安軍 汪建曉 陳就 范勁松

摘? 要：在分析研究國內(nèi)機械原理課程設(shè)計教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合本校的實際教學(xué)，對現(xiàn)有教學(xué)方式及存在的設(shè)計題目類型單一、手段落后、周期短時間緊、模仿設(shè)計以及缺乏團隊合作等問題進行了分析討論，歸納了主要的教學(xué)改革方法和內(nèi)容。文章最后從師資隊伍要求和學(xué)生成績評定兩個方面對教學(xué)改革工作做了進一步分析和探討。

關(guān)鍵詞：機械原理;課程設(shè)計;教學(xué)改革;綜述

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）30-0134-04

Abstract： Based on the analyzing and studying of the teaching status about the Mechanical Principles course design in China， combined with the actual teaching program of our university， this article analyzes and discusses the present teaching methods and the existing problems， such as less types of design topic， backward methods， short time cycle， imitation design and lack of teamwork. The main methods of teaching reform and contents are summarized. At the end of the article， the teaching reform is further analyzed and discussed from either the requirements to teacher and evaluation of student performance.

Keywords： Mechanical Principles; course design; reform in education; summary

一、概述

機械原理課程設(shè)計是高等院校機械類及近機類專業(yè)的一個重要教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生第一次較全面機械設(shè)計方面的初步訓(xùn)練，為學(xué)生從事機械產(chǎn)品的開發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計打下必要的基礎(chǔ)。其核心是對機器的機械系統(tǒng)方案和機構(gòu)方案進行設(shè)計，直接決定機械系統(tǒng)設(shè)計的質(zhì)量，是機械設(shè)計中最具有創(chuàng)新力的地方[1-2]。本課程設(shè)計的內(nèi)容主要包括兩個部分：第一部分為機械系統(tǒng)的運動方案設(shè)計，要求學(xué)生對常用機構(gòu)進行組合或創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)簡單機械系統(tǒng)的功能需求;第二部分為機構(gòu)尺度綜合，對機械系統(tǒng)中指定機構(gòu)進行運動分析和動態(tài)靜力分析[3-4]。

在大量查閱國內(nèi)公開發(fā)表的機械原理課程設(shè)計教學(xué)改革論文的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的教學(xué)方法及改革成果進行了匯總，對其中比較有代表性的成果進行了梳理、歸納和探討，拋磚引玉，為大家開展相關(guān)教學(xué)改革提供有益的參考和借鑒，以期達到提高教學(xué)質(zhì)量、更好地培養(yǎng)適應(yīng)新時代國家和社會發(fā)展需求的創(chuàng)新型工程人才的目標。

二、國內(nèi)現(xiàn)狀及存在的不足

（一）現(xiàn)狀

從現(xiàn)有的國內(nèi)資料和我?，F(xiàn)狀來看，機械原理課程設(shè)計的時長一般為1-2周，大多安排在機械原理理論課程教學(xué)的學(xué)期末集中進行。傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要為：在課程設(shè)計開始時，教師對設(shè)計內(nèi)容進行集中講解，布置設(shè)計任務(wù)及要求，下達設(shè)計任務(wù)書;學(xué)生參照指導(dǎo)書進行機構(gòu)組合，擬定運動循環(huán)圖，按照要求進行相關(guān)的設(shè)計計算;利用解析法對機構(gòu)進行運動分析及尺寸設(shè)計，并利用計算機編程得到運動分析結(jié)果;最后畫出功能系統(tǒng)圖和機構(gòu)運動簡圖、并利用圖解法對一些構(gòu)件如凸輪等進行設(shè)計;簡單答辯后上交設(shè)計資料，教師評分。在整個實踐環(huán)節(jié)實施過程中，教師主要負責(zé)解答學(xué)生遇到的一些問題和督促檢查學(xué)生的設(shè)計進度，學(xué)生按步驟和程序進行設(shè)計。這種傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式，在歷史上曾發(fā)揮過重要作用[5]，但隨著產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和對創(chuàng)新型工程人才需求的提升，已不能適應(yīng)社會的需求。

