機械設(shè)計基礎(chǔ)課程教學(xué)能力培養(yǎng)模式

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［摘要］隨著“智能制造”這一國家戰(zhàn)略的制定和實施，培養(yǎng)機械設(shè)計創(chuàng)新人才成為實現(xiàn)智能制造戰(zhàn)略的重要舉措。機械設(shè)計基礎(chǔ)是機械設(shè)計培養(yǎng)的核心課程，但是，目前該課程體系已無法滿足智能制造發(fā)展的需求。因此，文章系統(tǒng)分析了課程目前存在的問題，針對存在的問題從注重課程系統(tǒng)性、內(nèi)容的完善與調(diào)整、貫穿性案例設(shè)計及創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面對課程改革展開研究，并在此基礎(chǔ)上對課程能力培養(yǎng)的理念和培養(yǎng)模式展開研究。該研究可為機械設(shè)計基礎(chǔ)課程改革和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供有益的參考。

［關(guān)鍵詞］機械設(shè)計基礎(chǔ)；課程改革；培養(yǎng)模式；理論與實踐并行

隨著“智能制造”這一國家戰(zhàn)略的制定和實施,國家經(jīng)濟發(fā)展的各個領(lǐng)域都對智能裝備提出了更高的要求。智能制造的核心是制造，制造的前提是優(yōu)良的創(chuàng)新設(shè)計，而實現(xiàn)優(yōu)良的創(chuàng)新設(shè)計的關(guān)鍵是人才。因此，培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力和實踐能力強的機械設(shè)計人才，能滿足我國智能制造發(fā)展的戰(zhàn)略需求。機械設(shè)計基礎(chǔ)作為機械設(shè)計培養(yǎng)的核心課程，對人才能力的培養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用。但是，目前該課程體系已無法滿足智能制造發(fā)展對人才知識和能力的需求。因此，結(jié)合智能制造背景，本文探討機械設(shè)計基礎(chǔ)課程體系的改革問題，使之適應(yīng)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，以服務(wù)智能制造裝備的發(fā)展，滿足經(jīng)濟和社會發(fā)展需求。

