劉志強(qiáng) 胡朝斌

[摘? ? ? ? ? ?要]? 隨著機(jī)械類專業(yè)越來越多參與工程教育專業(yè)認(rèn)證，機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程被眾多專業(yè)設(shè)置為必修專業(yè)基礎(chǔ)課。然而，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)的教學(xué)設(shè)置重點是機(jī)構(gòu)組成與運動原理、機(jī)械受力分析、機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計等，偏重于機(jī)械的尺寸幾何設(shè)計與力學(xué)分析的內(nèi)容。這對機(jī)械類力學(xué)薄弱專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)帶來了挑戰(zhàn)。提出利用現(xiàn)代教育技術(shù)手段，結(jié)合計算機(jī)輔助圖解法、CAD/CAE工具的方式，開展了教學(xué)改革與實踐研究，取得了良好的效果。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 工程教育專業(yè)認(rèn)證;機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ);教學(xué)方法;改革

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）42-0190-02

工程教育認(rèn)證對近機(jī)械類專業(yè)提出了綜合考慮環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的前提下，基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對復(fù)雜工程問題展開研究，并利用現(xiàn)代設(shè)計與分析工具，給出設(shè)計與開發(fā)方案的高要求。隨著工程教育專業(yè)認(rèn)證在眾多近機(jī)械類專業(yè)的不斷擴(kuò)展，越來越多的專業(yè)培養(yǎng)方案將機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)置為專業(yè)必修基礎(chǔ)課程，其包含“機(jī)械原理”和“機(jī)械零件設(shè)計”兩部分內(nèi)容。在培養(yǎng)近機(jī)械類工程技術(shù)人才的全局中，起到承前啟后的作用，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程打下必要的基礎(chǔ)。

基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，本課程將培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力、創(chuàng)新能力、工程意識作為教學(xué)目標(biāo)，通過理論教學(xué)和實踐環(huán)節(jié)的遞進(jìn)融合，培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、運動分析、受力分析和機(jī)器動力學(xué)等方面的基本理論和基本知識，具有初步的機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計能力。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生具有運用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊和現(xiàn)代設(shè)計工具的能力，并掌握通用機(jī)械零件的設(shè)計原理與方法，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和今后從事設(shè)計工作打下堅實的基礎(chǔ)。

然而，由于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)置是面向機(jī)械類專業(yè)設(shè)置，重點是機(jī)構(gòu)組成與運動原理、機(jī)械受力分析、機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計等，偏重在機(jī)械的尺寸幾何設(shè)計與力學(xué)分析的內(nèi)容，這對近機(jī)械類力學(xué)薄弱專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)帶來了挑戰(zhàn)。特別是該課程的傳統(tǒng)教學(xué)常以理論公式推導(dǎo)為主，對于近機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生在認(rèn)知和理解上有較大的障礙。為此，探討如何在滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證目標(biāo)的前提下，對機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程進(jìn)行改革，使其適應(yīng)近機(jī)械類學(xué)生力學(xué)計算知識薄弱的特點，仍然能增強(qiáng)學(xué)生的機(jī)械理論基礎(chǔ)，提高學(xué)生對機(jī)械相關(guān)技術(shù)工作的適應(yīng)性，并培養(yǎng)其開發(fā)創(chuàng)新能力。

一、基于計算機(jī)輔助圖解法的機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析的教學(xué)改革與實踐

機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)內(nèi)容中涉及機(jī)構(gòu)設(shè)計（連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)）、機(jī)構(gòu)運動分析（速度和加速度計算）、受力分析（力、自鎖分析）、機(jī)械平衡等。目前分析機(jī)構(gòu)問題主要采用圖解法、解析法和實驗法等常規(guī)方法。

由于圖解法直觀易于理解，一直是教學(xué)過程中重點介紹的方法。然而，傳統(tǒng)的圖解法求解過程中需要使用尺規(guī)作圖工具進(jìn)行作圖求解，精度較差且僅能求解瞬時位置參數(shù)，在工程問題求解中應(yīng)用受限。解析法雖然精度較高，但是其需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和編程能力，這增加了應(yīng)用的難度。實驗法雖然直觀，但是受限于機(jī)構(gòu)尺寸和成本，應(yīng)用同樣有局限。為此本文提出在機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)中引入計算機(jī)輔助圖解法，用于機(jī)構(gòu)設(shè)計與性能分析。也就是采用計算機(jī)輔助設(shè)計CAD理念，在CAD軟件基礎(chǔ)上二次開發(fā)圖解法模塊，可以綜合計算機(jī)精度高與圖解法形象直觀的優(yōu)點，便于學(xué)生掌握設(shè)計理論與方法，提高主觀能動性。