（二）存在的不足

1. 設(shè)計題目類型單一陳舊

教師根據(jù)指導(dǎo)書指定設(shè)計題目，多為一些加工型機械或者機床類設(shè)備的主傳動機構(gòu)[3-4]，多數(shù)情況下一個班甚至全年級共用幾個題目，同一個題目之間只是設(shè)計參數(shù)略有不同。傳統(tǒng)的題目主要有：牛頭刨床[6]、平板印刷機和壓力機等，上述題目有部分和學(xué)生實際生活完全脫節(jié)[3]、有部分是已淘汰或即將被淘汰的機械，題目類型單一陳舊[1-5，7-11]，學(xué)生創(chuàng)新性設(shè)計的空間較少，積極性不強[2，9]。由于設(shè)計題目比較成熟[3-4]，多年不變[12]，在學(xué)生之間甚至網(wǎng)絡(luò)上都有很多現(xiàn)成的資料可供參考，不可避免出現(xiàn)雷同或抄襲現(xiàn)象[6-7，13]。其設(shè)計思路和模式比較程式化，僅通過對指導(dǎo)書翻書查表[3-4]，按部就班地就可以完成設(shè)計任務(wù)。

2. 設(shè)計手段落后，缺乏設(shè)計驗證環(huán)節(jié)

對于機構(gòu)運動尺寸確定、機構(gòu)運動分析及動力分析等方面的設(shè)計，學(xué)生仍然采用圖解法或解析法[3-5，9-10，13-15]。為了避免抄襲，大多仍用手工繪圖和手寫設(shè)計說明書的形式，設(shè)計手段落后[8，11，14-15]。圖解法精度太低已不能滿足現(xiàn)代機械設(shè)計要求[14]，解析法對學(xué)生的理論分析要求比較高，并需要借助計算機編程進行分析[14，16]，手工繪圖和理論推導(dǎo)花費學(xué)生大量的時間和精力，關(guān)鍵還缺少最重要的環(huán)節(jié)——利用現(xiàn)代設(shè)計手段對設(shè)計方案進行可行性驗證和分析[9]，造成學(xué)生對設(shè)計質(zhì)量好壞沒有清晰、定量的標準，不利于培養(yǎng)學(xué)生全局觀和整體意識。

3. 模仿設(shè)計/參考設(shè)計，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

本實踐環(huán)節(jié)的核心是機械系統(tǒng)方案和機構(gòu)方案設(shè)計，由于已有現(xiàn)成的教師或者指導(dǎo)書推薦的機構(gòu)形式及其組合，學(xué)生所需做的工作就是按照自己的參數(shù)進行簡單修改，屬于一種系統(tǒng)方案和機構(gòu)方案已定的模仿設(shè)計[4，8]或參考設(shè)計[2]。在整個設(shè)計過程中，受已有設(shè)計方案潛移默化地影響，思維模式被固化，很難鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。

4. 設(shè)計周期短時間緊，學(xué)生沒有足夠的時間反復(fù)思考完成設(shè)計

創(chuàng)造性設(shè)計工作是一項艱苦的腦力勞動過程，不可能一蹴而就，需不斷地反復(fù)思考修改[2]。所以設(shè)計需要足夠多的時間去查資料、構(gòu)思及修改，反復(fù)應(yīng)用理論知識以及現(xiàn)代設(shè)計手段進行設(shè)計、評價和驗證。而課程設(shè)計工作集中安排在1-2周內(nèi)完成，要在這么短的時間段內(nèi)完成各項設(shè)計任務(wù)本來就非常困難[3-4，7，10，13，17]，有時學(xué)生還需要準備課程的復(fù)習(xí)考試，因此他們不可避免會壓縮最重要也是最具創(chuàng)新性的方案構(gòu)思和機構(gòu)選型等方面的定性分析工作，使課程設(shè)計內(nèi)容明顯縮水[3，7]。

5. 單打獨斗為主，缺乏團隊協(xié)作精神

在國內(nèi)現(xiàn)有的教育教學(xué)模式下，在大學(xué)四年里，許多高校學(xué)生不管是完成課程作業(yè)還是做課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計，幾乎都是單打獨斗，普遍缺乏團隊協(xié)作、溝通交流能力方面的有效培養(yǎng)和訓(xùn)練[5]。