一、課程現(xiàn)狀

機械設(shè)計基礎(chǔ)課程是近機械類各個專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，內(nèi)容涵蓋機械原理和機械設(shè)計[1-2]，是后續(xù)課程的重要基礎(chǔ)。我國從改革開放以來對該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等進行了多次改革，教材也較多，在特定時期發(fā)揮了重要作用。但隨著社會發(fā)展和智能制造技術(shù)的進步，該課程體系存在的問題也日益突出，影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量。主要問題有：一是課程缺乏系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性。目前課程存在分章節(jié)獨立、理論和工程實踐關(guān)聯(lián)度低的問題；且理論和實踐是串行學(xué)習(xí)，實踐大部分是通過后續(xù)課程來進行的，導(dǎo)致學(xué)生知識鏈斷裂，學(xué)習(xí)不系統(tǒng)、不深入；同時，課程體系偏理論、輕應(yīng)用[3]，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)完課程后很難完成專業(yè)的設(shè)計任務(wù)。二是課程內(nèi)容缺失。例如，現(xiàn)代智能制造中大量使用機器人，但現(xiàn)有課程缺少這方面的內(nèi)容；現(xiàn)代設(shè)計方法廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計當中，如計算機輔助設(shè)計、仿真等，但課程并沒有將這些內(nèi)容融入課程體系；機械設(shè)計中存在大量的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而這方面內(nèi)容課程中也沒有介紹，導(dǎo)致學(xué)生會進行零部件的基本理論計算，卻無法設(shè)計出符合要求的機械結(jié)構(gòu)；現(xiàn)代裝備的設(shè)計都需要機電控等多學(xué)科融合，但是現(xiàn)有課程沒有相關(guān)整體設(shè)計的內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)生缺乏整體設(shè)計概念。三是部分課程內(nèi)容老化，部分程式化內(nèi)容占據(jù)較大篇章。比如，機械原理部分的作圖法等內(nèi)容，已經(jīng)不符合技術(shù)發(fā)展需要，沒有必要再講解；機械設(shè)計部分的內(nèi)容，如齒輪設(shè)計、帶設(shè)計等較多內(nèi)容學(xué)生通過例題或練習(xí)參閱標準即可掌握，無須通過專門的章節(jié)進行講解。四是課程例題和練習(xí)題偏重知識點掌握，而缺乏具體產(chǎn)品或案例的系統(tǒng)訓(xùn)練。每章的例題都是針對知識點的練習(xí)，與具體的產(chǎn)品或機構(gòu)的關(guān)聯(lián)度弱，導(dǎo)致學(xué)生遇到實際問題時缺乏參考和關(guān)聯(lián)性思考，學(xué)習(xí)效果差；課后習(xí)題也是注重知識點的掌握，而缺乏與專業(yè)相關(guān)的典型產(chǎn)品或裝置設(shè)計的關(guān)聯(lián)[4]，導(dǎo)致學(xué)生雖然可以很好地掌握知識點，但是實踐能力較差。五是機構(gòu)及零部件的發(fā)展史、應(yīng)用背景知識和創(chuàng)新方法缺乏。機構(gòu)和零部件的發(fā)展史對學(xué)生了解技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，掌握技術(shù)創(chuàng)新的思維具有重要的作用，但課程缺乏對其的介紹；課程的理論、習(xí)題和練習(xí)等缺乏與實際應(yīng)用背景的結(jié)合，如宏觀參數(shù)的確定、如何對機構(gòu)或零部件提出設(shè)計要求等；課程還缺乏對創(chuàng)新方法的介紹。這些導(dǎo)致學(xué)生缺乏自主設(shè)計的能力，雖然掌握了很多知識，但是創(chuàng)新乏力，或有創(chuàng)新想法，但難以實現(xiàn)。本文針對機械設(shè)計基礎(chǔ)課程目前存在的問題，對課程改革展開研究。本文提出系統(tǒng)化、理論與實踐并行、即學(xué)即用的課程理念，從課程系統(tǒng)化和關(guān)聯(lián)性、課程內(nèi)容更新、縮減標準和傳統(tǒng)內(nèi)容、設(shè)計典型案例、創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面對課程進行改革；同時，從培養(yǎng)創(chuàng)新型人才角度給出課程的培養(yǎng)理念和培養(yǎng)模式，以期改進課程教學(xué)體系，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，滿足智能制造裝備的發(fā)展需求。

二、課程改革探索

針對課程目前存在的問題，本文從以下幾個方面進行課程改革：注重課程系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性，避免知識碎片化和學(xué)用割裂；完善教學(xué)內(nèi)容，增加適應(yīng)時代發(fā)展的內(nèi)容；調(diào)整傳統(tǒng)和程式化內(nèi)容，縮減調(diào)整老化和標準化內(nèi)容；進行貫穿式案例設(shè)計，設(shè)計貫穿課程的案例和練習(xí)；進行創(chuàng)新能力培養(yǎng)，通過技術(shù)發(fā)展史和設(shè)計背景等培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

