新形势下机械设计课程理论教学体系改革的探索

张玉言 涂桥安 马晨波 伍根生

摘 要：本文针对新形势下社会对机械类专业人才实践能力和创新能力的需求，研究了现有的机械设计课程理论教学体系在教学内容、方法和结果考核方面所存在的弊端，提出了优化教学内容以及通过引入工程实践案例和创新型案例提高应用型人才实践能力和创新型人才创新能力的措施，阐释了各种教学方法在机械设计课程理论教学中的综合运用，并提出了课程考核方式的改革措施，以期为机械类专业优秀人才的培养提供保障。

关键词：机械设计 理论教学体系 改革

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（c）-0187-03

近年来，制造技术与新一代信息技术的深度融合促进了全球制造业的迅猛发展，同时也迎来了我国制造业转型升级和创新的重大机遇。要想抓住此次机遇来抢占制造业新一轮的竞争制高点，完善多层次多类型的人才培养体系、建设制造业人才队伍尤为关键。而机械制造业是整个制造业中非常重要的一部分，因此加快培养该行业急需的专业技术人才对于“中国制造2025”宏伟目标的实现具有重要意义。在此形势下，大批学校进行了机械类专业本科人才培养方案的修订[1-2]，着重将学生实践能力与创新能力的培养提上日程，并据此将本专业主干课程教学体系的优化作为重要工作。其中，机械设计作为机械类本科专业课程中一门，以培养学生的机械设计能力为核心，是以培养工程实践和创新能力为目标的主干技术基础课，在新培养目标实现的过程中有着举足轻重的作用。

机械设计课程通常在材料力学和机械原理等课程之后，机械制造装备设计和机械综合设计等课程之前开展，在整个培养体系中起着桥梁的作用。该课程的教学体系通常分为理论教学和实践教学两大模块，其中理论教学主要围绕常用零部件的设计计算和选型等内容来开展，是实践教学的基础，对于学生工程意识的形成以及实践能力和创新能力的培养具有至关重要的作用。但由于该课程涉及面广，其理论教学工作是一项重大的系统工程，需要教师在长期总结授课经验和学生实际学习产出的基础上建立适应时代需求的教学体系[3]。为此，本文将从现有机械设计课程理论教学体系中存在的问题出发，探讨新形势下课程教学体系的改革方案，并提出具体改进措施，以期为培养适应时代需求的机械类专业优秀人才提供保障。

1 现有机械设计课程理论教学体系中存在的问题

机械设计课程理论教学体系由教学内容（设计总论、常用连接、机械传动、轴系零部件和其它零部件）、教学方法（讲授法、翻转课堂法、项目驱动法等）和教学结果考核三方面组成。在此教学体系的开展过程中，主要存在三方面的问题：（1）教学内容理论性过强[4]，工程实践案例和创新型案例不足，章节内容间的交叉与融合未充分体现；（2）教学方法（如翻转课堂法[5]、项目/任务驱动法[6]）针对性不强、已有改革效果不佳；（3）教学结果考核中作业形式单一、期中和期末考试“重理论、轻实践”。为解决上述问题，本文将以学生实践能力和创新能力的培养为目标，以综合设计能力的提高为导向，提出该课程理论教学体系改革的具体实施方案。

2 机械设计课程理论教学体系改革的具体实施方案

（1）优化教学内容结构，融工程实践案例和创新案例于课程理论教学之中。

为解决原有教学内容上存在的问题，能更好地培养学生的实践能力和创新能力，教师需优化教学内容结构，增加工程实践案例和创新案例，以应对我国制造业对应用型人才和创新型人才的需求。为此，可从如下几个方面具体实施改革。

第一，精简教学内容。例如，将摩擦、磨损和润滑的相关内容融入链传动、齿轮传动、蜗杆传动和轴承的讲解过程中，缩减关于轴承和轴计算内容所占用的学时，而将更多的学时放于轴承装置的设计及轴的结构设计上。此外，删减繁琐的公式推导，着重介绍其中所涉及的工程背景以及使用方法。例如，在讲授机械零件的疲劳强度时，可简化不同应力变化规律下疲劳强度条件式的推导过程，而着重介绍使用强度条件指导设计的方法；在讲授齿轮传动中接触疲劳强度时，略去接触应力公式的详细推导过程，而重点解释取节点处接触应力为计算依据的原因、引入载荷系数和重合度系数的缘由、校核公式和设计公式的使用场合、各参数的选取以及在工程设计中强度不足时可采取的改进措施等。

第二，从应用型人才实践能力培养的目标层次出发，增加能体现章节内容交叉与融合的工程实践案例，以培养学生的综合设计能力和应用能力。例如，在讲授设计机器的总体步骤时，可列举一个实际的工程设计案例，向学生介绍其设计背景和目的，制定几组设计方案，并进行方案的对比分析和选择。在介绍完四种机械传动方式后，可增加一节课堂讨论，主要针对带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动进行对比分析，并以某一机器中的传动方案设计为例，让学生制定不同的方案，并讨论各自的优缺点和可行性，使学生能真正掌握机械传动中各章节之间的交叉与融合，会进行传动组合。在介绍完轴系零部件这一部分后，可增加一节关于轴与轴承组合结构设计的案例，例如立式车床工作台主轴轴承配置案例[7]，引导学生讨论轴承选择、轴结构设计以及各种组合的优缺点等内容，使学生掌握综合结构设计的方法。