三、教改措施和方法

許多學(xué)校根據(jù)生源的具體情況和自身教學(xué)的實際要求，提出了許多各具特色的教學(xué)改革方案，通過對現(xiàn)有的文獻進行梳理和歸納，教學(xué)改革的內(nèi)容主要有：

（一）改革設(shè)計題目

設(shè)計題目改革的常見方式有：1. 沿用原來的教學(xué)思路，改革力度相對較小，主要通過對傳統(tǒng)的題目提出更高設(shè)計要求[5，18]，提出一些新的題目以增加題目的類型和數(shù)量[2，5-6，8，11-12，17]，按專業(yè)方向進行選題[1，4]等方式對題目進行改革;2. 完全改變原有的教學(xué)思路，改革力度相對較大，將題目分為創(chuàng)新型題目和傳統(tǒng)型題目[17] （自主選題和指定題目[3，13，19]），學(xué)生可以根據(jù)自身實際情況在以下幾個方面[1，5，7-8，12，17，20]自由選題：指導(dǎo)書中的傳統(tǒng)型題目、教師科研項目、機械創(chuàng)新設(shè)計大賽題目、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目以及挑戰(zhàn)杯的擬參賽題目等。上述兩種方式都在不同程度上給予學(xué)生自由選擇的權(quán)力和創(chuàng)新設(shè)計空間，有利于將模仿型設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新思考型設(shè)計，提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生設(shè)計積極性。

（二）延長或者分散設(shè)計時間

通過延長或者分散課程設(shè)計時間的方式對設(shè)計時間進行了調(diào)整，讓學(xué)生有比較充分的思考和設(shè)計時間，有利于學(xué)生設(shè)計創(chuàng)新。具體來說主要有以下幾種方式：1. 提前幾周布置題目[11，17-18];2. 采用先分散后集中的方式，將設(shè)計分散到機械原理課程教學(xué)的整個學(xué)期，最后才在設(shè)計周集中進行[3，5-6，10，14，19]，并適當調(diào)整機械原理理論課的教學(xué)安排，以適應(yīng)課程設(shè)計進度的要求;3. 提出將機械原理、機械設(shè)計及其兩個課程設(shè)計綜合到一起考慮，或者把兩個課程設(shè)計有機整合在一起進行教學(xué)[11，16，19-20]，以便將機械的原理方案設(shè)計與執(zhí)行機構(gòu)、傳動機構(gòu)的設(shè)計有機結(jié)合，將機構(gòu)的運動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計有機結(jié)合，加深學(xué)生對機械整機系統(tǒng)設(shè)計的認識，提升學(xué)生設(shè)計的全局觀和整體意識。

（三）設(shè)計手段的改革和提升

引入現(xiàn)代的設(shè)計手段和方法，提高設(shè)計效率，通過對設(shè)計進行不同程度的仿真和驗證，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計全局觀和對設(shè)計質(zhì)量的基本定性分析。主要方法有：1. 采用SolidWorks、UG和PRO/E等設(shè)計軟件，構(gòu)建機構(gòu)的三維模型，并通過動態(tài)仿真[1，10，16-17，20]完成設(shè)計分析驗證;2. 利用ADMAS或者ANSYS等分析軟件進行機構(gòu)的動力學(xué)或有限元分析[3-5，8，14-15，18]，完成設(shè)計分析驗證;3. 利用VB、C/C++、MATLAB等編程實現(xiàn)機構(gòu)的動力學(xué)分析[1，6，10，20]。

（四）分組形式及考核方式的改革

為培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作、溝通交流的能力及相關(guān)的工程素養(yǎng)[5，12]，按照自愿和適當調(diào)配的原則對學(xué)生進行設(shè)計分組?？偟膩碚f，在分組上每個學(xué)校都各有其特點[4-5，7，10，12-13，18-20]，一般3-5人一組為宜，創(chuàng)新型題目推薦強強聯(lián)合的自由組合，傳統(tǒng)型題目可采用教師分組或自由組合適當調(diào)配，學(xué)生還可采用獨自完成的方式。

