機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革綜述及探討

安軍 汪建曉 陳就 范勁松

摘? 要：在分析研究國(guó)內(nèi)機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合本校的實(shí)際教學(xué)，對(duì)現(xiàn)有教學(xué)方式及存在的設(shè)計(jì)題目類型單一、手段落后、周期短時(shí)間緊、模仿設(shè)計(jì)以及缺乏團(tuán)隊(duì)合作等問(wèn)題進(jìn)行了分析討論，歸納了主要的教學(xué)改革方法和內(nèi)容。文章最后從師資隊(duì)伍要求和學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定兩個(gè)方面對(duì)教學(xué)改革工作做了進(jìn)一步分析和探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)械原理;課程設(shè)計(jì);教學(xué)改革;綜述

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）30-0134-04

Abstract： Based on the analyzing and studying of the teaching status about the Mechanical Principles course design in China， combined with the actual teaching program of our university， this article analyzes and discusses the present teaching methods and the existing problems， such as less types of design topic， backward methods， short time cycle， imitation design and lack of teamwork. The main methods of teaching reform and contents are summarized. At the end of the article， the teaching reform is further analyzed and discussed from either the requirements to teacher and evaluation of student performance.

Keywords： Mechanical Principles; course design; reform in education; summary

一、概述

機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)是高等院校機(jī)械類及近機(jī)類專業(yè)的一個(gè)重要教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，是學(xué)生第一次較全面機(jī)械設(shè)計(jì)方面的初步訓(xùn)練，為學(xué)生從事機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)打下必要的基礎(chǔ)。其核心是對(duì)機(jī)器的機(jī)械系統(tǒng)方案和機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，直接決定機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，是機(jī)械設(shè)計(jì)中最具有創(chuàng)新力的地方[1-2]。本課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括兩個(gè)部分：第一部分為機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)，要求學(xué)生對(duì)常用機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合或創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單機(jī)械系統(tǒng)的功能需求;第二部分為機(jī)構(gòu)尺度綜合，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)中指定機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)靜力分析[3-4]。

在大量查閱國(guó)內(nèi)公開發(fā)表的機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革論文的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)方法及改革成果進(jìn)行了匯總，對(duì)其中比較有代表性的成果進(jìn)行了梳理、歸納和探討，拋磚引玉，為大家開展相關(guān)教學(xué)改革提供有益的參考和借鑒，以期達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量、更好地培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代國(guó)家和社會(huì)發(fā)展需求的創(chuàng)新型工程人才的目標(biāo)。

二、國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及存在的不足

（一）現(xiàn)狀

從現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)資料和我?，F(xiàn)狀來(lái)看，機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)的時(shí)長(zhǎng)一般為1-2周，大多安排在機(jī)械原理理論課程教學(xué)的學(xué)期末集中進(jìn)行。傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要為：在課程設(shè)計(jì)開始時(shí)，教師對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行集中講解，布置設(shè)計(jì)任務(wù)及要求，下達(dá)設(shè)計(jì)任務(wù)書;學(xué)生參照指導(dǎo)書進(jìn)行機(jī)構(gòu)組合，擬定運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖，按照要求進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算;利用解析法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析及尺寸設(shè)計(jì)，并利用計(jì)算機(jī)編程得到運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果;最后畫出功能系統(tǒng)圖和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖、并利用圖解法對(duì)一些構(gòu)件如凸輪等進(jìn)行設(shè)計(jì);簡(jiǎn)單答辯后上交設(shè)計(jì)資料，教師評(píng)分。在整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)實(shí)施過(guò)程中，教師主要負(fù)責(zé)解答學(xué)生遇到的一些問(wèn)題和督促檢查學(xué)生的設(shè)計(jì)進(jìn)度，學(xué)生按步驟和程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式，在歷史上曾發(fā)揮過(guò)重要作用[5]，但隨著產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和對(duì)創(chuàng)新型工程人才需求的提升，已不能適應(yīng)社會(huì)的需求。

