機械設計課程設計教學探討

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摘要：以我國高校課程《機械設計課程設計》為研究對象進行梳理總結，該課程研究經歷了從“高校重視機械設計技術革新，實踐教學研究薄弱”到“機械設計課程改革，實踐教學研究稍有增強”再到“課程設計從機械設計研究中分離，實踐教學研究多元化”的發展過程，并對今后的研究趨勢提出建議，以期為推動機械類課程設計改革、提升應用型人才培養質量提供經驗和借鑒。

關鍵詞：地方工科高校；實踐教學；機械設計課程設計

《機械設計課程設計》是機械類及近機械類各專業學生必修的傳統經典課程，也是一門重要的實踐課程。作為機械設計教學的一個重要環節，課程設計通常是在《機械設計》理論課程結束以后的一段時間內進行，旨在通過課程設計將學過的基礎理論知識進行綜合應用，培養結構設計，計算能力，熟悉一般的機械裝置設計過程。對于機械設計專業學生來說，課程設計是一個重要的實踐過程，也是培養設計能力的重要過程，對提升分析問題、解決實際問題及產品設計能力的作用越來越突出。然而，隨著機械行業新興產業的發展，德國工業4．0戰略的推出及中國制造2025戰略的提出，社會對高校應用型人才產品設計能力的要求越來越高，對學生機械產品設計流程意識欠缺、綜合設計能力不足等方面提出了許多批評和不滿，對課程設計能否真正發揮課程的整體育人功能，能否實現教育目的至關重要［1］提出質疑。加強學生產品設計能力、創新能力培養迫在眉睫。梳理和總結《機械設計課程設計》課程研究發展，對于進一步加大機械設計課程設計改革，提升學生產品設計能力及綜合應用能力，推進機械類設計人才培養供給側改革有著十分重要的理論意義和價值。

1學術界研究概述

在中國知網，以“機械設計課程設計”為篇名，時間跨度為1915—2017年進行搜索、發現1989年之前沒有查到以“機械設計課程設計”為篇名的研究論文，1990—2017年近30年，共檢索相關論文120多篇（不含獨立學院、高職院校）。通過計量可視化分析發現，學術界對該課程的研究并不多，且研究呈波折上升趨勢。檢索報告顯示，基本實現了對目標文獻的查全查準。為使研究不成為無源之水、無本之木，本文又以“機械設計”“課程設計”為篇名在知網進行搜索，發現“機械設計學”最早有記錄可尋的是發表在1929年《教育與職業》第6期黃鹿珊起草的《機械設計學課程綱要》，綱要中言簡意賅，簡明扼要地介紹了該課程的學科、年級、周學時數、預習課程及教程、教法和標準用書等，同時也闡明了該學科的性質、培養目標及課程設計方法，應用學理及經驗，計算器械各部之大小，制成圖畫。教材以學生將來服務工廠時之實用為主；授以各種原件的設計方法，以為一般機械設計之基礎［2］。至此之后，直至1980年的50年時間里，有關“機械設計”的專門研究論文零星出現。“課程設計”研究的最早記錄是在1954年發表在哈爾濱工業大學學報上的兩篇文章，均與高校機械設計教學無關。因此，可以看出《機械設計課程設計》作為一門獨立課程研究是從1990年開始的。

