改革机械设计教学 培养学生的创新能力

李秀红，张 明

(太原理工大学 机械工程学院，山西 太原 030024)

机械设计课程是一门实践性很强的工程基础课程，是机械专业继理论力学、材料力学、机械制图等先修课后比较重要的专业技术基础课，它在教学中起着承前启后的作用。在机械设计课程的学习中，学生需重点掌握通用零件基本的设计理论和方法，结合实践教学环节进行基本技能的训练，逐步提高自己的理论水平、创新能力和分析问题、解决问题的能力，为顺利过渡到专业课程的学习及进行机械产品的设计打下宽广而坚实的基础。为适应21世纪的知识经济和高科技的发展需要，机械设计课程教学必须从传授和继承知识为主的人才培养模式转向加强素质教育，培养学生主动获取和应用知识的能力、独立思维和创新能力为主的人才培养模式。本文从课程教学、实践教学和课外创新训练等方面对机械设计的教学改革与学生创新能力的培养做了一些有益的探索。

一、课程教学改革

(一)教学内容

机械设计课程主要是围绕机械中通用零部件的基本设计理论和方法展开的，其内容比较丰富，学生在初学时常常感觉知识零碎而难以入门。为了让学生系统掌握这门课，我们始终围绕“工作原理—失效形式—受力分析—强度计算—结构设计”这一主线进行教学。在课程内容安排上，把传动部分、轴系结构设计、螺栓组联接的受力分析及强度计算等内容列为重点，着重于学生对基本概念的理解和基本设计方法的掌握，而对提高学生工程设计能力帮助不大的公式推导及经验曲线的来历，做了适当的删减和调整；加强实践教学的内容，注意联系生产实际，对零件的材料、结构和设计参数的选取做重点介绍，针对工程实例增加了创新设计的内容，努力培养学生运用理论知识分析问题和解决工程实际问题的能力。[1]

(二)教学方法

在教学方法上，我们摒弃了“满堂灌”的教学方式，采用启发式和互动讨论式教学方法，内容以少、精、宽、新为原则，重点讲授通用零件基本的设计思路与方法。我们安排了56小时讲授课和8小时讨论课。讲授过程中老师注意与学生交流，经常提出一些问题，启发学生理论联系实际，运用所学的知识分析常见的一些机械产品，使台上、台下融为一体，课堂气氛活跃。如在讲授链传动齿数不能过多时，结合自行车链传动，让学生分析脱链首先是从哪轮开始？讨论课也是培养学生主动性很重要的教学环节，通过上讨论课，让学生参与到教学中，成为学习的主体。我们设置综合型设计题目进行课堂讨论或现场讨论，充分调动学生的主观能动性，使学生有机会发表自己的学习体会和独到的见解。例如在讲授传动系统的综合设计时，先由学生在满足设计要求的前提下提出多种设计方案，然后分组讨论并推选代表发表意见，在教师的引导下进行方案对比，最终得出正确、合理的设计结果。

(三)教学手段

在“省级精品课程”和“省级示范实验中心”的建设过程中，机械设计教研室构建了网络教学平台，为学生提供了网络课堂、电子教案、自测题和网上答疑等教学资源，让学生通过自学锻炼独立分析问题、解决问题的能力。

在课堂教学中采用多媒体教学和板书相结合的教学手段。多媒体教学直观、形象，大大激发了学生的学习兴趣，增加了教学信息量和提高了教学效果。例如在传动系统讲授中插入了工程实例录像，通过三维动画学习其工作原理，给学生以生动、直观的印象。在教学过程中，我们也没有完全抛弃板书，需要学生重点掌握的内容，要在黑板上画图重点说明，以加深学生对基本知识的理解。

二、实践教学改革

机械设计是一门工程基础课程，实践性教学环节极为重要。借助于“省级精品课程”和“省级示范实验中心”的建设，以注重培养学生的工程意识、创新意识和动手能力为原则，我们对实践教学做了以下改革。

(一)培养学生的创新意识和动手能力

机械设计教研室开设了机械零件认知实验、机械性能综合实验和机械创新实验等实验项目。机械零件认知实验室陈列着各种各样的机构、通用零件、创新设计实例、发动机和液压支架等产品，通过参观机械零部件陈列柜，剖析牛头刨床机械传动系统等教学环节，使学生对机器及机械零部件结构与工作原理有了初步认识。

机械性能实验是通过观察实验现象，验证课堂教学的某种理论或规律等。机械性能实验室对机械设计的传统实验(如带传动、滑动轴承等)从控制与测试手段等方面进行了更新和改造，并新增设一批设计性、综合性新实验(如机械传动方案设计性综合实验等)，逐步加强了数字虚拟设计实验。通过轴系创新组合实验，加强工程实践训练和学生创新意识的培养，鼓励他们提出参数设计与结构设计的多种方案。[2]