（二）存在的不足

1. 設(shè)計(jì)題目類型單一陳舊

教師根據(jù)指導(dǎo)書指定設(shè)計(jì)題目，多為一些加工型機(jī)械或者機(jī)床類設(shè)備的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[3-4]，多數(shù)情況下一個(gè)班甚至全年級(jí)共用幾個(gè)題目，同一個(gè)題目之間只是設(shè)計(jì)參數(shù)略有不同。傳統(tǒng)的題目主要有：牛頭刨床[6]、平板印刷機(jī)和壓力機(jī)等，上述題目有部分和學(xué)生實(shí)際生活完全脫節(jié)[3]、有部分是已淘汰或即將被淘汰的機(jī)械，題目類型單一陳舊[1-5，7-11]，學(xué)生創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的空間較少，積極性不強(qiáng)[2，9]。由于設(shè)計(jì)題目比較成熟[3-4]，多年不變[12]，在學(xué)生之間甚至網(wǎng)絡(luò)上都有很多現(xiàn)成的資料可供參考，不可避免出現(xiàn)雷同或抄襲現(xiàn)象[6-7，13]。其設(shè)計(jì)思路和模式比較程式化，僅通過(guò)對(duì)指導(dǎo)書翻書查表[3-4]，按部就班地就可以完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

2. 設(shè)計(jì)手段落后，缺乏設(shè)計(jì)驗(yàn)證環(huán)節(jié)

對(duì)于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)尺寸確定、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及動(dòng)力分析等方面的設(shè)計(jì)，學(xué)生仍然采用圖解法或解析法[3-5，9-10，13-15]。為了避免抄襲，大多仍用手工繪圖和手寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書的形式，設(shè)計(jì)手段落后[8，11，14-15]。圖解法精度太低已不能滿足現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)要求[14]，解析法對(duì)學(xué)生的理論分析要求比較高，并需要借助計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行分析[14，16]，手工繪圖和理論推導(dǎo)花費(fèi)學(xué)生大量的時(shí)間和精力，關(guān)鍵還缺少最重要的環(huán)節(jié)——利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證和分析[9]，造成學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞沒(méi)有清晰、定量的標(biāo)準(zhǔn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生全局觀和整體意識(shí)。

3. 模仿設(shè)計(jì)/參考設(shè)計(jì)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

本實(shí)踐環(huán)節(jié)的核心是機(jī)械系統(tǒng)方案和機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，由于已有現(xiàn)成的教師或者指導(dǎo)書推薦的機(jī)構(gòu)形式及其組合，學(xué)生所需做的工作就是按照自己的參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，屬于一種系統(tǒng)方案和機(jī)構(gòu)方案已定的模仿設(shè)計(jì)[4，8]或參考設(shè)計(jì)[2]。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，受已有設(shè)計(jì)方案潛移默化地影響，思維模式被固化，很難鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

4. 設(shè)計(jì)周期短時(shí)間緊，學(xué)生沒(méi)有足夠的時(shí)間反復(fù)思考完成設(shè)計(jì)

創(chuàng)造性設(shè)計(jì)工作是一項(xiàng)艱苦的腦力勞動(dòng)過(guò)程，不可能一蹴而就，需不斷地反復(fù)思考修改[2]。所以設(shè)計(jì)需要足夠多的時(shí)間去查資料、構(gòu)思及修改，反復(fù)應(yīng)用理論知識(shí)以及現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段進(jìn)行設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證。而課程設(shè)計(jì)工作集中安排在1-2周內(nèi)完成，要在這么短的時(shí)間段內(nèi)完成各項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)本來(lái)就非常困難[3-4，7，10，13，17]，有時(shí)學(xué)生還需要準(zhǔn)備課程的復(fù)習(xí)考試，因此他們不可避免會(huì)壓縮最重要也是最具創(chuàng)新性的方案構(gòu)思和機(jī)構(gòu)選型等方面的定性分析工作，使課程設(shè)計(jì)內(nèi)容明顯縮水[3，7]。

5. 單打獨(dú)斗為主，缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神

在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的教育教學(xué)模式下，在大學(xué)四年里，許多高校學(xué)生不管是完成課程作業(yè)還是做課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)，幾乎都是單打獨(dú)斗，普遍缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通交流能力方面的有效培養(yǎng)和訓(xùn)練[5]。

三、教改措施和方法

許多學(xué)校根據(jù)生源的具體情況和自身教學(xué)的實(shí)際要求，提出了許多各具特色的教學(xué)改革方案，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和歸納，教學(xué)改革的內(nèi)容主要有：

