吳峰，康國(guó)祥，宋年秀

摘要：文章分析了當(dāng)前工科院校畢業(yè)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，以畢業(yè)設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，在新工科背景下，對(duì)工科本科生的課程體系建設(shè)、理論知識(shí)和工程實(shí)際的結(jié)合、如何提升工科學(xué)生科研素養(yǎng)及綜合競(jìng)爭(zhēng)力等方面做了深入的思考和有益的探索。

關(guān)鍵詞：新工科;畢業(yè)設(shè)計(jì);課程體系;科研素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G642.477 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）01-0332-03

一、引言

為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，2017年2月以來(lái)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”。共識(shí)認(rèn)為，高等教育發(fā)展水平是一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平和發(fā)展?jié)摿Φ闹匾獦?biāo)志。當(dāng)前世界范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速進(jìn)行，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，高等教育步入新階段。為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)與科技的快速發(fā)展，迫切需要培養(yǎng)大批科學(xué)基礎(chǔ)厚、工程能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的新興工程科技人才。畢業(yè)設(shè)計(jì)作為高校人才培養(yǎng)的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)之一，對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)工科應(yīng)用型人才起到非常重要的作用。在人才培養(yǎng)具有更強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力、工程能力和創(chuàng)新能力的要求下，對(duì)工科畢業(yè)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量，已經(jīng)成了工科教育必須面對(duì)和亟待解決的重大課題。[1]

二、當(dāng)前畢業(yè)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科教學(xué)過(guò)程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)該環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，應(yīng)使學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的專業(yè)理論知識(shí)和技能，進(jìn)行全面、系統(tǒng)、嚴(yán)格的技術(shù)及基本能力的練習(xí)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高綜合素質(zhì)教育有重要作用，這是高等工程教育教學(xué)改革的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。[2]近年來(lái)，由于高校招生人數(shù)的擴(kuò)大、師生比下降、各種軟硬件水平跟不上等因素，工科畢業(yè)設(shè)計(jì)水平存在不同程度的下降，表現(xiàn)如下。

1.選題不合理。有些畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師根據(jù)自己的科研項(xiàng)目或科研方向選題，沒(méi)有從學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)、知識(shí)結(jié)構(gòu)、興趣愛(ài)好和特長(zhǎng)考慮。

2.畢業(yè)設(shè)計(jì)論文化。選題往往偏大，內(nèi)容易于空洞，文字?jǐn)⑹鎏唷?/p>

3.畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)分依賴應(yīng)用軟件。精通一個(gè)專業(yè)軟件固然不錯(cuò)，但不能系統(tǒng)復(fù)習(xí)所學(xué)課程體系。

4.基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)脫節(jié)。

三、實(shí)踐與思考

筆者在青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院交通運(yùn)輸工程專業(yè)從事教學(xué)和科研工作，該專業(yè)立足于汽車運(yùn)用的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，依托學(xué)校機(jī)械工程、管理工程等優(yōu)勢(shì)學(xué)科以及新興的交通運(yùn)輸工程學(xué)科，使學(xué)生系統(tǒng)掌握機(jī)車構(gòu)造、檢測(cè)、維修以及客貨運(yùn)輸組織的知識(shí)和技能，形成“工管交叉、軟硬結(jié)合”的專業(yè)特色。該專業(yè)學(xué)生前兩年所學(xué)的通識(shí)課程、學(xué)科基礎(chǔ)與專業(yè)基礎(chǔ)課程和本學(xué)院機(jī)械專業(yè)的學(xué)生共用一個(gè)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生花費(fèi)了大量時(shí)間學(xué)習(xí)了大量的機(jī)械、力學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)編程的課程，具備了扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。據(jù)筆者觀察，進(jìn)入三、四年級(jí)后，隨著專業(yè)課的開(kāi)設(shè)，專業(yè)課和基礎(chǔ)課銜接不夠緊密，甚至出現(xiàn)了脫節(jié)的現(xiàn)象?；A(chǔ)課教師與專業(yè)課教師之間缺乏有效溝通，任課教師主要將精力放在自己所教的課程的內(nèi)容上，而沒(méi)有更多地考慮所上課程在整個(gè)教學(xué)體系中的地位和作用，也沒(méi)有及時(shí)向?qū)W生說(shuō)明該課程在整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)中的地位和作用。結(jié)果就是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要目的是為了應(yīng)付考試，學(xué)習(xí)了很多課程，但不知道這些課程之間的內(nèi)在聯(lián)系。