第三，从创新型人才创新能力培养的目标层次出发，增设机械创新设计方法的介绍和计算机软件在辅助现代机械设计中的应用等内容，比如向学生介绍TRIZ理论进行创新设计的方法以及CAD技术优化设计结果的方法等。此外，增加创新设计案例，培养学生的创新思维。例如，在介绍螺旋传动时，可以双吊篮高层建筑火灾逃生装置[8]为例，介绍将螺旋传动应用于这一装置的创新思路。在介绍轴的设计时，可以滑滚混合轴承支承方式[9]为例，向学生介绍有学者在传统滑动轴承支承方式和滚动轴承支承方式的基础上，创新性地提出了滑滚混合轴承支承结构，可实现整个运行阶段轴承的低磨损、保证轴的正常运转。通过引入诸类案例，有利于拓宽学生的思路，促进学生创新能力的培养。

（2）綜合运用各种教学方法。

因为机械设计课程内容的多样性，所以没有一种教学方法可适用于所有内容。因此，综合运用各种教学方法至关重要。例如，在“齿轮传动”的教学中，一般是从失效分析、设计准则确定、材料选取、强度计算等方面来讲授的，内容多而杂，学生掌握起来较为困难。对于这一章节内容的教学可以分为三个部分、综合采用三种教学方法来开展。内容一：齿轮传动的失效形式、材料及选择、精度和结构设计。对于这一部分，可采用调研法和翻转课堂法，即安排学生在课下以小组形式开展社会调研活动，总结机械类企业中常发生的齿轮失效形式及出现场合、所选材料和传动的精度等级以及应用工况和所采用的齿轮结构形式。在课堂上，让学生汇报，根据汇报情况教师做出总结和补充讲解。通过这种教学方式来锻炼学生的社会实践能力和总结归纳能力，并提高学生主动探索知识的热情。内容二：齿轮传动设计准则的确定以及强度的计算。此部分内容学生自学难度较大，需要教师做详细分析和解释，因此可采用以讲授法为主。此外，教师在完成这一部分内容的讲解和梳理工作后，为避免学生因复杂的公式计算而感到苦恼，可将Matlab、Pro/E或Solidworks等软件引入，安排学生课后采用计算机辅助软件进行齿轮传动的设计，进而激发学生的学习兴趣，并使设计计算变得准确简单，而且学生的计算机辅助设计能力得以提升，做到理论与虚拟实践的融合。内容三：齿轮传动的润滑。这部分理论内容可融入到实验教学中来开展，即在传统的圆柱齿轮传动效率与转速及载荷关系测试实验的基础上增加润滑条件对传动效率影响的内容，这样既可以实现实验教学与课堂理论教学的有机衔接与融合，避免理论教学中出现学生对齿轮传动润滑方式毫无感官认识的现象，同时还可以锻炼学生的实际动手能力。

此外，练习法和案例分析法等也适合用于机械设计课程内容的开展。例如，为解决学生对前期所学的材料力学、公差与配合等课程内容遗忘导致本课程学习困难的问题，采用练习法给学生布置1～2道关于下节课所涉及的已学知识的题目（比如，“请复习材料力学中关于交变应力的相关内容，并简述交变应力的分类及表征参数”），使得他们能对已学课程中遗忘的知识点及时复习。此外，广泛应用案例分析法，引入工程实例，例如在介绍滚动轴承时，可以2016年俄罗斯马尔半岛航空公司波音737客机由于机轮轴承损坏导致飞机右侧主轮脱落事件为例，引出滚动轴承的可能失效形式，以加深学生对实际工程问题的理解。

（3）创新课程考核方式。

鉴于本课程的目标是培养学生的工程实践能力和创新能力，因此需对现有课程考核中存在的“重理论、轻实践”的现状进行改革，具体可从如下三个方面来开展。①分组教学，使学生的课堂动态便于把握，并细化考勤和课堂表现的考核标准，增加课后作业和大作业题目的开放性。例如，针对应用型人才，可保留原有大作业中关于螺旋千斤顶的设计题目，而对于创新型人才则改为螺旋传动的创新设计。②删去期中考试，改为项目考核。比如利用课堂两学时的时间让学生针对某一工程任务，设计其机械传动方案，画出方案草图，并说明设计依据，着重考察学生对以带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动为主的机械传动知识的掌握及其创新能力。③期末考试采用开卷与闭卷结合的方式，在开卷考试中考察学生对课程各章节内容综合运用的能力以及查阅资料和手册、运用标准和规范的能力，在闭卷考试中考察学生对各零部件的失效形式、设计准则、设计方法、参数选取、安装与维护等知识点的掌握情况。通过上述三方面措施的开展，使得本课程的考核既能反映学生的知识水平，又能评定其实践和创新能力，有利于本课程培养目标的实现。

3 结语

当代制造业的迅猛发展对机械类专业人才的工程实践能力和创新能力提出了更高的要求。然而，现有机械设计课程理论教学体系存在着教学内容理论性过强、工程实践案例和创新型案例不足、章节内容间的交叉与融合未充分体现的问题，还有教学方法针对性不强、已有改革效果不佳，以及教学结果考核中作业形式单一、期中和期末考试“重理论、轻实践”等问题，不利于当代社会所需人才的培养。本文针对上述问题进行探索，从优化教学内容结构、融工程实践案例和创新案例于课程理论教学之中，综合运用各种教学方法以及创新课程考核方式三方面提出了机械设计课程理论教学体系改革的具体实施方案，为本课程教学目标的实现以及新形势下机械类专业优秀人才的培养奠定了基础。

参考文献

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[4] 张永安.我国机械设计教学现状的思考及建议[J].中国大学教学，2013（6）：37-38.

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[8] 何斌辉，夏凤鸣，涂桥安，等.双吊篮高层建筑火灾逃生装置：中国，102008785[P].2011-06-29.

[9] Lui D，Zhao W，Lu B，et al.A zero wear assembly of a hydrodynamic bearing and a rolling bearing[C].IEEE International Symposium on Assembly and Manufacturing.2011：1-4.