劉　瑩　吳宗澤

摘要：教材建設是提高我國高等教育質量的一個重要內容。本文以近年來出版的3部具有一定代表性的美國《機械零件設計》教材為對象，闡明了這些教材以人為本的理念和注重啟發(fā)性、工程實踐性、學科之間的關聯(lián)性、學科新發(fā)展等特色，為我國編寫出更多有中國特色、符合我國高等機械工程教育特點的優(yōu)秀教材提供借鑒。

關鍵詞：美國教材特色；機械設計；教材建設

教材作為學生學習的重要工具，如何提高質量，體現(xiàn)學科的基本要求和發(fā)展，將實用性與前瞻性結合起來，并且有特色或獨創(chuàng)性是我們每一個高等教育工作者需要深入思考的問題。

機械設計課程作為高等院校機械工程專業(yè)的基礎課有著極其廣大的學生受眾群體，在機械工程專業(yè)的機械基礎系列課程中占有重要的地位。因此，機械設計課程教材的編寫質量在一定程度上直接影響到高等機械工程人才培養(yǎng)的質量。編寫具有中國特色、符合我國經濟建設人才需求的機械設計教材是一項重要的工作。作者近年來結合雙語教學的實踐及主編北京市高等教育精品教材、“十一五國家級規(guī)劃”教材工作，閱讀、縮編和翻譯了若干本美國近期出版的機械設計相關教材及專著，對于這些教材編寫中以人為本的理念和注重工程實踐性、啟發(fā)性等特色有了更深刻的認識，為我國機械設計類教材的編寫提供了有益的啟示。

本文以三本具有代表性的美國《機械零件設計》教材，即Robert L，Mott編寫的Machine Elements in Mechanical Design第4版(后稱教材1)、Bernard J.Hamrock,Steven R.Schmid和Bo Jacobson編寫的Fundamental D，MachineElements第2版(后稱教材2)及M.F.Spotts，T.E.Shoup和L.E.Hornberger編寫的DesignD，MachineElements第8版(后稱教材3)為對象，闡述其編寫的主要特色。

一、以讀者的視角進行啟發(fā)性學習導讀，培養(yǎng)學生提出問題、分析問題的能力

現(xiàn)代教育的理念倡導學生為主體，教師為主導。即，在教學的過程中應該使學生從“要我學”的被動地位轉化為“我要學”的主動學習狀態(tài)。機械設計課程由于知識面的廣泛及其深厚的實際工程背景，往往使我們的學生難以盡快進入角色，在心理上逐漸失去學習的興趣。如何通過教材提高學習興趣，引導學生進入學習狀態(tài)，把自己作為主角?如何提高學生提出問題、分析問題的主動性和能力?教材1在這方面體現(xiàn)出獨有的特色。表現(xiàn)在以下兩個方面：

1每個章節(jié)的開篇以第二人稱的表述方式，通過“概覽(The Big Picture)”的形式，引導學生進入本章節(jié)的學習情景

“概覽”一般包括：“討論導引(Discussion Map)”和“(如果)你是一個設計師(You arc the designer)”兩個部分。在“討論導引”中圍繞本章的主要對象(零部件)引導學生去觀察、發(fā)現(xiàn)其工作特點；提出設計一個安全可靠方案需要考慮和解決的問題；然后將學生(讀者)設想成設計者，即“(如果)你是一名設計師”引出本章節(jié)學習的目標和主要內容。以第9章“直齒圓柱齒輪設計”為例：首先，將直齒圓柱齒輪傳動的幾何特點進行了回顧(教材第8章介紹了齒輪嚙合的原理)；隨后在“發(fā)現(xiàn)”中，請學生觀察和描述直齒圓柱齒輪的嚙合運動、應力特征及其影響因素：結合“發(fā)現(xiàn)”提出的觀察內容，在下文中進一步提出類似的一些思考題：“考慮在齒輪嚙合過程中以及整個齒面上，什么位置齒輪所受應力最大?”；“原動機對齒輪傳動有何影響?采用電動機和采用以汽油為燃料的發(fā)電機作為動力對設計有什么不同嗎?”等。經過以上的過程，引導學生從觀察現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問題，分析問題解決的方法，將學生吸引到齒輪傳動設計所要考慮的主要問題上，進入到設計的準備狀態(tài)。在第二部分的“(如果)你是一名設計師”中完全將學生置于一個設計主角當中，通過“你如何完成一個齒輪傳動設計?”的提問，引出了齒輪傳動設計的主要內容。