（一）注重課程系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性

目前機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的內(nèi)容主要分為機械原理部分和機械設(shè)計部分，而每一部分的章節(jié)相對獨立，每個章節(jié)主要講解一類機構(gòu)或零部件的設(shè)計原理和方法，如四連桿機構(gòu)、齒輪傳動設(shè)計等。通過對每一章內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握某個機構(gòu)或零部件的基本原理和理論計算方法。但是，一方面在給定具體設(shè)計任務(wù)后，由于缺少相應(yīng)的理論指導(dǎo)和實踐基礎(chǔ)，學(xué)生普遍缺乏對裝備的總體設(shè)計能力，不具備對設(shè)計任務(wù)進行分析和解決的綜合能力，導(dǎo)致學(xué)生面對實際問題時無從下手；另一方面章節(jié)間知識的關(guān)聯(lián)性和知識與實際應(yīng)用間的關(guān)聯(lián)性較差，使得學(xué)生面對實際問題時，很難快速找到解決方案，比如系統(tǒng)宏觀參數(shù)如何確定、系統(tǒng)方案如何設(shè)計等。從實際的機電產(chǎn)品設(shè)計角度來講，每一個裝備或者裝置的設(shè)計都首先需要從總體功能要求出發(fā)，考慮總體方案和設(shè)計，需要確定系統(tǒng)的參數(shù)和性能要求、方案中會用到多種機構(gòu)或零部件，該如何進行選擇和設(shè)計，課程缺乏系統(tǒng)性的設(shè)計體系；同時，總體設(shè)計不僅是機械系統(tǒng)的設(shè)計，還要根據(jù)智能裝備機、電、控等一體化的要求，合理選擇和配置機、電、液等系統(tǒng)。因此，現(xiàn)有的課程結(jié)構(gòu)很難使學(xué)生具備自主設(shè)計裝備的系統(tǒng)知識和能力，需要對課程進行改革，使課程具有系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性。系統(tǒng)性可以避免知識碎片化和知識斷鏈，主要改革重點應(yīng)放在以下幾個方面：（1）課程系統(tǒng)需要具有現(xiàn)代智能裝備整體設(shè)計理論和方法，使學(xué)生具有全局觀念和意識，掌握裝備整體設(shè)計的基礎(chǔ)理論、知識和基本流程，特別是總體知識架構(gòu)，如系統(tǒng)設(shè)計方法、傳動系統(tǒng)類型、常用結(jié)構(gòu)等，使學(xué)生具有系統(tǒng)設(shè)計的能力和寬廣的知識面。（2）課程需要融入現(xiàn)代設(shè)計方法，目前課程基本不涉及現(xiàn)代設(shè)計方法的介紹，而在實際項目中，工程技術(shù)人員都是基于現(xiàn)代設(shè)計方法和工具進行設(shè)計的。因此，需要在基礎(chǔ)學(xué)習(xí)時讓學(xué)生掌握基本的現(xiàn)代設(shè)計方法和CAD、CAE等基本工具，具備實踐能力。（3）課程需要增設(shè)裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容，目前課程設(shè)計主要是進行基本性能和參數(shù)的計算，但是計算完成后，裝置或設(shè)備結(jié)構(gòu)如何設(shè)計合理，缺少相應(yīng)的理論和實例講解。關(guān)聯(lián)性可以使各章節(jié)知識關(guān)聯(lián)起來，使理論和實踐關(guān)聯(lián)起來，使學(xué)生建立理論到實踐的直觀概念，從而實現(xiàn)即學(xué)即用。關(guān)聯(lián)性改革主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）根據(jù)專業(yè)特點，以經(jīng)典產(chǎn)品或者案例為框架，如采用汽車底盤為案例，將各章節(jié)知識點的學(xué)習(xí)與實際案例的功能部件設(shè)計直接關(guān)聯(lián)，從如何分解功能部件、如何確定參數(shù)、如何選擇方案、如何迭代設(shè)計等方面展開講解，使理論和實踐自然銜接；（2）章節(jié)例題以案例功能零部件為例，自然引入設(shè)計要求，使學(xué)生設(shè)身處地地考慮具體問題，解決具體問題，從而實現(xiàn)學(xué)與用的零過渡；（3）以專業(yè)常用裝備為總體案例設(shè)計課后練習(xí)題，使學(xué)生將課上所學(xué)理論和知識運用到一種或幾種專業(yè)裝備設(shè)計上，使學(xué)生拓展知識的應(yīng)用實例，從而增加學(xué)生面對復(fù)雜問題的從容性，做到舉一反三。