2我國高校《機械設計課程設計》實踐教學的研究歷程

機械設計是根據對機械產品提出的設計任務，應用當代各種先進的技術成果，求得一個在技術上盡可能完善，經濟上合算，外觀上滿足美學要求，并能集中反映先進生產力的研制機械產品的方案和手段［3］。機械設計是機械工程的重要組成部分，是決定機械產品性能的最主要的因素。2．1高校重視機械設計技術革新，實踐教學研究薄弱。1）產品設計問題引發重視。產品設計是機械產品質量的生命線。建國初期，受生產力水平低的影響制約，我國機械化生產程度不高，產品質量問題飽受企業界詬病。與國外先進水平比，國內機械產品要落后近20年，甚至更多，遠不能滿足四個現代建設的需要。隨著機械工業服務方向由重工業和基本建設向技術改造轉變，國內基建投資壓縮，國外大量機械設備引進，機械產品競爭能力差、設計水平低導致機械行業面臨著嚴峻的考驗。機械產品設計水平低主要表現在效率低、能耗高；性能低、壽命短、安全差等方面。如何提高機械產品質量和設計人員設計水平一直是困擾行業企業界的主要問題。學者們認為，高水平的機械產品，首要的是必須提高機械設計水平。在1980年的一機部科技情報所產品設計會議，5位部長一致指出產品設計的重要性，并將加強科研、設計力量，提高產品設計水平，加速產品的更新換代作為重點工作。2）設計方法革新紛呈。最初機械設計方法主要依靠設計者的知識、經驗和遠見。60年代初期至80年代中期，隨著機械工程基礎理論和價值工程、系統分析等新學科的發展，制造和使用的技術經濟數據資料的積累以及計算機的推廣應用，產品設計逐漸舍棄主觀判斷而依靠科學計算。高校學者和科研單位人員結合當時國內外機械設計水平差距和發展趨勢，意識到產品設計必須從經驗、類比設計轉向以試驗研究、積累數據為基礎的自行設計［4］，于是將更多的目光聚焦在產品設計方法改進的研究上。一些新的技術理論和方法，如最優化技術［5］、系統法［6］、正交表優化設計法［7］、可靠性設計和計算機輔助設計［8］、有限元分析［9］、專家系統方法［10］等紛紛被引入到機械設計中，機械設計方法的創新和改革在一定程度上提高和改進了產品的性能和利用率。3）高校實踐教學形同虛設。機械產品設計問題是能力問題，設計能力的獲得主要從實踐中來。設計能力的高低從另一個側面也反映出高校人才培養質量問題。資料表明，從1960—1980年初期，涉及高校機械設計實踐教學研究的相關資料和論文少之又少，學術界對高校機械設計課程加強實踐教學、提升學生產品設計能力培養的研究明顯不足。1958年，為貫徹國家教育與生產勞動相結合的教育工作方針，學校雖然廣泛開展現場教學，但由于現場教學沒有陳列室，也沒有教學模型，現場教學完全變成現場講課。再加之現場教學的目的、要求、內容和方式不明確，因此，現場教學的效果并不令人滿意［11］；1959年，葛守勤首次提出了高校機械設計人才培養問題，在《提高機械設計質量的幾個問題》研究論文中提及，“在教師與高年級學生中，進行真刀真槍的整套機械設計，對師生來講，過去是一件從來不敢碰的工作”［12］。由此可見，當時的高校應用型學科實踐教學形同虛設，學生設計能力培養得不到重視，教學上重理論、輕實踐現象十分嚴重。2．2機械設計課程改革，實踐教學研究引起關注。1）課程教學改革頂層設計。十二屆三中全會之后，人才逐漸成為推動社會經濟發展的關鍵力量，人才缺乏問題也逐漸突顯。要解決人才問題，必須大力發展教育事業。1985年5月27日，中共中央會議通過《中共中央關于教育體制改革的決定》，旨在提高民族素質，多出人才、出好人才。《中共中央關于教育體制改革的決定》明確指出，“改革教學內容，教學方法、教學制度，提高教學質量”“增加實踐環節，減少必修課，增加選修課”。為進一步搞活教學，提高質量，1987年，原國家教委將原機械零件課程更名為機械設計，正式批準了全國機械設計課程教學領導小組于1986年10月審訂通過的《高等工業學校機械設計（原機械零件）課程教學基本要求》［13］，并對教學大綱的制訂進行改革，批準試行教學《基本要求》。《基本要求》主要對機械設計課程的理論教學、設計作業、課程設計及實驗三個重要方面提出了基本要求，各學校可在此基礎上制訂適合自己特色的教學要求。學校自主編制教學要求，引發了學者們對機械設計課程實踐教學重新的思考和質疑，對傳統的教學模式提出了新的挑戰。2）高校實踐教學初步探索。80年代末，機械設計課程改革的呼聲日益增強，相關研究文章稍有增多，研究內容也更廣泛，涉及高校課程實踐內容、設計選題、設計時間等方面。機械設計基礎教學除安排一次減速器拆裝實驗外，都安排為課堂講授。教學方法單一、呆板，教師辛辛苦苦備課、講課，而教學效果欠佳，學生缺乏主動性和靈活性［14］。機械類課程設計在選題和時間上都需進一步加強。