（一）改革設(shè)計(jì)題目

設(shè)計(jì)題目改革的常見方式有：1. 沿用原來(lái)的教學(xué)思路，改革力度相對(duì)較小，主要通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的題目提出更高設(shè)計(jì)要求[5，18]，提出一些新的題目以增加題目的類型和數(shù)量[2，5-6，8，11-12，17]，按專業(yè)方向進(jìn)行選題[1，4]等方式對(duì)題目進(jìn)行改革;2. 完全改變?cè)械慕虒W(xué)思路，改革力度相對(duì)較大，將題目分為創(chuàng)新型題目和傳統(tǒng)型題目[17] （自主選題和指定題目[3，13，19]），學(xué)生可以根據(jù)自身實(shí)際情況在以下幾個(gè)方面[1，5，7-8，12，17，20]自由選題：指導(dǎo)書中的傳統(tǒng)型題目、教師科研項(xiàng)目、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽題目、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目以及挑戰(zhàn)杯的擬參賽題目等。上述兩種方式都在不同程度上給予學(xué)生自由選擇的權(quán)力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)空間，有利于將模仿型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新思考型設(shè)計(jì)，提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生設(shè)計(jì)積極性。

（二）延長(zhǎng)或者分散設(shè)計(jì)時(shí)間

通過(guò)延長(zhǎng)或者分散課程設(shè)計(jì)時(shí)間的方式對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)間進(jìn)行了調(diào)整，讓學(xué)生有比較充分的思考和設(shè)計(jì)時(shí)間，有利于學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新。具體來(lái)說(shuō)主要有以下幾種方式：1. 提前幾周布置題目[11，17-18];2. 采用先分散后集中的方式，將設(shè)計(jì)分散到機(jī)械原理課程教學(xué)的整個(gè)學(xué)期，最后才在設(shè)計(jì)周集中進(jìn)行[3，5-6，10，14，19]，并適當(dāng)調(diào)整機(jī)械原理理論課的教學(xué)安排，以適應(yīng)課程設(shè)計(jì)進(jìn)度的要求;3. 提出將機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)及其兩個(gè)課程設(shè)計(jì)綜合到一起考慮，或者把兩個(gè)課程設(shè)計(jì)有機(jī)整合在一起進(jìn)行教學(xué)[11，16，19-20]，以便將機(jī)械的原理方案設(shè)計(jì)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)機(jī)械整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生設(shè)計(jì)的全局觀和整體意識(shí)。

（三）設(shè)計(jì)手段的改革和提升

引入現(xiàn)代的設(shè)計(jì)手段和方法，提高設(shè)計(jì)效率，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行不同程度的仿真和驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)全局觀和對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量的基本定性分析。主要方法有：1. 采用SolidWorks、UG和PRO/E等設(shè)計(jì)軟件，構(gòu)建機(jī)構(gòu)的三維模型，并通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真[1，10，16-17，20]完成設(shè)計(jì)分析驗(yàn)證;2. 利用ADMAS或者ANSYS等分析軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)或有限元分析[3-5，8，14-15，18]，完成設(shè)計(jì)分析驗(yàn)證;3. 利用VB、C/C++、MATLAB等編程實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析[1，6，10，20]。

（四）分組形式及考核方式的改革

為培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通交流的能力及相關(guān)的工程素養(yǎng)[5，12]，按照自愿和適當(dāng)調(diào)配的原則對(duì)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)分組?？偟膩?lái)說(shuō)，在分組上每個(gè)學(xué)校都各有其特點(diǎn)[4-5，7，10，12-13，18-20]，一般3-5人一組為宜，創(chuàng)新型題目推薦強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的自由組合，傳統(tǒng)型題目可采用教師分組或自由組合適當(dāng)調(diào)配，學(xué)生還可采用獨(dú)自完成的方式。

在成績(jī)?cè)u(píng)定上各具特色[3-4，9-10，19]，在傳統(tǒng)的平時(shí)成績(jī)+設(shè)計(jì)成績(jī)+答辯成績(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)成績(jī)進(jìn)行了細(xì)化，如選題成績(jī)+平時(shí)成績(jī)+設(shè)計(jì)成績(jī)+答辯成績(jī)，特別將平時(shí)成績(jī)進(jìn)行了分解如考勤、網(wǎng)上活躍度、方案答辯和軟件應(yīng)用能力等，有些還采用小組貢獻(xiàn)度的方式對(duì)小組成員的成績(jī)進(jìn)行評(píng)定。不管采用何種方式，都是期望能公平公正地對(duì)成績(jī)進(jìn)行評(píng)定，盡力做到在學(xué)習(xí)態(tài)度、創(chuàng)新點(diǎn)、中間過(guò)程和最終成果上進(jìn)行相對(duì)全面的考核和評(píng)價(jià)。

四、對(duì)現(xiàn)有教改方式的一些思考

（一）師資隊(duì)伍的要求和培養(yǎng)

