机械设计课程设计研究

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【摘要】文章是对一次成功的机械设计课程设计改革实践的描述和总结。通过分析机械设计课程设计面临的主要问题，根据学校和学生的实际情况，决定优先解决从传统手工设计向计算机辅助设计转变的问题，以此作为改革的主要目标，制定出详细的改革方案，然后组织实施。对实施过程中遇到的问题进行分析并妥善解决，最终取得了满意的成效。

【关键词】教学改革；机械设计；课程设计；UG

1机械设计课程设计教学的性质、内容、目的、现状及主要问题

机械设计课程设计是许多机械设计类专业的必修课程，是机械设计专业基础课程的最后一个重要教学环节。对学生来说，也是第一次较全面地接近实际工作状态的设计能力训练。这门课的内容一般是要求学生在规定的时间期限内完成一项机械设计任务，即根据给定的条件设计出一个机械装置，使它的功能和性能满足一系列明确的要求。这实际上是要求学生初步具备解决工程实际问题的能力。为此学生需要综合应用前面学习过的机械制图、机械原理、机械设计、理论力学、材料力学、公差与配合、材料及热处理、机械制造工艺等课程的知识来解决问题，需要将理论知识和实际情况结合起来考虑问题，需要查阅大量的图表资料，需要综合考虑功能、性能、结构、材料、工艺、操作、维护、成本等各种因素的平衡协调来灵活制定出设计方案，还需要有严肃认真、细致、耐心、勤奋甚至连续加班加点工作的职业素质。可见这门课程对学生的能力培养和职业素质形成有巨大的促进作用，但同时也对学生的学习和教师的教学两方面都提出了很高的要求。就学生来讲，以前的学习都是一门一门课的进行，从来没有过需要将如此众多的课程内容综合起来并灵活运用到一个具体项目上来的先例。有部分学生甚至是考一门忘一门，有些甚至还是挂着科的，对他们来说这一工作的难度可想而知。需要综合平衡各种因素并灵活制定出设计方案也是学生以前从来没有碰到过的。以前的学习基本上只需要考虑单一或者少数几个因素，习题也基本上有固定的套路和唯一的答案，而现在的设计结果可以有多种甚至无数种可能，差别只是合理程度不同或者综合平衡时侧重因素的差异。如此大规模的工作量及如此复杂的一环套一环的设计过程也是从未有过的，因为前面的一个小疏忽导致后面的大问题以致不得不返工的现象时有发生。就教师来讲，面对越来越大的班级、越来越复杂的学生情况、越来越少的课时，即使富有经验的老教师也不敢掉以轻心。通过精心指导，能够按部就班地顺利完成任务已属不易，再要求在内容、方法、组织、实施、评价等过程中有所创新则更是困难重重。但越来越重视创新能力的培养要求我们在内容上创新，计算机辅助设计的不断进步和在企业的普及应用要求我们在方法上创新，学生、学时、场地、设备的现实条件要求我们不断提高效率，因而必须对组织形式和实施过程进行改革创新，而对学生新的全面综合素质要求则需要我们在评价方面有所创新。这些就是我们所面对的现实和需要解决的问题。

2国内外研究现状分析

由于计算机技术特别是微机技术的飞速发展，CAD技术应用到工程设计领域变得非常深入广泛，这对高等院校的人才培养提出了更高的要求。特别是应用型本科高校，培养的目标本来就是应用型技术人才，根据技术发展进行教学改革自然变得非常重要，因此自2008年起对机械设计课程设计的教学改革研究越来越多，越来越深入，近年来转向全三维设计的趋势非常明显。相比之下，研究型高校因为重点培养研究型人才，因此对这个问题的研究比较少见。倒是有不少职业技术学院对此进行了不少研究，但由于要求不同，研究的重点不一样。他们一般开设的是机械基础课程设计，只要求设计单级的圆柱齿轮减速器，对轴和齿轮的计算都比较简单。所以目前对此研究最多的，还是应用型本科院校。近年基于三维设计软件进行机械设计课程设计教学改革的文章主要有广东技术师范学院天河学院李俊文、陈玉莲老师的“应用型本科机械设计课程设计的改革”[1]，陕西科技大学机电工程学院梁金生老师的“基于三维模型的机械基础课程设计教学改革与研究”[2]，湖州师范学院工学院魏玉兰，李兵老师的“机械设计课程设计教学改革应用与实践”[3]，兰州城市学院机械工程系于国红、魏伟、晏丽琴等老师的《机械设计课程设计》的教学改革探索[4],云南农业大学工程技术学院张毅杰、孔令琼、施杰等老师的“基于UG平台的机械原理课程设计新模式探究”[6]等文章。总的来说，这些文章都从一定的侧面对机械设计课程设计的教学改革进行了探讨，都可以为我们这次改革实验提供借鉴和依据。