機械類專業課程設計專用周應增加到一周半，近機械類專業增加一周課程設計的環節［15］。許尚賢提出了機械設計課程內容逐步更新方法，建議將具體零部件設計與機械設計教學相結合。王昆結合華中理工大學機械制造一系機械設計實踐教改實踐，將現場教學引入到機械設計課程教學中，并取得了較好的效果。現場教學模式的實施，表明實踐教學從注重理論學習轉向實踐能力培養，有助于培養學生的實踐能力和探索精神，可以說是機械設計課程實踐改革向前邁進了一大步。該領域的國外教學及改革情況也有介紹，為激活教學，國外一些教授在教學中，不斷地介紹新信息，把本領域內的前沿課題和教授本人的科研成果與心得反映到教學中來［16］。如許尚賢介紹了國外機械設計教學情況；馮培恩介紹了聯邦德國高校機械設計專業的教學計劃及改革情況等。2．3課程設計從機械設計研究中分離，實踐教學研究多元化。1990年以后，越來越多的學者對機械類專業學生的產品設計能力不足達成共識，認為機械類學生對課程設計的重要性認識不足、產品設計流程意識欠缺、工程實踐應用能力較差、設計浮于理論，存在照抄照搬現象，意識到課程設計環節對于育人的重要性，逐漸將機械設計課程設計作為獨立的研究對象進行研究，課程設計實踐教學研究呈現多元化趨勢。學者們的研究思路一般從機械設計課程設計中存在的問題入手，進行案例分析和思考，提出改革措施，研究焦點主要集中在學生能力培養、課程設計的理念、時間、選題及設計技術革新、教學方法等核心要素上。1）課程設計教學理念。有學者提出在課程設計教學中引入CDIO工程教育理念、多理念融合、創新設計理念；2017年，有學者提出了全流程產品設計的思路，如整機產品設計訓練［17］，讓學生在指導教師給出的設計主題范圍內自行設計一個整機產品；全程體認式課程設計［18］，即整機設計的全程訓練，旨在提高學生產品全流程設計能力，可謂是產品設計理念變革上的新趨勢。2）課程設計指導方式。有學者提出采用“隱閉式”設計［19］，根據設計要求由學生自己確定傳動總體方案；分層次指導，根據學生成績按一般、好和優秀進行分類指導；分階段協作設計，即應在課程設計的不同階段提出不同的要求，完成不同的任務。3）課程設計時間。有學者認為，課程設計時間短、分散，且與課程教學脫節。一般高校機械課程設計時間安排在機械設計課程講授結束后進行，不但與課程教學脫節，且要求2～3周內完成，學生的創新思維沒有得到發揮，更不用說創造性設計；也有學者認為機械設計課程設計這類需通過大量訓練才能獲得相應技能的課程，其理論教學與設計訓練時間最好錯開一段時間（如2～3個月）。針對此問題，學者提出“先分散再集中模式［20］”“長時間課程設計［21］”等方法，建議將課程設計貫穿到理論教學的全過程或延長課程設計時間到1學期。4）課程設計內容和選題。課程設計內容和選題紛爭不斷，傳統與創新并存。課程設計的核心問題是選題和設計方法。合理地選擇課程設計題目的確十分重要，它直接影響到能否達到教學基本要求和在有限的時間內完成設計任務。對于課程設計內容陳舊，選題單一問題，多年來學者一直紛爭不斷。有觀點認為，當前課程設計選題單一，內容過時。20世紀80年代初期，國家教委機械設計課程指導組針對當時單一地將常規齒輪或蝸桿減速器用作課程設計課題，顯然已不適合時代的要求說法［22］，提出編著《機械設計課程設計課題及指南》。1990年12月，該書由上海交大編著、高等教育出版社出版，所列選課程設計的選題以傳動裝置的設計為主，主要是上海交通大學60年代以來在課程設計改革工作方面的部分成果。近年來，以信息技術為代表的高新技術向機械行業滲透，也極大地改變了傳統的機械設計概念。部分學者認為當前機械設計課程設計以減速器設計作為主題，甚至還沿用20世紀30年代前蘇聯加里寧工學院的做法，毫無創新，內容陳舊，選題單一。也有學者結合多年教學實踐，肯定了減速器作為設計選題的合理性，且形成“不倒翁［23］”的地位。近年來，更多的學者對現有設計選題內容和路徑進行了改革創新，在減速器設計的基礎上豐富和拓展選題內容或另辟蹊徑，建議由學生自主選題或結合科研項目、創新大賽選題、畢業設計選題。雖然學者們對課題設計選題爭論不斷，但直至目前，我國大多數高等學校仍在采用齒輪減速器作為課程設計題目。5）課程設計教學方法、手段。國內學者積極探索和嘗試機械設計課程設計融入課堂教學方法，主要有分層實訓教學法、項目教學法、銜接式教學等。隨著信息化技術的發展，為提高課程設計效率，學者們研發了豐富多樣的多功能模塊化的計算機軟件，并運用到課程設計的各個環節，如三維設計制圖軟件和系統軟件DZCAI、Matlab、CADPro／E、UGNX等被廣泛應用于機械設計課程設計制圖、實踐教學環節之中；JSDB答辯系統軟件適用于答辯環節；三維參數化設計軟件SolidWorks便于檢查和校核。

