必要的基础，可增加学生的专业适应能力，使其能满足市场经济对人才的需求，有利于学生就业选择。“机械设计基础”课程因其具有分散性、综合性及实践性和公式多、概念多及图表多等特点，给教学工作带来不小的困难，因此怎样充分地利用现有教学资源调动学生的学习积极性，变被动学习为主动学习，实现北京信息科技大学高素质应用型人才的培养目标，在本课程教学中研究与探索新的教学方法就显得更加迫切和必要了。

一、教学现状分析

1.工业工程、工业设计专业的学生在开始学习机械设计基础课程的时候，大多数学生以前极少关注机械的结构，对机械缺乏一定的感性认识，或对机械的整体认识是模糊的。2.课程涉及的基础理论内容较广且相对独立，其特点是概念多、原理多、公式多、图表多，内容比较枯燥和单调，所学知识在学生以前的学习中很少接触，初学时往往会感到吃力[1]。在传统教学中，以教师讲授知识为主，学生只是被动地听讲；教学方法单一，无法吸引学生的注意力。3.部分教学内容陈旧。教师过于注重单个机械零部件的讲解，而对实际工程的机械设计方法介绍不多，忽略了学生的能力与素质培养，使学生容易出现厌学、惧学、弃学的情绪，或为取得好成绩而“死记硬背”，出现“高分低能”的现象。

二、丰富教学方法，完善教学手段

1.教学方法多样化。采用图示教学法与任务驱动教学法相结合进行教学。（1）图示教学法。图示教学法是乌克兰教育家沙塔洛夫经过30多年的潜心试验与研究，提出的一种新的教学方法。该教学方法的核心是“纲要网络”图表，此图表是一种由文字、图形、公式、方框、流程线和表格等组成的教学辅助工具[2]。在讲解各章内容时，利用图表将各个概念、知识点、公式有机串联起来，使其相互关系形象直观地表达出来，有利于学生对所学知识的理解和记忆。按内容和应用可将图表分为“讲授型”和“概括总结型”。例如，在讲授“带传动和链传动”的知识时，当讲解到离心拉力Fc，可列举如图1所示的“讲授型”图表，并加以解释，如“当带作圆周运动时，带本身的质量将在圆周方向产生离心力Fc，而Fc将作用在带的全长上，因此在带各处的横截面上均产生离心拉应力σc；σc过大，将带来不良后果：①降低带的寿命；②带与带轮表面的正压力下降，导致最大摩擦力下降，从而降低带的传动能力。因此应限制带的速度。”在对带传动进行小结时，可采用如图2所示的“概括总结型”图表，由图表可知带是处于变应力状态下工作的，带中产生的瞬时最大应力发生在带的紧边开始绕向小带轮处。通过图表可将相关内容有机串联起来，让学生从烦琐的笔记中解脱出来，减轻了学生的学习压力，加深了学生对知识的理解和记忆。（2）任务驱动教学法。任务驱动教学法是一种建立在建构主义学习理论基础上的教学法，其特点是“学中用，用中学，以用促学”[3]，改变了以往“教师讲，学生听”的被动教学模式，创造了以学定教、学生主动参与、自主协作、探索创新的新型学习模式。任务驱动教学法的核心工作是根据教学内容设计任务[3]。如在讲授“平面连杆机构”一章时，教师先提出一些与平面连杆机构相关的问题，然后为学生设计了一项任务为“休闲娱乐机械和家庭用机械的设计”，设计的机械必须包含平面连杆机构，并对设计任务进行了一定的解释与提示，如休闲娱乐机械可以是小区活动场所的健身器材；家庭用机械可以是与生活密切相关的家庭用机电产品，包括窗户的开启机构、折叠桌椅、家用折叠梯子、雨伞等。此外，还要求工业设计专业的学生应用本专业知识对产品进行造型设计，工业工程专业的学生应用本专业知识进行产品进行成本核算，等等。在实施过程中，采用企业产品设计模式进行，由学生根据自身专长和兴趣爱好组队，每组3~5名学生，选出1名组长，领导本小组成员进行产品设计。鼓励小组成员进行实地调研，且每位成员均须提出自己的设计方案，由组长组织小组展开讨论，选择最佳设计方案。例如，有小组学生通过调研设计了一款新型家用折叠人字梯，如图3所示，应用了平行四边形机构使踏板同时展开或收起。伴随着一个接着一个的成就感，可培养学生对机械的学习兴趣，提高学生自主学习及与他人协作的能力，为将来工作岗位上的团队合作奠定基础。2.完善教学手段。（1）利用多媒体与实物模型相结合的教学手段。多媒体课件具有信息量大、图文并茂、声光色结合的立体效果，能扩宽学生的眼界，便于理解，实物模型的示教能起到直观形象的作用。同时，在讲解重点内容时辅以传统的板书，使重点突出、要领清楚，达到教与学的互动效果。通过多种教学手段的应用，对提高学生的学习能力收到了较好的效果。例如，将雷达天线、缝纫机踏板、汽车前窗刮雨器、搅拌机、飞机起落架、牛头刨床等机构以动画形式显示，使死气沉沉的课堂变得生动活泼，增加了学生的感性认识[4]。让一些难以想象的机构生动地呈现在学生面前，便于学生理解。（2）引入计算机辅助工程技术。学生学习计算机软件的积极性普遍比较高，尤其是工业设计专业的学生。因此，在“机械设计基础”课程中将计算机辅助工程技术引入课堂教学，收到了良好的教学效果。例如，在讲解凸轮机构时，可演示如何应用ADAMS软件解决问题；在讲解轴系零部件时，可采用Pro/Engineer建立虚拟的减速器装配体，并将其演示给学生，使学生产生好奇心，萌发急于寻求答案的求知欲望，增强学习的自觉性。为了便于学生学习，开设了多项关于相关软件应用的开放性实验。3.丰富考核方式。为了增强学生对机械的总体认识，在开学之初便将机械发展史作为一项大作业布置给学生，并计入总评成绩。让学生自行学习查找相关资料，写出相关机械的发展历史，如中国机械发展史、世界机械发展史、汽车发展史、飞机发展史、机器人发展史等，让学生在查找资料的过程中，对机械及其发展有一个总体的认识[5]。同时，在应用任务驱动教学法教学过程中安排了设计任务，将根据学生完成的作品质量计算平时成绩并计入总评。