3机械设计课程设计教学改革方案

根据学校和学生的实际情况，改革只能有重点地进行，决定优先解决从传统手工设计向计算机辅助设计转变的问题，因为这是难度较小同时又比较急切需要解决的问题。为此，我们选定材料成型及控制工程专业1501班学生作为改革试点班级。因为该专业对机械设计课程设计的要求相对较低，该班学生35人，相对较少，因而可以降低改革难度和风险，确保设计方法改革这个重点的顺利进行。因为该专业后续有模具设计课程，毕业后也有许多人需要到模具企业就业，而模具企业最常用的设计工具之一为UG，该软件也是目前机械设计的主流软件，所以决定我们的机械设计课程设计采用UG软件作为主要设计工具，实现从传统手工绘图设计向三维计算机辅助设计的转变。由于学校机房及学生电脑配置差别较大，为确保大家都可以顺利完成设计，决定以UGNX8.0为主，但鼓励条件较好的学生使用UGNX10.0进行设计。内容方面，仍然从传统设计题库中选取二级齿轮减速器。但考虑到UGNX8.0在蜗杆蜗轮设计方面比较复杂，决定选题以齿轮减速器为主。为此选取带式输送机传动装置、螺旋输送机传动装置、卷扬机传动装置、混料机传动装置、电动绞车传动装置、磨盘机传动装置、链板式输送机传动装置，共七种设备类型作为设计内容。方法方面，除了图表需要查阅纸版标准、手册外，计算提倡采用EXCEL函数或规划程序，建模、装配、出工程图则全部在UG中完成，设计说明书用WORD编辑，答辩要求制作PPT。组织方面，全班分为7个小组，每组5名学生共同完成一种设备类型，便于他们相互之间的讨论交流。但给定每个人的设计条件、功能、性能参数不同，因此设计结果可能差别很大，可以有效避免互相抄袭的现象发生。实施方面，仍然采用传统的停课3周设计（即课程设计班级在此期间不再安排其它课程），这样不需改变按传统方法编排的课表和教学计划，也便于对学生的指导和管理。但将设计时间安排成两部分，每天安排4个课时必须集中到机房做设计，老师点名并当面指导，另外4个课时由学生自由安排，可以到图书馆，也可以在寝室，老师通过微信进行指导，而机房则可以用于其他班级的正常教学。这样学生每周有40课时的设计时间，3周共达120课时，对于进度较慢或需要返工的同学还可以利用晚上或周末的时间追赶，因此时间方面有充分地保障。评价方面，采用综合评价方式：方案合理性占25%，计算准确性占20%，建模质量占15%，工程图质量占10%，设计说明书质量占10%，答辩占10%，出勤情况及工作态度占10%。由于电脑绘图避免了手工绘图的一些质量问题，字迹工整、图面整洁等因素已经不必考虑，但图面的布局、线条、符号的规范等仍是工程图质量的重要内容。考虑到设计和制造图纸都有从二维为主向三维为主发展的趋势，建模质量的权重高于工程图质量的权重。

