机械设计课程设计教学探讨

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摘要：以我国高校课程《机械设计课程设计》为研究对象进行梳理总结，该课程研究经历了从“高校重视机械设计技术革新，实践教学研究薄弱”到“机械设计课程改革，实践教学研究稍有增强”再到“课程设计从机械设计研究中分离，实践教学研究多元化”的发展过程，并对今后的研究趋势提出建议，以期为推动机械类课程设计改革、提升应用型人才培养质量提供经验和借鉴。

关键词：地方工科高校；实践教学；机械设计课程设计

《机械设计课程设计》是机械类及近机械类各专业学生必修的传统经典课程，也是一门重要的实践课程。作为机械设计教学的一个重要环节，课程设计通常是在《机械设计》理论课程结束以后的一段时间内进行，旨在通过课程设计将学过的基础理论知识进行综合应用，培养结构设计，计算能力，熟悉一般的机械装置设计过程。对于机械设计专业学生来说，课程设计是一个重要的实践过程，也是培养设计能力的重要过程，对提升分析问题、解决实际问题及产品设计能力的作用越来越突出。然而，随着机械行业新兴产业的发展，德国工业4．0战略的推出及中国制造2025战略的提出，社会对高校应用型人才产品设计能力的要求越来越高，对学生机械产品设计流程意识欠缺、综合设计能力不足等方面提出了许多批评和不满，对课程设计能否真正发挥课程的整体育人功能，能否实现教育目的至关重要［1］提出质疑。加强学生产品设计能力、创新能力培养迫在眉睫。梳理和总结《机械设计课程设计》课程研究发展，对于进一步加大机械设计课程设计改革，提升学生产品设计能力及综合应用能力，推进机械类设计人才培养供给侧改革有着十分重要的理论意义和价值。

1学术界研究概述

在中国知网，以“机械设计课程设计”为篇名，时间跨度为1915—2017年进行搜索、发现1989年之前没有查到以“机械设计课程设计”为篇名的研究论文，1990—2017年近30年，共检索相关论文120多篇（不含独立学院、高职院校）。通过计量可视化分析发现，学术界对该课程的研究并不多，且研究呈波折上升趋势。检索报告显示，基本实现了对目标文献的查全查准。为使研究不成为无源之水、无本之木，本文又以“机械设计”“课程设计”为篇名在知网进行搜索，发现“机械设计学”最早有记录可寻的是发表在1929年《教育与职业》第6期黄鹿珊起草的《机械设计学课程纲要》，纲要中言简意赅，简明扼要地介绍了该课程的学科、年级、周学时数、预习课程及教程、教法和标准用书等，同时也阐明了该学科的性质、培养目标及课程设计方法，应用学理及经验，计算器械各部之大小，制成图画。教材以学生将来服务工厂时之实用为主；授以各种原件的设计方法，以为一般机械设计之基础［2］。至此之后，直至1980年的50年时间里，有关“机械设计”的专门研究论文零星出现。“课程设计”研究的最早记录是在1954年发表在哈尔滨工业大学学报上的两篇文章，均与高校机械设计教学无关。因此，可以看出《机械设计课程设计》作为一门独立课程研究是从1990年开始的。

