面向创新能力培养的机械设计课程改革和探索

张月芹

摘 要：为适应科学技术的飞速发展和社会竞争对创新型人才的需求，文章根据本科独立学院教育人才培养的目标，分析了我院机械设计课程中存在的不足，提出了在本课程教学中对教学内容、教学模式和方法等如何进行改革，强化了工程意识和创新能力的培养。通过课程改革和实践探索，达到让学生既要掌握扎实的理论基础、又要具有较强的实践动手能力的目的，改革取得了一定的成效。

关键词：机械设计；课程改革；创新能力；实践

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）10-0090-03

Abstract： In order to adapt to the rapid development of science and technology and meet the demand of social competition for innovative talents， this paper， according to the talent training goals of independence college， analyzed the shortcomings of mechanical design course in our college， and put forward the reform about the teaching content， teaching modes and methods， strengthening the engineering consciousness and innovation ability. Through the curriculum reform and practical exploration， the students should not only have a solid theoretical foundation， but also have a strong practical ability. The reform has achieved some results.

Keywords： Mechanical design； course reform； innovation ability； practice

引言

随着科学技术的迅速发展及社会发展对创新型人才需求的增强，在本科独立学院确立的教育培养人才的目标中，注重以行业发展需求为导向，推动教学改革，强化实践教学环节，培养高素质应用型人才。机械设计作为培养机械类专业学生机械创新设计能力的一门主干技术基础课，在学生的教学培养计划中，起到了承接基础课和专业课的桥梁作用，在培养优秀机械设计人才方面起着极其重要的作用。

针对机械设计课程存在的一些问题和不足，对本课程进行教学改革尤为必要。文章从理论教学和创新设计实践的角度，在课程教学内容、教学模式和方法、创新实践等方面开展了一系列必要的改革和有益的探索，以其进一步优化教学内容，强化工程意识，加强创新能力培养。

一、当前教学现状及存在的问题

（一）课堂教学内容

机械设计重点讨论通用零件的有关基本理论和方法，以及有关技术资料的应用等[1]。我院机械设计理论课时为42个，讲述内容包括总论、联接、传动以及轴系四大部分，存在教学内容多、课时少的明显矛盾。按照教学进度安排，教师全力讲授完所有内容需近40个学时。再加上课程总复习，基本上填满了总课时。在课堂的有限时间内，难以让学生接触到更多的工程案例，也难以让学生将所学的理论知识和实际应用结合起来，且课堂案例更新不及时，未融入较新的创新思维意识，对学生的创新思维能力的引导及训练都会产生削弱作用，不能很好地体现培养高级应用型人才的目标。

（二）教学模式和方法

当前，教学模式主要采用教师讲授式，通过教师课堂讲解、学生听课、问答、课堂练习等一些传统的单一模式来进行，未融入较新的教学模式和创新思维意识，存在学生学习被动、靠机械重复来掌握知识的问题。課堂中忽略了学生的主体地位，不仅影响其学习积极性和自主性，而且不能很好地实现对学生探究问题及解决工程问题能力的培养。

（三）实践教学环节

本课程实践环节薄弱，仅有6学时基础实验和2.5周机械设计课程设计，开设的基础实验为“螺栓强度实验”“轴系搭建实验”和“减速器拆装实验”，属于验证性和认知性实验，缺少设计性和创新性实验项目。且因实验设备数量受限，一般3～4个人一组进行实验操作，导致个别学生实际动手较少，敷衍了事，达不到实验的目的。而课程设计依然是齿轮减速器的设计，题目类型过于单一，缺少对学生创新意识的强化培养，并且装配图和零件图依然停留在采用图板、图纸等进行手工绘制阶段，与实际工程设计人员已越来越多地使用计算机软件绘图的现状相脱节，不利于学生计算机绘图与辅助设计能力的提高。