與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，教學(xué)改革對(duì)教師提出了更高要求[10，14]，主要包括以下幾個(gè)方面：1. 加大了教師的工作量，設(shè)計(jì)時(shí)間的延長(zhǎng)，設(shè)計(jì)題目類型和種類以及設(shè)計(jì)方案的多樣化等方面都需要指導(dǎo)教師投入更多的時(shí)間和精力，一般情況下工作量的考核計(jì)算并沒(méi)有因此而增加，關(guān)鍵問(wèn)題還在于花費(fèi)教師很多時(shí)間和精力的教學(xué)改革對(duì)職稱評(píng)定不一定有作用;2. 對(duì)教師的能力水平提出了更高要求，創(chuàng)新型選題的范圍廣，學(xué)生提出的方案變化無(wú)常，有效分析及解決各種方案和問(wèn)題，正確引導(dǎo)學(xué)生以達(dá)到有效訓(xùn)練學(xué)生的目的，對(duì)教師自身的專業(yè)理論知識(shí)、實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力都提出了挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)高校包括我校在內(nèi)的一些應(yīng)用型本科院校，年青教師現(xiàn)在的入校門檻基本都要求博士畢業(yè)，而大部分年青的博士都是從學(xué)校到學(xué)校，缺乏在企業(yè)工作的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)[7]，存在能否保證改革后的課程設(shè)計(jì)順利完成，是否勝任這些高要求的指導(dǎo)工作等問(wèn)題。因此對(duì)于工科專業(yè)來(lái)說(shuō)，需要培養(yǎng)一批具有較強(qiáng)實(shí)際工程能力的年青教師隊(duì)伍[7]，同時(shí)通過(guò)工作量考核和職稱評(píng)定等一系列措施來(lái)保護(hù)和激發(fā)教師，特別是青年教師教學(xué)改革的積極性，這些都對(duì)學(xué)校的管理層面提出了要求，也是許多高校必須面對(duì)和思考的問(wèn)題。

（二）考核方式的改革

考核方式的改革是課程改革的一個(gè)重要組成部分，和課程改革是相輔相成、互相促進(jìn)的，將直接影響學(xué)生的積極性、課程教改質(zhì)量、創(chuàng)新性以及教改能否繼續(xù)開展的一個(gè)重要因素，課程設(shè)計(jì)的考核方式不同于一般的課程考核，人為影響因素較多，更需要公平公正公開，因此更需要制定一個(gè)相對(duì)完善的考核機(jī)制。

在制定考核方式時(shí)要考慮的因素比較多，既有宏觀的因素也有微觀的問(wèn)題，其中還不乏存在矛盾和沖突。如何相對(duì)準(zhǔn)確地評(píng)定學(xué)生的工作量和創(chuàng)新點(diǎn)？分組評(píng)定時(shí)如何按照貢獻(xiàn)率來(lái)評(píng)定同組同學(xué)之間的工作量和成績(jī)？創(chuàng)新型題目和傳統(tǒng)型題目之間在成績(jī)?cè)u(píng)定時(shí)是否要區(qū)別對(duì)待？是否需要采用不同的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)？平時(shí)成績(jī)除了集中時(shí)的考勤和階段檢查以外，還需要考慮哪些因素？如何評(píng)定網(wǎng)絡(luò)活躍度？等等都是需要根據(jù)各個(gè)學(xué)校的具體特點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)踐中繼續(xù)探索和研究，從而得到一個(gè)相對(duì)定量化、易操作的評(píng)分方式或考核標(biāo)準(zhǔn)。

五、結(jié)束語(yǔ)

在目前國(guó)內(nèi)積極開展新工科建設(shè)和工程認(rèn)證的背景下，如何做好工科專業(yè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)是一個(gè)急需探討的問(wèn)題。機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及多方面知識(shí)的重要教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力、提高設(shè)計(jì)創(chuàng)新意識(shí)、增強(qiáng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力等方面具有重要意義。本文在收集1998年以來(lái)國(guó)內(nèi)公開發(fā)表的相關(guān)教研論文的基礎(chǔ)上，結(jié)合本校實(shí)際情況，對(duì)存在的問(wèn)題和主要的教學(xué)改革方法進(jìn)行了梳理和總結(jié)，對(duì)進(jìn)一步做好教學(xué)改革進(jìn)行了分析和探討，以期達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)適應(yīng)新時(shí)代要求的創(chuàng)新型工程人才的目標(biāo)。

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