三、精练教学内容，进行教材建设

1.精练教学内容，挖掘教学素材。从生活中挖掘教学素材，可以拉近学生与机械之间的距离。机械与生活紧密相连，挖掘生活中的“机械设计基础”课程教学素材，可以使枯燥的机械生动化，单一的教学内容变得丰富多彩。列举生活经历或新闻报道中引人入胜、趣味性强的案例，并编拟贴近实际且内容新鲜的应用问题，让学生感到所学内容有用、有趣[6]。例如，应用折叠雨伞、折叠桌椅、窗户开启机构讲解平面连杆机构；应用机械锁、开关等讲解凸轮机构；应用机械钟表、玩具等讲解齿轮机构。2.建设课程教材。因材施教，积极进行教材建设。课程组在老教师的带领和指导下，虚心向兄弟院校取经学习，以极大的热情教书育人和潜心进行教学研究，应用图示教学法进行了教学实践，将积累的经验和教学成果固化进教材，正式出版了《机械设计基础》教材，并编写了《机械设计基础实验指导书》。

四、加强实践教学

1.引导学生进行大学生科技创新计划项目。以大学生科技创新计划项目为载体，引导学生进行主动实践、自主学习的实践教学模式。为了扩大学生的视野，提高他们实践动手能力，鼓励学生课余时间走进实验室进行学习与研究，使得学有所需的学生都有机会参与其中，充分利用实验室的各种资源，得到有益的锻炼和提高。工业工程、工业设计专业的学生先后开展了“基于人因工程学的超市货架设计”、“节•阅———公共绿色照明阅读桌创新设计”、“模块化组合式家具设计”等多项大学生科技创新计划项目的研究。有工业设计专业学生参与的捷能车队更是通过大学生科技创新计划项目的研究收获了多项成果，该团队设计的节能车多次获得Honda中国节能竞技大赛最佳技术奖、最佳设计奖、最吸引眼球奖等。2.积极组织学生参加竞赛。组织学生参加机械创新设计大赛、三维数字化创新设计大赛，让学生真刀实枪的去干，利用课堂上教授的理论知识，品尝创新的滋味。工业设计专业学生参与设计的“家用多功能折叠购物车”、“防反光可调节黑板”等作品先后获得首都高校机械创新设计大赛的奖项。“农用翻土机设计”、“自动选种机”、“按摩椅设计”等作品获得了全国三维数字化创新设计大赛的奖项。3.设置开放性实验。为了使课程实践环节得到进一步充实，增加实验学时，课程组开发了多项开放性实验，如“典型机构运动仿真分析与验证”、“典型机械拆装测绘与结构分析实验”、“小型机器人创意设计与制作实验”、“机械方案创新创意设计模拟实施与分析改进”、“常见机械传动系统建模与仿真分析实验”等，完成实验的学生可以获得创新学分，鼓励学生课余时间走进实验室。

五、结论

经过几年的研究与实践，北京信息科技大学近机类专业工业工程、工业设计的“机械设计基础”课程教学效果得到了改善，学生的学习兴趣得到了激发，学生的实践能力获得了锻炼。课程教学的改革与研究使学生能学以致用，增强了学习的自觉性，促使学生从“要我学”向“我要学”转变。

作者:黄小龙 杨 洋 刘相权 单位:北京信息科技大学

参考文献：

[1]刘相权“.机械设计基础”课程任务驱动式教学改革研究[J].中国电力教育，2014，（11）：120-121.

[2]滕启.机械设计基础[M].北京：中国电力出版社，2013.

[3]刘相权.基于任务驱动教学法的《机械设计基础》教学研究[J].中国科技信息，2012，（24）：177.

[4]李国珍.机械设计基础教学中的几点体会[J].辽宁师范大学学报，2009，32（8），增刊：197-198.

[5]宋瑞银，张美琴.应用型院校机械原理教学中的创新能力培养[J].辽宁师范大学学报，2009，32（8），增刊：170-172.

[6]解占新，刘刚.谈《机械设计基础》教学思路的创新[J].辽宁师范大学学报，2009，32（8），增刊：182-184.