3《機械設計課程設計》實踐教學改革思路

近年來，《機械設計課程設計》教學改革受到越來越多國內學者們的關注，對該課程的研究呈現多元化的發展趨勢。課程設計選題反映了課程設計教學內容亟待更新，時代化、實用性的要求顯著增強。多樣化、多功能模塊化的信息技術軟件融入教學，已越來越成為當前我國高校《機械設計課程設計》課程改革的重點；密切聯系機械設計學科國際發展趨勢，開拓設計視野，培養國際應用型人才將是我國機械專業人才培養模式改革的方向。然而，現有資料表明，學術界對國外相同學科專業發展現狀與趨勢研究還不足，根據機械設計課程設計學科屬性及產品設計特點進行理論探討研究還很缺乏；實證研究論文不多。總而言之，我國《機械設計課程設計》實踐教學改革任重道遠。3．1加強高校機械專業供給側改革，培養“創造型”人才。機械產品設計能力是高校機械類應用型人才必備的基本能力。在新經濟背景下，在信息化飛速發展的今天，在我國由制造業大國向制造業強國、中國制造向中國創造發展的道路上，我國機械行業仍以實用、傳統行業為主，創新力、品質關仍然是我國制造業面臨的挑戰，機器的打磨、精度的控制、產品的設計等也是擺在制造業面前的難題。與發達國家相比，我國在裝備水平、自主研發、創新能力和國際競爭力等方面還比較薄弱，高技能的創新型、創造型人才還很匱乏。在2016年10月的機械工業優秀高技能人才、高技能人才隊伍建設先進集體表彰大會上，中國機械工業聯合會會長于珍指出，“高技能人才嚴重短缺是機械行業振興亟須解決的問題。”作為機械制造業人才培養供給基地的工科高校，在機械設計專業的教學理念、教學方式、人才培養模式上已暴露出更多的問題，在學生的能力培養問題上更是存在著“重理論、輕實踐”的現象，校企合作、深度融合參與課程設計教學研究的力度還不夠。為提高教學質量，高校必須從設計內容、設計模式、設計方式、評價體系等多個方面進行改革，加強機械設計專業設計能力強、有創新精神的創造型人才培養。3．2樹立全流程產品設計實訓理念，加強學生產品設計實訓。設計類實踐課程需要工程化設計綜合訓練，然而現有的實踐教學模式仍舊是書齋式做作業的方法，偏重于零部件的設計計算和結構表達，對設計方案、產品結構組成及布局設計的構思過程缺少足夠的重視，忽視構思環節的必要訓練是學生自主設計能力欠缺的重要原因之一。從系統理論角度講，產品設計是多因素約束條件下綜合求解的系統的、復雜的工程問題，系統內含部件、子部件、組件、零件等各個設計單元，每個設計單元都是一個實踐能力培養的環節。樹立全流程產品設計實訓理念，就是遵循系統工程原理和產品設計自身屬性，建立“需求導向，以系統為中心，產品為目標”的產品正向設計理念，運用自頂向下、整合產品設計的知識點，正向逐層完成產品各單元設計任務的正向設計方法，在單一或集成的先進技術軟件嵌入教學的環境中，建立結構化的“從無到有、從虛到實、從粗到細”的產品創新設計流程和方法。實踐表明，進行全流程產品設計實訓是培養學生機械產品設計能力的重要路徑。3．3加強設計信息化軟件運用，推動工科教育教學現代化。近20年以來，信息技術對產品設計的理論、方法、工具帶來了革命性的變革，運用三維設計、產品數據管理等設計信息化軟件進行產品設計已成為許多企業設計人員必備能力。新一代信息技術與制造業深度融合是《中國制造2025》的技術主線，強化工業軟件與傳統工科專業教學內容、教學過程的深度融合。然而，當前設計信息化技術應用嚴重滯后于制造業企業，《機械設計課程設計》的設計工具幾乎還是以二維設計軟件為主。因此，運用設計信息化技術改造傳統教學內容和教學手段，改造升級課程體系，是推進傳統工科專業教育教學現代化，主動適應《中國制造業2025》人才培養需求的必由之路，它順應了企業產品設計從跟蹤仿制向自主創新設計轉變的歷史大趨勢，順應了信息技術推進傳統工科專業教育現代化的發展趨勢。

作者:沈秋紅 陳青 單位:鹽城工學院