我们通过机械创新设计实验，改变了学生在实验学习中的被动地位，鼓励学生自主设计实验项目的实验方式、方法和步骤，培养学生综合运用所学知识解决问题的能力，开发其创新潜能。机械设计创新实验室在省部共建项目的支持下购买了机电组合创新实验台、机构组合搭接实验台、慧鱼模型等，为学生提供了良好的创新实验环境，使学生在实践中掌握创新设计的基本方法，提高学生的机械创新设计能力。

(二)增加选修实验，开放实验室

在机械设计教学中有8学时的基本实验教学环节。除此之外，我们改变传统实践教学方法，增加选修实验教学环节，开放实验室，充分调动学生的主观能动性。学生可以自主选择实验项目、自己进行设计和改进实验方法及过程、对现有的实验设备进行改进，这样增加了学生实际动手的机会，培养了学生运用所学的理论知识解决实际问题的能力。[2]

(三)课程设计改革

课程设计是机械设计课程的最后一个教学环节，也是机械类学生接触到的第一个设计课题，鼓励学生运用所学知识进行简单机械产品的设计，对培养学生的工程设计意识和设计能力、理解课堂所学知识等具有十分重要的意义。传统的机械设计一般是以简单传动装置(减速器)为设计对象，并在设计题目中给出明确的、经过实际验证的设计数据和设计方案。为了充分发挥学生的创造性，改变学生照葫芦画瓢的做法，我们只对学生提出一些基本的功能要求，要求学生从方案开始进行设计，并将整个设计环节划分为5个阶段(方案设计、总体设计、详细设计、装配图绘制、设计图绘制及说明书编写)，在每个阶段都组织学生进行讨论，论证通过后才可以进入下一个阶段。这样不仅加深了学生对相关知识和设计过程的认识，而且可以激发学生的创新热情，让学生真正经历设计过程的各个环节，培养学生的工程意识和创新能力。

结合山西经济建设特点，我们选择了采煤设备为课程设计内容。为提高学生的动手能力，专门购置了多套各种类型的减速器与轴系综合组装实验台，让学生动手实践，在一定程度上验证自己的设计思想，使图纸方案和实际产品结合起来。

在课程设计教学中，加强现代设计工具的应用。学院开设了UG及有限元选修课，我们鼓励并指导学生使用三维CAD进行设计，运用CAE进行模拟仿真，让学生对自己的设计结果进行虚拟验证，并在验证、修改、完善的过程中熟悉现代设计工具的使用。

在课程设计环节中，我们还推广了机械设计教研室获得省级教学成果一等奖的“机械设计课程设计规范化设计”成果，对教学、指导、设计、评审、答辩等各个环节进行了规范化，保证了设计教学质量。

三、课外创新训练

课外创新训练对于培养学生的工程意识、创新能力和团队合作精神，对于培养学生理论联系实际解决工程实际问题的能力，对于造就大批适应社会需求的高级技术人才，具有深远意义。

机械设计教研室鼓励学生参加全国大学生创新设计大赛，在学习机械原理阶段多次组织学生观看以往创新设计大赛的作品，让学生搜集资料、进行方案设计，并进行相关知识的自学。待方案确定后，就鼓励学生进实验室进行总体设计和结构设计，利用三维软件进行模拟仿真和有限元分析，利用慧鱼模型和机构创新实验台进行模型搭接，在此基础上，联系工厂进行实物加工。机械设计教研室还多次带学生参加全国大学生“慧鱼组”机械创新设计大赛和“全国大学生机械创新设计大赛”，并取得了可喜的成绩。

四、结束语

机械设计课程教学改革对于培养学生的工程意识、创新能力和团队合作精神，培养学生理论联系实际分析问题和解决问题的能力，具有深远意义。本文从课堂教学、实践教学和课外创新训练等方面对机械设计的教学改革和学生创新能力的培养进行了初步的研究，并在机械设计精品课程的建设和教学改革中进行了有益的尝试，取得了良好的效果。目前我们进行的机械设计教学研究与学生创新能力的培养尚处于探索阶段，有待于进一步改革和完善。

参考文献：

[1] 李建功，杜明华.“机械设计”课程教学改革的基本思路[J].河北理工学院学报，2002，2(5)：51-53.

[2] 曾 平，曹贵和，程光明，等.机械设计实验教学改革研究[J].实验技术与管理，2006，23(7)：93-94.