2我国高校《机械设计课程设计》实践教学的研究历程

机械设计是根据对机械产品提出的设计任务，应用当代各种先进的技术成果，求得一个在技术上尽可能完善，经济上合算，外观上满足美学要求，并能集中反映先进生产力的研制机械产品的方案和手段［3］。机械设计是机械工程的重要组成部分，是决定机械产品性能的最主要的因素。2．1高校重视机械设计技术革新，实践教学研究薄弱。1）产品设计问题引发重视。产品设计是机械产品质量的生命线。建国初期，受生产力水平低的影响制约，我国机械化生产程度不高，产品质量问题饱受企业界诟病。与国外先进水平比，国内机械产品要落后近20年，甚至更多，远不能满足四个现代建设的需要。随着机械工业服务方向由重工业和基本建设向技术改造转变，国内基建投资压缩，国外大量机械设备引进，机械产品竞争能力差、设计水平低导致机械行业面临着严峻的考验。机械产品设计水平低主要表现在效率低、能耗高；性能低、寿命短、安全差等方面。如何提高机械产品质量和设计人员设计水平一直是困扰行业企业界的主要问题。学者们认为，高水平的机械产品，首要的是必须提高机械设计水平。在1980年的一机部科技情报所产品设计会议，5位部长一致指出产品设计的重要性，并将加强科研、设计力量，提高产品设计水平，加速产品的更新换代作为重点工作。2）设计方法革新纷呈。最初机械设计方法主要依靠设计者的知识、经验和远见。60年代初期至80年代中期，随着机械工程基础理论和价值工程、系统分析等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累以及计算机的推广应用，产品设计逐渐舍弃主观判断而依靠科学计算。高校学者和科研单位人员结合当时国内外机械设计水平差距和发展趋势，意识到产品设计必须从经验、类比设计转向以试验研究、积累数据为基础的自行设计［4］，于是将更多的目光聚焦在产品设计方法改进的研究上。一些新的技术理论和方法，如最优化技术［5］、系统法［6］、正交表优化设计法［7］、可靠性设计和计算机辅助设计［8］、有限元分析［9］、专家系统方法［10］等纷纷被引入到机械设计中，机械设计方法的创新和改革在一定程度上提高和改进了产品的性能和利用率。3）高校实践教学形同虚设。机械产品设计问题是能力问题，设计能力的获得主要从实践中来。设计能力的高低从另一个侧面也反映出高校人才培养质量问题。资料表明，从1960—1980年初期，涉及高校机械设计实践教学研究的相关资料和论文少之又少，学术界对高校机械设计课程加强实践教学、提升学生产品设计能力培养的研究明显不足。1958年，为贯彻国家教育与生产劳动相结合的教育工作方针，学校虽然广泛开展现场教学，但由于现场教学没有陈列室，也没有教学模型，现场教学完全变成现场讲课。再加之现场教学的目的、要求、内容和方式不明确，因此，现场教学的效果并不令人满意［11］；1959年，葛守勤首次提出了高校机械设计人才培养问题，在《提高机械设计质量的几个问题》研究论文中提及，“在教师与高年级学生中，进行真刀真枪的整套机械设计，对师生来讲，过去是一件从来不敢碰的工作”［12］。由此可见，当时的高校应用型学科实践教学形同虚设，学生设计能力培养得不到重视，教学上重理论、轻实践现象十分严重。2．2机械设计课程改革，实践教学研究引起关注。1）课程教学改革顶层设计。十二届三中全会之后，人才逐渐成为推动社会经济发展的关键力量，人才缺乏问题也逐渐突显。要解决人才问题，必须大力发展教育事业。1985年5月27日，中共中央会议通过《中共中央关于教育体制改革的决定》，旨在提高民族素质，多出人才、出好人才。《中共中央关于教育体制改革的决定》明确指出，“改革教学内容，教学方法、教学制度，提高教学质量”“增加实践环节，减少必修课，增加选修课”。为进一步搞活教学，提高质量，1987年，原国家教委将原机械零件课程更名为机械设计，正式批准了全国机械设计课程教学领导小组于1986年10月审订通过的《高等工业学校机械设计（原机械零件）课程教学基本要求》［13］，并对教学大纲的制订进行改革，批准试行教学《基本要求》。《基本要求》主要对机械设计课程的理论教学、设计作业、课程设计及实验三个重要方面提出了基本要求，各学校可在此基础上制订适合自己特色的教学要求。学校自主编制教学要求，引发了学者们对机械设计课程实践教学重新的思考和质疑，对传统的教学模式提出了新的挑战。2）高校实践教学初步探索。80年代末，机械设计课程改革的呼声日益增强，相关研究文章稍有增多，研究内容也更广泛，涉及高校课程实践内容、设计选题、设计时间等方面。机械设计基础教学除安排一次减速器拆装实验外，都安排为课堂讲授。教学方法单一、呆板，教师辛辛苦苦备课、讲课，而教学效果欠佳，学生缺乏主动性和灵活性［14］。机械类课程设计在选题和时间上都需进一步加强。