（二）完善教學(xué)內(nèi)容

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能制造領(lǐng)域的發(fā)展需要研發(fā)各種新型裝備，這就要求設(shè)計人員具有良好的創(chuàng)新能力和掌握扎實的設(shè)計技術(shù)。根據(jù)前文關(guān)于系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性的陳述，機械設(shè)計基礎(chǔ)課程在教學(xué)內(nèi)容上要先增加這些系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性內(nèi)容。同時，隨著智能裝備的技術(shù)發(fā)展，一些新型的機構(gòu)、零部件大量涌現(xiàn)，現(xiàn)有的課程內(nèi)容主要對象是傳統(tǒng)機械常用機構(gòu)和零部件，沒有體現(xiàn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，如機器人技術(shù)、新型聯(lián)軸器等，致使學(xué)生在面對實際問題時，一是認知不足、知識面窄，二是思維受限、創(chuàng)新乏力。因此，在教學(xué)內(nèi)容方面還要增加新型機構(gòu)和零部件的內(nèi)容，主要有：（1）機器人的基礎(chǔ)理論和知識。講解機器人的類型、自由度、運動學(xué)與動力學(xué)基礎(chǔ)及典型機器人，包括串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人、移動機器人等。（2）新型零部件的介紹。如液力耦合器、粘性耦合器、封閉齒輪傳動等，這些內(nèi)容廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計領(lǐng)域，但學(xué)生基本沒有接觸，這限制了學(xué)生的創(chuàng)新能力和設(shè)計能力。（3）零部件結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)件的常用設(shè)計方法。目前課程內(nèi)容中缺乏常用結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)設(shè)計原則、設(shè)計方法等方面的內(nèi)容，比如殼體設(shè)計方法、基于零件工藝的結(jié)構(gòu)設(shè)計、常用結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計方法等。

（三）調(diào)整傳統(tǒng)和程式化內(nèi)容

隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，機構(gòu)的設(shè)計可以通過編程或者軟件直接完成，而不需要進行手工作圖和推導(dǎo)計算；零部件的設(shè)計則基于標準進行，且設(shè)計內(nèi)容都已流程化、程序化，沒有復(fù)雜的理論和技巧。因此，對這些傳統(tǒng)方法和程式化的內(nèi)容學(xué)生完全可以在練習(xí)過程自主掌握，這些內(nèi)容需要進行縮減，以節(jié)約更多的課時。具體調(diào)整包括：（1）調(diào)整傳統(tǒng)內(nèi)容。如刪除連桿機構(gòu)的作圖法、凸輪的作圖法等內(nèi)容，增加這些內(nèi)容的現(xiàn)代設(shè)計方法的介紹。（2）刪減程式化設(shè)計內(nèi)容。比如齒輪設(shè)計、蝸輪蝸桿設(shè)計、帶設(shè)計、軸設(shè)計的部分內(nèi)容。

（四）貫穿式案例設(shè)計

課程內(nèi)容、例題、習(xí)題與實際裝備的聯(lián)系對課程體系構(gòu)建和人才培養(yǎng)具有重要的意義。理論和實踐的聯(lián)系可以使知識系統(tǒng)化、理論實踐并行化、抽象與直觀一體化，從而大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率和效果。根據(jù)課程內(nèi)容和專業(yè)特點，設(shè)計貫穿課程理論的整體案例，可培養(yǎng)學(xué)生的整體設(shè)計意識、任務(wù)分解能力等，比如采用汽車作為整體案例，汽車是學(xué)生所熟悉的一個產(chǎn)品，其零部件基本涵蓋了課程所有內(nèi)容，可大大增加學(xué)生的興趣和親和感。例題的設(shè)計可以采用整體案例和專業(yè)常用裝備結(jié)合的方式，以整體案例為主，以專業(yè)常用裝備為輔，將課程理論和案例有機結(jié)合，使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識點的同時培養(yǎng)整體和部件設(shè)計意識，加深對知識和專業(yè)裝備的理解；比如連桿機構(gòu)的講解可以與汽車雨刮刷結(jié)合，齒輪設(shè)計可以和新能源輪邊減速器結(jié)合等。對包裝專業(yè)的學(xué)生可以以包裝機械為案例，對化工專業(yè)的學(xué)生可以以化工裝備為案例等。課后練習(xí)題也要避免以練習(xí)知識掌握程度為主的方式，應(yīng)以專業(yè)常用裝備的零部件設(shè)計為主，進行習(xí)題設(shè)計。這樣可以使學(xué)生在學(xué)完典型案例后轉(zhuǎn)換到新的案例場景，通過場景轉(zhuǎn)移不僅可以使學(xué)生掌握所學(xué)知識，加深對專業(yè)裝備的理解，還能培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力，遇到問題有對比、有參照，消除面對新問題的無措感。