4机械设计课程设计教学改革实施过程中出现的主要问题

实际实施过程大致按方案设计、计算、零件结构设计、建模、制工程图、编写设计说明书、制作PPT、答辩共八个阶段依次进行，每个阶段都出现了大量的问题。实施过程中最初出现的问题是在方案设计阶段。部分基础较差的同学几乎完全记不起机械原理的相关知识，不知道什么样的机构可以实现什么样的传动，因而处于一种无从下手、束手无策的状态。一些基础较好的同学则陷入了存在多种可能方案而不知如何选取、左右为难的情况。前者需要老师指导他们复习机械原理相关知识并督促他们跟上进度，后者则需要老师引导他们综合权衡并做出决策。接下来计算阶段也有问题。要指导他们根据不同的情况选取不同的设计准则，应用不同的计算公式，查图、查表、确定计算参数，然后还要指导他们使用EXCEL编辑公式，完成计算。由于进度不统一，每个人的公式也各不相同，几乎无法进行统一讲解，必须一个学生一个学生地指导，工作量极大。还好每个小组都有一个能力比较强的学生，只要重点把他教会了，他可以帮助老师承担一部分指导工作。零件结构设计与建模阶段的主要问题是部分学生软件操作不熟练，有些甚至需要从简单的拉伸命令讲起，差不多是整个软件从头学起。指导老师只好在统一的时间安排软件操作复习课程。好在每个组都有一些学得比较好的同学，其他同学在老师忙不过来时可以向他们寻求帮助。这种情况严重地拖累了进度。一些零件的尺寸需要通过结构来确定，以及标准件的装配，这是建模阶段的另外两个难点。还一个比较普遍性的问题是有相当一部分学生的材料、制造工艺基础比较差，因而对零部件的制造工艺性、维护工艺性考虑不周到。制图阶段出现的主要问题是不熟悉国家标准和规范、不会确定配合类型和公差值、不会写技术要求等。设计说明书撰写阶段的主要问题是学生普遍不会使用公式编辑器，还有就是对格式要求不重视。好在这个指导相对比较容易，关键是要严格要求把好质量关。PPT制作阶段的问题主要是学生不会抓重点，总是想把尽可能多的内容往幻灯片里塞，色彩搭配也不注意对比度，喜欢搞一些很炫的背景喧宾夺主等等。这些只需要现场播放让他们自己看效果就可以解决。还有些同学要做仿真动画，这已经超出了原计划的要求，但在时间允许的条件下可以进行指导。答辩时的主要问题是紧张，可以提前做模拟答辩进行练习，可以有效缓解正式答辩时的紧张情绪。对于教师来说，最大的问题是时间紧、课时少。时间本来是没问题的，许多学生都能超额完成任务（把从电机到工作机构全都画出来了，还能做出动画仿真），但也有不少学生由于基础差、软件操作不熟练等原因跟不上进度，有时不得不为了他们而放慢整个班级的进度，最终结果就导致时间不够用。课时方面，虽然学生有120课时，但教师每天只算集中的4个课时，所以总课时只有60，尽管另60课时实际上要在微信上应付学生接连不断的问题。可以想见，这会成为向其他专业、班级推广的阻力，因而需要教务部门的政策支持。

5机械设计课程设计教学改革初步成效

经过充分准备、细致规划、认真实施，在材料成型及控制工程专业1501班试点的机械设计课程设计教学改革取得了圆满成功，顺利完成了从传统手工绘图设计到三维计算机辅助设计的转变，设计图纸更加丰富，设计质量明显提高，全班学生都通过了设计答辩，合格率达100%，其中4名同学综合评价为优秀，优秀率达到11.4%。该试点的方案、实施步骤、解决的问题、总结的经验有较好的推广价值，可以方便地推广到其他同类班级。

参考文献

[1]李俊文,陈玉莲.应用型本科机械设计课程设计的改革[J].广东技术师范学院学报(自然科学),2016(2).

[2]梁金生.基于三维模型的机械基础课程设计教学改革与研究[J].时代教育,2015(1).

[3]魏玉兰,李兵.机械设计课程设计教学改革应用与实践[J].湖州师范学院学报,2015(12).

[4]于国红,魏伟,晏丽琴.《机械设计课程设计》的教学改革探索[J].轻工科技,2015(1).

[5]顾艳红,刘占民,张建军,等.基于SolidWorks的机械设计基稿课程设计的改革与实践[J].中国现代教育装备,2015(1).

[6]张毅杰,孔令琼,施杰,等.基于UG平台的机械原理课程设计新模式探究[J].中国现代教育装备,2013(3).

[7]徐静,董雁.机械设计课程设计引入CAD技术的教学实践[J].中国教育技术装备,2014(1).

[8]郝秀红,邱雪松.机械设计课程设计教学改革初探[J].教学研究,2011(5).

[9]张健,起雪梅.基于加强教学环节的“机械设计课程设计”教学改革与实践[J].长春理工大学学报,2011(9).

作者:徐友良 单位:湖南涉外经济学院机械学院