二、改革措施

（一）优化教学内容，提高课堂效率

针对课程内容多、课时少的问题，需要根据课程特点和培养目标对课堂内容进行优化。在总论部分，降低机械零件疲劳强度的计算难度，要求学生主要掌握疲劳曲线和极限应力图、稳定循环应力下零件的疲劳强度计算，有关强度校核计算公式，要求学生能够直接对公式进行应用而不再强求记忆公式，避免学生在刚进入本课程学习时产生畏惧复杂计算问题的心理，提高其学习自信心。在联接部分，包括螺纹联接，键、花键及无键连接，销连接，铆接，胶接与过盈连接等，重点让学生掌握螺栓联接的类型和应用、受力分析、强度校核和设计计算等内容，而其他连接则安排学生课外自学，以提高课堂效率。对于带和链传动，重点学习普通V带传动的内容，而链传动则简述其运动特性，有关滚子链传动的计算要求学生自学。对于齿轮传动，重点讲述渐开线圆柱齿轮，并省略有关公式的理论推导，让学生掌握公式中参数的含义及其对齿轮传动的影响，掌握齿轮设计的步骤和方法；而锥齿轮和蜗杆传动，重点掌握其传动特点及受力分析方法，而强度计算等要求学生自学。轴系部分，重点讲述轴和滚动轴承的内容，而滑动轴承作为自学部分，联轴器、离合器放在轴系结构搭建的实验中结合实物来观察和学习，以产生深刻的认识。

经过以上内容的优化，在理论课时中可节省5～6个课时，从而可增加工程实践案例的内容，让学生了解机械设计的新发展，扩其知识信息量，并将创新设计的思路和方法应用到工程实践案例的分析中。这不仅拓展了学生的知识面，而且逐步培养了学生结合工程实例进行创新的意识。

（二）丰富教学模式，强化工程意识

每一种教学模式都具有其自身的优势与局限，应该综合运用多种教学模式，提高教学效果[2]。在教学模式与教学目标相契合的情况下，教师要考虑实际教学条件，根据教学内容采用合适的教学模式完成理论和实践教学。要打破现有的以教师传授知识学习为主的教学模式，要突出学生的主体地位，注重在基础知识讲授之后，培养学生综合运用理论知识解决工程实际问题的能力。

由于本课程要学习几类不同的通用零件，容易让学生产生内容繁杂、思路凌乱的感觉。为此，在整个课程的讲授中，始终贯穿“零件使用案例-工作原理-失效形式-受力分析-强度计算-结构设计”的学习主线，让学生建立一条清晰的学习思路主线。

大纲要求的重点和难点部分，教师要充分利用板书、多媒体课件、动画等手段将课程内容讲述详尽，并启发学生举一反三、学用结合，让学生牢固地掌握基础知识和分析问题的方法，重视系统性的学习知识，提高课堂教学质量。如在讲述带传动的弹性滑动和打滑时，借助Flash动画让学生形象的观察带和带轮间运动速度的差异。通过逐渐增大载荷观察弹性滑动区域的变化及向打滑的转变，加深学生对带传动运动特性的认识。针对各类齿轮传动的受力分析，由于其受力种类、方向判断等都不尽相同，一直是学生易混淆出错的地方。为了系统化地让学生掌握本部分内容，教师要设计教与学互动环节。如先让学生在黑板上画出每一类齿轮的受力分析示意图，然后再引导学生分析每种力在各类齿轮上的作用特点，找出各类齿轮受力的异同。这种做法精简了内容，强化了学生的记忆和理解。通过该互动方法，作业中的错误大大减少了。

为提高教学质量和效率，建立了机械设计模型室。要充分利用模型室提供的优质教学资源，将部分基本教学内容转移到模型室进行教学，适当开展情景式教学。让学生对模型室陈列的零部件、减速器等模型产生直观认知，弥补其空间想象力和形象思维能力的不足，并将其置身于实际模型之中学习，不仅可以降低课程的抽象性和难度，丰富的实物模型还有助于学生扩大知识面，激发学习的主动性和兴趣。如滚动轴承部分，通过学生观察各类轴承的结构，并根据结构分析其受载情况等，教师再进一步结合实物讲述总结，以加深对轴承的理解，则看似繁多零乱的内容却可以让学生很好地掌握，产生的教学效果远远好于教师在教室的全力讲解。对于课程的自学部分，教师有针对性地提出一些问题，适当开放模型室，让学生在模型室内自学而找出问题的答案，培养学生独立观察问题和分析问题的能力。对于学生存在疑问较多的地方，教师在课堂中再给予解答和概述。不仅扩展了学生的知识面，而且提高了学习效率，兼顾了课程的完整性。

以探究式教学模式[3]增加工程案例的分析。教师根据学习进度，针对零件的实际工程应用提出问题，让学生以分组的形式课外求解问题的答案，教师在课堂上再对学生的解答进行点评，对他们的疑问进行点拨和启发，并对那些具有突破的学生给予鼓励，提高教师教学的灵活性。如完成减速器拆装实验后，让学生以风力发电增速齿轮箱为研究对象，完成对该增速齿轮箱的组成、工作原理、传动特点等的分析，并对传动方案进行再设计或改造。通过类似问题的对比分析，培养学生创新思维能力和自主学习的能力，并将创新设计与工程应用紧密结合，拓展学生对工程问题的认识。此外，学生在解决问题的过程中，一般需要到图书馆查阅设计手册、数据库文献资料等。因此，还提高了他们查阅技术资料和检索信息的能力。