為了解決上述問(wèn)題，筆者試圖通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)這個(gè)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，選擇合適的題目，讓學(xué)生通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)復(fù)習(xí)、總結(jié)所學(xué)的主要課程內(nèi)容，結(jié)合工程實(shí)際，提升解決問(wèn)題的科研素養(yǎng)。

凸輪挺桿機(jī)構(gòu)是車輛內(nèi)燃機(jī)的重要機(jī)構(gòu)之一，凸輪挺桿副的失效形式主要是點(diǎn)蝕、膠合和磨損，所有這些失效形式都與該運(yùn)動(dòng)副的潤(rùn)滑狀態(tài)有關(guān)，所以研究凸輪挺桿副的動(dòng)壓潤(rùn)滑機(jī)理，對(duì)于合理設(shè)計(jì)凸輪挺桿機(jī)構(gòu)、降低機(jī)構(gòu)因摩擦等原因而失效有重要的理論意義。凸輪挺桿副由于其惡劣的工作條件，接觸載荷、卷吸速度及接觸表面曲率半徑都隨時(shí)間做劇烈的變化，故其在工作中處于非穩(wěn)態(tài)彈流潤(rùn)滑狀態(tài)，能形成彈流潤(rùn)滑。[3]鑒于交通運(yùn)輸專業(yè)大四學(xué)生所學(xué)課程的實(shí)際情況，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題時(shí)，對(duì)實(shí)際的凸輪挺副結(jié)構(gòu)和工況做了簡(jiǎn)化，將其簡(jiǎn)化為偏心輪機(jī)構(gòu)，潤(rùn)滑液為牛頓液體，研究其在某一瞬時(shí)的等溫動(dòng)壓潤(rùn)滑。

如圖1所示的凸輪偏心輪運(yùn)動(dòng)副，為了研究運(yùn)動(dòng)副之間的潤(rùn)滑特性，需要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析。首先建立動(dòng)、靜兩套坐標(biāo)系統(tǒng)：研究潤(rùn)滑使用的動(dòng)坐標(biāo)系xoz以及確定偏心輪位置的靜坐標(biāo)系x′o■y′。

為了得到潤(rùn)滑模型直觀的等價(jià)模型，先對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。令動(dòng)系原點(diǎn)在靜系中的位置為x′■，y′■，由圖1可得x′■=-esinφy′■=R-ecosφ

則動(dòng)系原點(diǎn)在靜系中的速度為

u■=■′■=-eωcosωtv■=■′■=eωsinωt

偏心輪a上與o點(diǎn)重合點(diǎn)記為o■，其絕對(duì)水平速度分量和垂直分量易得u■=ω（R-ecosωt）v■=eωsinωt

挺桿b上與o點(diǎn)重合的點(diǎn)記為o■，其水平速度分量為0，垂直速度分量由瞬心法得到v■=eωsinωt。

綜合上述各式，利用理論力學(xué)中的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，可得出動(dòng)系中兩表面的速度為

u■=u■-u■=ω（R-eωcosωt）+eωcosωt=Rωu■=u■-u■=0+eωcosωt=eωcosωt

v■=v■-v■=eωsinωt-eωsinωt=0v■=v■-v■=eωsinωt-eωsinωt=0

于是，從潤(rùn)滑角度來(lái)看，圖1等價(jià)于圖2。

挺桿的行程為s=（R-ecosφ）-（R-e）=e（1-cosφ）=e（1-cosωt），然后對(duì)偏心輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，在偏心輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程的任意瞬時(shí)，偏心輪挺桿副間的作用力由彈簧力p■和慣性力p■組成。設(shè)初始載荷為w■，彈簧剛度為k■，偏心輪寬度為L(zhǎng)，則彈簧力為p■=w■·L+k■·s。

設(shè)彈簧質(zhì)量為m■，挺桿質(zhì)量為m■，其他關(guān)聯(lián)件質(zhì)量為m■，那么慣性力為p■=（■+m■+m■）■，于是沿接觸線方向單位長(zhǎng)度上的載荷為w■=■+■=w■+■+（■+m■+m■）/L

從數(shù)學(xué)上來(lái)講，彈流潤(rùn)滑理論研究的是一個(gè)非線性系統(tǒng)，需要聯(lián)合求解雷諾方程、彈性變形方程、載荷方程、粘壓方程和密壓方程。求出運(yùn)動(dòng)副之間油膜的壓力分布和油膜厚度分布，用以指導(dǎo)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其運(yùn)動(dòng)時(shí)可以有效地形成彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑。