以上教材的編寫形式使得作者如導演一般將演員(學生)按照劇情逐漸引入到角色中，閱讀教材的過程也如同讀劇本一樣有非常生動的畫面。這種效果比起教材刻板的介紹或概述，對于讀者更具有親和力、感染力和啟發(fā)性。更有助于培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的主動性和能力。

2章節(jié)后大量的與內容呼應的分類習題，幫助學生由淺至深、從簡到繁地熟悉和掌握章節(jié)主要的知識點

仍以第9章為例，書后共有習題83個：編者按照本章的內容編排，將習題分成專題：齒輪傳動的受力分析(6個)、齒輪制造與質量管理(10個)、齒輪材料(19個)、輪齒的彎曲應力分析(6個)、許用彎曲應力的計算(6個)、(輪齒)疲勞點蝕失效分析(6個)、許用接觸應力的計算(6個)、(綜合)設計問題(11個)、齒輪傳遞功率的能力分析(3個)、雙級齒輪減速傳動的設計(6個)和塑料齒輪設計(4個)。習題的編排覆蓋了直齒圓柱齒輪設計的全部內容，通過一定量的習題練習不僅使學生對齒輪設計的全面知識進行了訓練，而且能夠體會齒輪傳動設計需要考慮的主要問題和一般步驟，有助于學生掌握機械設計的一般方法。習題的設計反映出編者對于課程基本內容和教學要求研究透徹。這值得我國教材在習題的設計方面借鑒。

二、與工程背景和日常生活緊密聯(lián)系，通

過大量的應用實例將知識與技術很好

地結合起來

機械設計是一門工程應用背景非常突出的技術基礎性課程，不僅包括了機械設計的基本知識、基礎理論、基本方法，更重要的是還包括了機械設計的基本技能。教材2采用“案例學習(Case Study)”作為例題的補充形式，通過提煉工程實際和日常生活中機械設計的應用實例，使學生了解機械設計方法如何在生產實際中應用。例如，在介紹了齒輪及蝸桿傳動設計方法后，以食品混合機械中的傳動鏈部分為例對真實的工程設計過程進行了詳細的闡述。通過案例學習，使學生了解實際問題中原動力、齒輪初始的參數(shù)，如齒數(shù)、傳動比、齒輪材料等選擇的方法和約束條件，特別是工程問題答案的可行性和不惟一性特征等。再例如，教材2在講述機械設計中的安全性考慮時，通過一個農婦因丈夫在修理拖拉機鏈條時受到飛出的金屬碎片致殘而與拖拉機制造商打官司的事例，說明在機械設計中不僅在設計階段，而且在使用維護階段均要考慮安全性，這非常重要。在闡述機械設計對最終產品成本的影響時，教材2中給出了一個擺動式動力鋸前后兩個設計方案，從初步方案中41個零件，安裝時間6，37分鐘；到改進設計后只有29個零件，裝配時間縮短到2，58分鐘。通過具體的數(shù)據(jù)使學生深刻直觀地理解了“產品的成本往往在設計階段就決定了”這一理念。案例教學的方法的積極作用已經在教學中取得共識。我國一部分同類教材在此方面也進行了積極的

嘗試，并在教學實踐中取得良好的效果。

另外，機械設計課程中的結構設計方法是設計內容和設計能力培養(yǎng)的一個重要組成部分。教材1、2、3通過大量制作精美、結構詳盡的照片或插圖(包括軸測圖、工程圖、實物圖片)等，介紹了工程和生活實際應用的典型結構，使學生對機械結構有更加直觀的認識和理解，也是引導學生進行結構設計的很實用的參考資料。