计算机网络技术的发展及应用的普及，为建设开放式学习环境创造了有利条件，为此，在课程改革中尝试了微课[4]，对课程的重点、难点和机械设计的新成果、新产品录制微课，便于学生利用零碎的时间进行学习和课外回顾课堂内容，使学生不受地域的影响、自主加强学习。

（三）搭建创新平台，鼓励创新设计

一般，对学生创新能力的培养可以从加强其创新意识、动手实践等方面入手。开展创新设计的训练和竞赛，激发学生的积极性，让学生综合运用所学知识去观察分析问题，解决实际问题。

本课程具有很强的设计性和实践性，在已开设的6学时基本实验中，为保证实验效果，在实验开始之前要求学生完成与实验内容密切相关的预习，以改善实验效果，提高课堂效率，避免走马观花式实验，并对每个学生定量分配实验任务。为进一步扩大学生的知识面，在实验中教师要介绍相关的工程背景，典型工程应用实例等，以增加工程实践的内容。对于2.5周的课程设计环节，鼓励学生采用计算机辅助绘图软件来完成。不仅可以提高作图效率，而且可以让学生有更充足的时间理解设计的内容，提高设计的质量。同时，鼓励大家开拓新的题目，而不再局限于二级齿轮减速器的设计。为培养学生的创新意识、创新能力及工程实践能力，增设了32学时的机械设计综合实验，进行机械创新传动方案的搭建和计算机辅助建模分析。在已有的工程经验的基础上进行动手实践。并注重开展应用型、综合提高型和创新型等实验项目[5]，以满足不同层次学生的需求。同时在实验开设期间，开放实验室以增加学生的课外学时。本综合实验中，学生设计出了连杆式机械手、打包机等优秀的传动装置。

此外，为开展课外创新活动，建立了大学生创新实验室，购置了车床、铣床、钻床及数控雕刻机等加工设备，并配有教师指导机床的操作，为动手及创新能力较强的学生提供了一个发挥自身特长的平台。近年来，借助省级及院级大学生创新基金项目，开展了爬壁机器人、自动化立体停车库、走迷宫机器人等江苏省大学生创新基金项目，结合学生的专业优势，顺利完成了实体模型的设计制作，取得了良好的成绩，培养了一批优秀的高级应用型人才。从实验室走出的一些毕业生还成功实现了创业，将自己的产品推向了国内外市场。学生在实验室学习期间，还参加了各类国家级、省级大学生竞赛，并取得了突出的成绩。如在第14届全国大学生机器人大赛Robomasters赛中，首次参赛，即在华东赛区赛中取得亚军、在全国总决赛中取得二等奖的好成绩。在近几年举办的江苏省大学生机器人大赛中，多次取得冠军、亚军、季军等成绩。实验室学生取得的优异成绩，离不开平时对创新能力培养和重视的积累，也有力地证明了课程改革的有效性。通过该创新實验室，也将机械设计的课堂创新意识和实践能力的后续培养，延续到创新作品设计平台上，有利于人才的个性化和多样化发展，满足了社会对新型人才的需求。

三、结束语

为适应社会发展对高素质应用型人才的需求，提高大学生的机械创新能力和实践能力，文章在分析机械设计课程现状的基础上，对课程进行了一系列改革和探索。机械设计课程改革以行业发展需求为导向，优化教学内容，结合课程的学习特点丰富教学模式和方法，提高课堂教学效率和质量，强化工程实践，培养具有一定创新意识和实践能力的高素质应用型人才，改革取得了一定的成效。

参考文献

[1]濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2006：5.

[2]万伟.三十年来教学模式研究的现状、问题与发展趋势[J].中国教育学刊，2015（1）：60-67.

[3]盛武，盛智愚，刘影，等.探究式高校课堂有效教学模式设计与实验[J].辽宁工程技术大学学报（社会科学版），2012（4）：445-448.

[4]苏小兵，管珏琪，钱冬明，等.微课概念辨析及其教学应用研究[J].中国电化教育，2014（7）：94-99.

[5]胡家秀，陈峰.机械创新设计概论[M].北京：机械工业出版社，2005.