（五）進行創(chuàng)新能力培養(yǎng)

創(chuàng)新能力不是憑空具備的，需要對知識的來龍去脈有充分的認識，通過對技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)的認知，逐漸提高學(xué)生的創(chuàng)新意識，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。而了解任何一個機構(gòu)或者零部件方案是如何產(chǎn)生和滿足要求的，則可以讓學(xué)生在心中生成知識的全景圖，從而提高認知和分析能力。因此，需要在每一章緒論對本章內(nèi)容的發(fā)展歷史脈絡(luò)進行陳述，同時嵌入創(chuàng)新方法在其中發(fā)揮的作用，尤其是對技術(shù)是如何被創(chuàng)新出來的展開討論，使學(xué)生對知識的歷史和未來產(chǎn)生一種認知感和“趨勢感”，利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。課程的例題和習(xí)題要增加裝備的設(shè)計背景知識，使學(xué)生對所設(shè)計的對象的功能、要求和使用等有充分認識，對實際設(shè)計案例進行沉浸式體驗，將抽象的理論學(xué)習(xí)和實際應(yīng)用結(jié)合起來，從而具備創(chuàng)新能力和即學(xué)即用的能力。

三、能力培養(yǎng)模式探索

課程體系改革的目的是使課程滿足學(xué)生能力培養(yǎng)的需要，而能力培養(yǎng)需要從培養(yǎng)理念和培養(yǎng)模式等方面展開研究。

（一）培養(yǎng)理念

技術(shù)的發(fā)展需要學(xué)生具備獨立從事機械設(shè)計工作的能力，因此，課程要有系統(tǒng)化、理論與實踐并行、即學(xué)即用、創(chuàng)新培養(yǎng)的課程理念。課程要自成體系且系統(tǒng)化，避免內(nèi)容孤立碎片化，且不需后續(xù)課程專門訓(xùn)練即可具備設(shè)計能力；理論和實際知識要貫穿課程，使之成為一個有機體；課程不是學(xué)知識點，要實現(xiàn)理論到實踐的零過渡，使學(xué)生具備即學(xué)即用的能力；課程要注重創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，做到提供知識的土壤，播下創(chuàng)新的種子。

（二）培養(yǎng)模式

培養(yǎng)模式的構(gòu)建是落實培養(yǎng)理念的途徑。培養(yǎng)模式要以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和掌握扎實的基礎(chǔ)知識為中心，通過理論與實踐結(jié)合的方法開展教學(xué)，并充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主觀能動性，通過課堂教學(xué)、課后練習(xí)、創(chuàng)新設(shè)計、綜合考核等手段對學(xué)生進行全面培養(yǎng)。在課堂安排上，可以采用翻轉(zhuǎn)課堂和慕課結(jié)合的方式，教師進行綜合講解，學(xué)生進行具體知識點和習(xí)題的講解，并在此基礎(chǔ)上師生就問題展開深入討論，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和獨立思考的能力。在課后，學(xué)生要按照系統(tǒng)化案例進行練習(xí)，要求部分學(xué)生對練習(xí)題進行講解，其他學(xué)生根據(jù)自身理解和課外學(xué)習(xí)內(nèi)容進行補充，展開師生討論，使學(xué)生掌握扎實的知識，從而擴充知識面，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。課程教學(xué)過程中布置兩到三次創(chuàng)新設(shè)計，以小組為單位，自主選題或者由教師命題。任務(wù)完成后，每個小組安排一名代表進行小組創(chuàng)新設(shè)計總體講解，同時小組成員分別講解自己在創(chuàng)新設(shè)計中的工作和體會，其他組同學(xué)對創(chuàng)新設(shè)計進行評價和討論，教師最后進行設(shè)計點評，進而幫助完善每一個創(chuàng)新設(shè)計。通過這種創(chuàng)新設(shè)計，可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、積極性，提高學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新的能力。課程的考核應(yīng)該避免知識化考核，而應(yīng)采用平時訓(xùn)練和期末考核的方式。

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作者：楊富春 岳曉明 陳龍 單位：山東大學(xué)機械工程學(xué)院