在實踐中，開發(fā)了基于NX三維設(shè)計軟件二次開發(fā)的計算機(jī)輔助圖解法進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與性能分析的插件，提供給學(xué)生使用。這樣近機(jī)械類學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，既可以深刻理解相關(guān)基礎(chǔ)理論和掌握機(jī)構(gòu)設(shè)計、機(jī)構(gòu)性能分析的方法。如圖1所示，開發(fā)的計算機(jī)輔助圖解法具備功能模塊，包括機(jī)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)分析、力學(xué)分析三個模塊。

二、基于現(xiàn)代教育技術(shù)與CAD/CAE集成流程的機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析的教學(xué)改革與實踐

為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)的需求，針對近機(jī)類專業(yè)學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)和知識面需求之間的矛盾，將現(xiàn)代教育技術(shù)（多媒體和網(wǎng)絡(luò)）、數(shù)字化設(shè)計與分析方法（計算機(jī)輔助圖解法、CAD/CAE）、網(wǎng)上虛擬實驗、案例資源、課程創(chuàng)新設(shè)計與考核改革等相結(jié)合，開展了相應(yīng)改革與探索實踐。充分利用先進(jìn)的現(xiàn)代教育技術(shù)與設(shè)計工具，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。

設(shè)計離不開工具，利用CAD成熟的設(shè)計工具包（IN-VENTOR和SolidWorks邁迪工具包，有軸、帶輪、齒輪、軸設(shè)計工具）和CAE工具，使學(xué)生擺脫煩瑣的計算工作，著重在分析設(shè)計參數(shù)對設(shè)計性能的影響分析、多種設(shè)計方案的優(yōu)化比較，建立“設(shè)計一評價一再設(shè)計”的設(shè)計迭代思想。并利用CAD軟件中的機(jī)械零件庫，培養(yǎng)學(xué)生選型設(shè)計、類比設(shè)計、改進(jìn)設(shè)計的能力。最后利用三維CAD模型生成二維圖技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生對空間結(jié)構(gòu)的想象與設(shè)計的綜合能力。

在此基礎(chǔ)上，開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)平臺包括理論課程學(xué)習(xí)模塊、計算機(jī)輔助圖解法創(chuàng)新設(shè)計工具模塊、CAD/CAE交互設(shè)計與分析模塊和虛擬仿真實驗?zāi)K。其中虛擬仿真實驗包括：三維PDF的虛擬機(jī)構(gòu)測繪實驗技術(shù)、基于unity 3d虛擬現(xiàn)實的虛擬裝配實驗技術(shù)、基于CAD/CAE的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計與方案評價實驗以及基于Dreamweaver的實驗資源（機(jī)構(gòu)運動模塊庫、案例庫）。

三、結(jié)論

面向工程教育專業(yè)認(rèn)證，通過對機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程和相應(yīng)課程設(shè)計的教學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)化改革，螺旋漸進(jìn)式組織開展案例式教學(xué)、設(shè)計性實驗、項目式課程設(shè)計，開展課程基礎(chǔ)內(nèi)容與課程設(shè)計實踐融合的“化整為零”法的貫通式的教學(xué)方式等實施，促進(jìn)了近機(jī)械類專業(yè)課程間交叉融合。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱永梅，王黎輝，唐文獻(xiàn).基于OBE理念的實踐課程目標(biāo)達(dá)成度評價研究：以《機(jī)械設(shè)計綜合訓(xùn)練》課程為例[J].教育教學(xué)論壇，2019，410（16）：203-205.

[2]劉志強(qiáng)，紀(jì)飛飛，王明強(qiáng)，等.基于NX/OPENGRIP計算機(jī)圖解法的機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析[J].機(jī)械工程師，2016， 296（2）：9-11.

[3]王黎輝，劉志強(qiáng)，朱永梅.基于現(xiàn)代信息技術(shù)的工業(yè)設(shè)計專業(yè)“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)”教學(xué)改革實踐[J].科教文匯，2016（3）：65-66，73

[4]午麗娟.基于工程教育認(rèn)證的《材料成型設(shè)備及自動化》課程教學(xué)改革[J].教育研究，2020，3（11）：132-133.

◎編輯 魯翠紅