机械类专业课程设计专用周应增加到一周半，近机械类专业增加一周课程设计的环节［15］。许尚贤提出了机械设计课程内容逐步更新方法，建议将具体零部件设计与机械设计教学相结合。王昆结合华中理工大学机械制造一系机械设计实践教改实践，将现场教学引入到机械设计课程教学中，并取得了较好的效果。现场教学模式的实施，表明实践教学从注重理论学习转向实践能力培养，有助于培养学生的实践能力和探索精神，可以说是机械设计课程实践改革向前迈进了一大步。该领域的国外教学及改革情况也有介绍，为激活教学，国外一些教授在教学中，不断地介绍新信息，把本领域内的前沿课题和教授本人的科研成果与心得反映到教学中来［16］。如许尚贤介绍了国外机械设计教学情况；冯培恩介绍了联邦德国高校机械设计专业的教学计划及改革情况等。2．3课程设计从机械设计研究中分离，实践教学研究多元化。1990年以后，越来越多的学者对机械类专业学生的产品设计能力不足达成共识，认为机械类学生对课程设计的重要性认识不足、产品设计流程意识欠缺、工程实践应用能力较差、设计浮于理论，存在照抄照搬现象，意识到课程设计环节对于育人的重要性，逐渐将机械设计课程设计作为独立的研究对象进行研究，课程设计实践教学研究呈现多元化趋势。学者们的研究思路一般从机械设计课程设计中存在的问题入手，进行案例分析和思考，提出改革措施，研究焦点主要集中在学生能力培养、课程设计的理念、时间、选题及设计技术革新、教学方法等核心要素上。1）课程设计教学理念。有学者提出在课程设计教学中引入CDIO工程教育理念、多理念融合、创新设计理念；2017年，有学者提出了全流程产品设计的思路，如整机产品设计训练［17］，让学生在指导教师给出的设计主题范围内自行设计一个整机产品；全程体认式课程设计［18］，即整机设计的全程训练，旨在提高学生产品全流程设计能力，可谓是产品设计理念变革上的新趋势。2）课程设计指导方式。有学者提出采用“隐闭式”设计［19］，根据设计要求由学生自己确定传动总体方案；分层次指导，根据学生成绩按一般、好和优秀进行分类指导；分阶段协作设计，即应在课程设计的不同阶段提出不同的要求，完成不同的任务。3）课程设计时间。有学者认为，课程设计时间短、分散，且与课程教学脱节。一般高校机械课程设计时间安排在机械设计课程讲授结束后进行，不但与课程教学脱节，且要求2～3周内完成，学生的创新思维没有得到发挥，更不用说创造性设计；也有学者认为机械设计课程设计这类需通过大量训练才能获得相应技能的课程，其理论教学与设计训练时间最好错开一段时间（如2～3个月）。针对此问题，学者提出“先分散再集中模式［20］”“长时间课程设计［21］”等方法，建议将课程设计贯穿到理论教学的全过程或延长课程设计时间到1学期。4）课程设计内容和选题。课程设计内容和选题纷争不断，传统与创新并存。课程设计的核心问题是选题和设计方法。合理地选择课程设计题目的确十分重要，它直接影响到能否达到教学基本要求和在有限的时间内完成设计任务。对于课程设计内容陈旧，选题单一问题，多年来学者一直纷争不断。有观点认为，当前课程设计选题单一，内容过时。20世纪80年代初期，国家教委机械设计课程指导组针对当时单一地将常规齿轮或蜗杆减速器用作课程设计课题，显然已不适合时代的要求说法［22］，提出编著《机械设计课程设计课题及指南》。1990年12月，该书由上海交大编著、高等教育出版社出版，所列选课程设计的选题以传动装置的设计为主，主要是上海交通大学60年代以来在课程设计改革工作方面的部分成果。近年来，以信息技术为代表的高新技术向机械行业渗透，也极大地改变了传统的机械设计概念。部分学者认为当前机械设计课程设计以减速器设计作为主题，甚至还沿用20世纪30年代前苏联加里宁工学院的做法，毫无创新，内容陈旧，选题单一。也有学者结合多年教学实践，肯定了减速器作为设计选题的合理性，且形成“不倒翁［23］”的地位。近年来，更多的学者对现有设计选题内容和路径进行了改革创新，在减速器设计的基础上丰富和拓展选题内容或另辟蹊径，建议由学生自主选题或结合科研项目、创新大赛选题、毕业设计选题。虽然学者们对课题设计选题争论不断，但直至目前，我国大多数高等学校仍在采用齿轮减速器作为课程设计题目。5）课程设计教学方法、手段。国内学者积极探索和尝试机械设计课程设计融入课堂教学方法，主要有分层实训教学法、项目教学法、衔接式教学等。随着信息化技术的发展，为提高课程设计效率，学者们研发了丰富多样的多功能模块化的计算机软件，并运用到课程设计的各个环节，如三维设计制图软件和系统软件DZCAI、Matlab、CADPro／E、UGNX等被广泛应用于机械设计课程设计制图、实践教学环节之中；JSDB答辩系统软件适用于答辩环节；三维参数化设计软件SolidWorks便于检查和校核。