雷諾方程為■■■=12u■

油膜厚度方程為hx=h■+■-■■px′ln（x-x′）■dx′

粘壓方程、密壓方程、載荷方程及各變量含義參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

難點(diǎn)是求解雷諾方程，它是一個(gè)二階微分方程，首先引導(dǎo)學(xué)生如何解微分方程，這就自然聯(lián)想到高數(shù)中的微分方程的解法，然而在實(shí)際工程中，只有極少數(shù)的微分方程有精確解，絕大多數(shù)的微分方程無(wú)法獲得精確解，因此只能訴諸數(shù)值方法，借助于計(jì)算機(jī)編程，求出滿足一定精度的近似解。首先把求解域剖分，形成0，1，2，…，n等節(jié)點(diǎn)，用有限差分法把雷諾方程離散化，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上可以建立一個(gè)有相鄰節(jié)點(diǎn)壓力構(gòu)成的線性方程，那么所有節(jié)點(diǎn)上的壓力方程就可以構(gòu)成一個(gè)線性方程組，這樣問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為如何求解線性方程組，就把抽象的理論問(wèn)題轉(zhuǎn)化為工程實(shí)際問(wèn)題了。

把雷諾方程變形為■ε■=12u■，用中心差分離散方程左端項(xiàng)，用向后差分離散右端項(xiàng)，得到■ε■p■-ε■+ε■？搖p■+ε■p■=

■（ρ■h■-ρ■h■），（i=1，2，…，n-1）。

求解方程組有直接求解和迭代求解等方法。鑒于本科生的實(shí)際情況，畢業(yè)設(shè)計(jì)中讓學(xué)生在劃分求解域時(shí)取數(shù)量較少的節(jié)點(diǎn)，使用直接求解代數(shù)方程組，把所求結(jié)果經(jīng)過(guò)松弛迭代若干次，當(dāng)結(jié)果滿足一定的收斂判據(jù)時(shí)，即可作為可以接受的近似解。通過(guò)這種方法，求出每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的壓力和油膜厚度，然后借助于專業(yè)繪圖軟件Origin，繪制出壓力和油膜厚度曲線，為后續(xù)理論分析提供依據(jù)。

通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，把大學(xué)四年所學(xué)的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、汽車構(gòu)造等基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，使學(xué)生在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，重新梳理了所學(xué)的課程體系，深入理解了課程之間的前后關(guān)聯(lián)和相互關(guān)系。

四、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)學(xué)生所學(xué)專業(yè)的實(shí)際情況，合理選定畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，使學(xué)生通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)復(fù)習(xí)了公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課的相關(guān)內(nèi)容，加深了學(xué)生對(duì)整個(gè)專業(yè)課程體系的認(rèn)識(shí)與理解，明白了課程之間的關(guān)系，初步學(xué)到了解決工程實(shí)際問(wèn)題的思路和方法，培養(yǎng)了基本的科學(xué)研究素養(yǎng)，為以后從事科研工作打下了一定的基礎(chǔ)。通過(guò)這種系統(tǒng)的訓(xùn)練，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的專業(yè)綜合素養(yǎng)，增強(qiáng)了學(xué)生在新工科背景下的競(jìng)爭(zhēng)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王武.工科畢業(yè)設(shè)計(jì)問(wèn)題及路徑選擇[J].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，35（2）：97-100.

[2]馮志焱，等.在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)培養(yǎng)工科學(xué)生創(chuàng)新能力的思考與實(shí)踐[J].榆林學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，27（4）：106-108.

[3]楊沛然.流體潤(rùn)滑數(shù)值分析[M].國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

[4]王靜.偏心輪機(jī)構(gòu)的熱彈流潤(rùn)滑及任意卷吸速度方向的橢圓接觸表面凹陷現(xiàn)象研究[D].青島建筑工程學(xué)院，2001.

Thoughts and Researches on the Design of Undergraduate Graduation Projects under the Background of Emerging Engineering Education

—Taking Transportation Major of Qingdao University of Technology as an Example

WU Feng，KANG Guo-xiang，SONG Nian-xiu

（School of Mechanical and Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，

Qingdao，Shandong 266520， China）

Abstract：Starting from deep analysis of some existing problems found in the Undergraduate Graduation Projects area，the author did extensive researches and shared many valuable insights on areas including curriculum configuration for undergraduate in the engineering schools，integration of theory learned in classes and engineering in reality，and ways to improve both the research and overall capabilities of students graduated under the background of Emerging Engineering Education.

Key words：Emerging Engineering Education;graduation project design;curriculum configuration;research capability