三、注重機械設計與材料科學、機械制造

學科之間的關聯(lián)性，使學生正確認識

設計與工藝的關系，從而提高解決機

械設計問題的綜合設計能力

機械設計是多學科交叉的科學，其中和材料學與機械制造更是有著密不可分的聯(lián)系。教材1、2、3均將與機械設計相關的材料內容，如：主要類型、機械性能、應用場合以及應用實例，獨立成章加以介紹，使學生能夠對材料選擇有整體的概念。加工制造方法在零件的結構設計中有重要的指導作用。上述教材通過大量的現(xiàn)場和實物圖片將在生產現(xiàn)場才可以了解到的制造知識介紹給學生。如：齒輪的制造中不僅介紹了常用方法、典型刀具、常用設備、檢驗技術、質量控制等實用技術，還對制造技術發(fā)展，如精密磨削設備、加工中心等加以簡述，使學生更深刻理解齒輪結構設計的要素和注意的問題，有助于提高學生解決實際工程設計問題時，綜合分析問題的能力。

四、注重機械設計學科新的理念和發(fā)展介

紹，以幫助學生樹立機械設計學科的

專業(yè)志向

《禮記》學記中有這樣一句話：“善歌者，使人繼其聲。善教者，使人繼其志?！睓C械設計雖然是一門古老的學科，但是隨著經濟的發(fā)展和人們物質文化生活需求的提高，仍然存在許多亟待解決的問題。如何使機械工程專業(yè)的學生通過機械設計課程，從一個側面了解機械設計的發(fā)展和重要性，從而啟發(fā)和激勵學生樹立正確的專業(yè)理想，是在編寫教材中面臨的一個重要問題。我國的絕大部分教材考慮到機械課程本身的學時約束，對機械設計的新方法和新發(fā)展，常采用避實就虛的做法，一般僅在緒論中有一些簡述。但美國的三部教材都不約而同地采用了一定篇幅，甚至是整章的篇幅向學生介紹新的設計理念、設計方法。如：教材2在緒論中，以獨立一節(jié)的內容介紹了計算機技術在機械設計中的應用。通過無影畸齒矯正牙套的設計與制造案例，簡明地闡述了計算機技術在形狀設計、應力分析、產品制造等環(huán)節(jié)中的應用，使學生了解到計算機和信息技術的發(fā)展給機械設計帶來的巨大影響，以及相互促進的關系。第20章緊密結合微機電系統(tǒng)的發(fā)展，介紹了MEMS(Elements of micro-electro mechanical system)中的零件設計方法；教材3中，第13章介紹了形態(tài)綜合(Form synthesis)在機械設計中的具體應用。以上這些內容擴展了學生對機械設計的理解，也使學生能夠了解到新興學科與傳統(tǒng)學科之間的聯(lián)系，從而能夠根據(jù)自己的興趣和長處選擇專業(yè)志向。

以上分析了美國機械設計教材的四個方面的主要特色，從中可以得到以下的幾點啟示：

首先，教材作者需要加強對具有我國學生學習本門課程的規(guī)律的研究。我國絕大部分機械工程類的學生在工程實踐背景和能力方面較薄弱，只有在摸清學生對于實踐性較強的課程的學習規(guī)律，才能夠有的放矢地進行啟發(fā)式、循序漸進式的內容組織。

其次，教材作者要根據(jù)機械課程本身的性質、內涵和教學目的，深入研究教材編寫中如何體現(xiàn)工程實踐能力、綜合解決問題等能力的培養(yǎng)問題，使我們的教材既體現(xiàn)機械設計理論體系的完整性，又能夠更好地在培養(yǎng)學生機械設計實踐能力上提高教材的實用性。以上美國的教材以密切聯(lián)系實際的描述或舉例，不僅拉近了機械設計與實際應用的距離，在一定程度上消除了課程的神秘感，增強了課程的實用功能，調動了學生學習的主動性。目前，國內已有一些教材增加了章節(jié)的重點、難點和知識拓展、參考書目等；這些都對于學生的自學和進一步研究提供了幫助，值得提倡。

第三，教材的作者(一般是從事高等教育的教師)，需要積極主動地投身到機械設計的工程實踐和科學研究工作中，從中開闊眼界、汲取和更新知識，有助于在教材編寫中游刃有余地將機械設計的基本理論與技術方法、傳統(tǒng)的知識與現(xiàn)代的發(fā)展聯(lián)系起來，使教材內容增強實用性的同時，又具有前瞻性。

責任編輯文和平