3《机械设计课程设计》实践教学改革思路

近年来，《机械设计课程设计》教学改革受到越来越多国内学者们的关注，对该课程的研究呈现多元化的发展趋势。课程设计选题反映了课程设计教学内容亟待更新，时代化、实用性的要求显著增强。多样化、多功能模块化的信息技术软件融入教学，已越来越成为当前我国高校《机械设计课程设计》课程改革的重点；密切联系机械设计学科国际发展趋势，开拓设计视野，培养国际应用型人才将是我国机械专业人才培养模式改革的方向。然而，现有资料表明，学术界对国外相同学科专业发展现状与趋势研究还不足，根据机械设计课程设计学科属性及产品设计特点进行理论探讨研究还很缺乏；实证研究论文不多。总而言之，我国《机械设计课程设计》实践教学改革任重道远。3．1加强高校机械专业供给侧改革，培养“创造型”人才。机械产品设计能力是高校机械类应用型人才必备的基本能力。在新经济背景下，在信息化飞速发展的今天，在我国由制造业大国向制造业强国、中国制造向中国创造发展的道路上，我国机械行业仍以实用、传统行业为主，创新力、品质关仍然是我国制造业面临的挑战，机器的打磨、精度的控制、产品的设计等也是摆在制造业面前的难题。与发达国家相比，我国在装备水平、自主研发、创新能力和国际竞争力等方面还比较薄弱，高技能的创新型、创造型人才还很匮乏。在2016年10月的机械工业优秀高技能人才、高技能人才队伍建设先进集体表彰大会上，中国机械工业联合会会长于珍指出，“高技能人才严重短缺是机械行业振兴亟须解决的问题。”作为机械制造业人才培养供给基地的工科高校，在机械设计专业的教学理念、教学方式、人才培养模式上已暴露出更多的问题，在学生的能力培养问题上更是存在着“重理论、轻实践”的现象，校企合作、深度融合参与课程设计教学研究的力度还不够。为提高教学质量，高校必须从设计内容、设计模式、设计方式、评价体系等多个方面进行改革，加强机械设计专业设计能力强、有创新精神的创造型人才培养。3．2树立全流程产品设计实训理念，加强学生产品设计实训。设计类实践课程需要工程化设计综合训练，然而现有的实践教学模式仍旧是书斋式做作业的方法，偏重于零部件的设计计算和结构表达，对设计方案、产品结构组成及布局设计的构思过程缺少足够的重视，忽视构思环节的必要训练是学生自主设计能力欠缺的重要原因之一。从系统理论角度讲，产品设计是多因素约束条件下综合求解的系统的、复杂的工程问题，系统内含部件、子部件、组件、零件等各个设计单元，每个设计单元都是一个实践能力培养的环节。树立全流程产品设计实训理念，就是遵循系统工程原理和产品设计自身属性，建立“需求导向，以系统为中心，产品为目标”的产品正向设计理念，运用自顶向下、整合产品设计的知识点，正向逐层完成产品各单元设计任务的正向设计方法，在单一或集成的先进技术软件嵌入教学的环境中，建立结构化的“从无到有、从虚到实、从粗到细”的产品创新设计流程和方法。实践表明，进行全流程产品设计实训是培养学生机械产品设计能力的重要路径。3．3加强设计信息化软件运用，推动工科教育教学现代化。近20年以来，信息技术对产品设计的理论、方法、工具带来了革命性的变革，运用三维设计、产品数据管理等设计信息化软件进行产品设计已成为许多企业设计人员必备能力。新一代信息技术与制造业深度融合是《中国制造2025》的技术主线，强化工业软件与传统工科专业教学内容、教学过程的深度融合。然而，当前设计信息化技术应用严重滞后于制造业企业，《机械设计课程设计》的设计工具几乎还是以二维设计软件为主。因此，运用设计信息化技术改造传统教学内容和教学手段，改造升级课程体系，是推进传统工科专业教育教学现代化，主动适应《中国制造业2025》人才培养需求的必由之路，它顺应了企业产品设计从跟踪仿制向自主创新设计转变的历史大趋势，顺应了信息技术推进传统工科专业教育现代化的发展趋势。

作者:沈秋红 陈青 单位:盐城工学院