在成績評定上各具特色[3-4，9-10，19]，在傳統(tǒng)的平時成績+設(shè)計成績+答辯成績的基礎(chǔ)上，對成績進行了細化，如選題成績+平時成績+設(shè)計成績+答辯成績，特別將平時成績進行了分解如考勤、網(wǎng)上活躍度、方案答辯和軟件應(yīng)用能力等，有些還采用小組貢獻度的方式對小組成員的成績進行評定。不管采用何種方式，都是期望能公平公正地對成績進行評定，盡力做到在學(xué)習(xí)態(tài)度、創(chuàng)新點、中間過程和最終成果上進行相對全面的考核和評價。

四、對現(xiàn)有教改方式的一些思考

（一）師資隊伍的要求和培養(yǎng)

與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，教學(xué)改革對教師提出了更高要求[10，14]，主要包括以下幾個方面：1. 加大了教師的工作量，設(shè)計時間的延長，設(shè)計題目類型和種類以及設(shè)計方案的多樣化等方面都需要指導(dǎo)教師投入更多的時間和精力，一般情況下工作量的考核計算并沒有因此而增加，關(guān)鍵問題還在于花費教師很多時間和精力的教學(xué)改革對職稱評定不一定有作用;2. 對教師的能力水平提出了更高要求，創(chuàng)新型選題的范圍廣，學(xué)生提出的方案變化無常，有效分析及解決各種方案和問題，正確引導(dǎo)學(xué)生以達到有效訓(xùn)練學(xué)生的目的，對教師自身的專業(yè)理論知識、實際工程經(jīng)驗及計算機應(yīng)用能力都提出了挑戰(zhàn)。

國內(nèi)高校包括我校在內(nèi)的一些應(yīng)用型本科院校，年青教師現(xiàn)在的入校門檻基本都要求博士畢業(yè)，而大部分年青的博士都是從學(xué)校到學(xué)校，缺乏在企業(yè)工作的實際工程經(jīng)驗[7]，存在能否保證改革后的課程設(shè)計順利完成，是否勝任這些高要求的指導(dǎo)工作等問題。因此對于工科專業(yè)來說，需要培養(yǎng)一批具有較強實際工程能力的年青教師隊伍[7]，同時通過工作量考核和職稱評定等一系列措施來保護和激發(fā)教師，特別是青年教師教學(xué)改革的積極性，這些都對學(xué)校的管理層面提出了要求，也是許多高校必須面對和思考的問題。

（二）考核方式的改革

考核方式的改革是課程改革的一個重要組成部分，和課程改革是相輔相成、互相促進的，將直接影響學(xué)生的積極性、課程教改質(zhì)量、創(chuàng)新性以及教改能否繼續(xù)開展的一個重要因素，課程設(shè)計的考核方式不同于一般的課程考核，人為影響因素較多，更需要公平公正公開，因此更需要制定一個相對完善的考核機制。

在制定考核方式時要考慮的因素比較多，既有宏觀的因素也有微觀的問題，其中還不乏存在矛盾和沖突。如何相對準確地評定學(xué)生的工作量和創(chuàng)新點？分組評定時如何按照貢獻率來評定同組同學(xué)之間的工作量和成績？創(chuàng)新型題目和傳統(tǒng)型題目之間在成績評定時是否要區(qū)別對待？是否需要采用不同的評分標準？平時成績除了集中時的考勤和階段檢查以外，還需要考慮哪些因素？如何評定網(wǎng)絡(luò)活躍度？等等都是需要根據(jù)各個學(xué)校的具體特點，在教學(xué)實踐中繼續(xù)探索和研究，從而得到一個相對定量化、易操作的評分方式或考核標準。

五、結(jié)束語

在目前國內(nèi)積極開展新工科建設(shè)和工程認證的背景下，如何做好工科專業(yè)的實踐環(huán)節(jié)是一個急需探討的問題。機械原理課程設(shè)計是一個涉及多方面知識的重要教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題能力、提高設(shè)計創(chuàng)新意識、增強創(chuàng)新設(shè)計能力等方面具有重要意義。本文在收集1998年以來國內(nèi)公開發(fā)表的相關(guān)教研論文的基礎(chǔ)上，結(jié)合本校實際情況，對存在的問題和主要的教學(xué)改革方法進行了梳理和總結(jié)，對進一步做好教學(xué)改革進行了分析和探討，以期達到提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)適應(yīng)新時代要求的創(chuàng)新型工程人才的目標。

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