新工科背景下機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)探索與實(shí)踐

張杰

摘要：在新工科背景和應(yīng)用型本科對(duì)機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)創(chuàng)新人才提出的新要求下，針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)這一門(mén)傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)、創(chuàng)新案例，豐富機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué);采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，從產(chǎn)學(xué)研的角度，使學(xué)生認(rèn)識(shí)現(xiàn)代機(jī)械工程中新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生利用機(jī)械設(shè)計(jì)理論及技術(shù)解決工程應(yīng)用的能力。

Abstract： Under the background of new-engineering and the new requirements of Applied Undergraduate for innovative talents of mechanical specialty， aiming at the traditional basic course of mechanical design， combining with the training and innovation cases of applied talents， the teaching of basic course of mechanical design is enriched; the computer simulation technology is adopted to make students understand the application and development of new technology in modern mechanical engineering from the perspective of production， study and research Exhibition， to cultivate students to use mechanical design theory and technology to solve the engineering application ability.

關(guān)鍵詞：新工科;機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ);探索;實(shí)踐

Key words： new-engineering discipline;Mechanical Design Foundation;exploration;practice

中圖分類(lèi)號(hào)：G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0240-03

0? 引言

新工科的理念是對(duì)工程教育的創(chuàng)新與升級(jí)，同時(shí)新工科建設(shè)要求堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向，著力提升學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[1]。新工科的建設(shè)提出要重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，使其具備較強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的復(fù)合型“新工科”人才;也就是說(shuō)“新工科”人才不僅僅在自己的專(zhuān)業(yè)學(xué)科領(lǐng)域拔尖，更要融合“學(xué)科交叉”，力爭(zhēng)培養(yǎng)綜合型應(yīng)用型人才。教育部在2017年對(duì)現(xiàn)代工科教育教學(xué)改革提出了新的要求，并指出要圍繞著“新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系”開(kāi)展[2]。課程教學(xué)以因材施教為主，而作為培養(yǎng)人才的重要環(huán)節(jié)，要結(jié)合當(dāng)下新工科的理念，在原有教學(xué)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改革，增加適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的新教學(xué)方法[3]。

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，該課程重點(diǎn)培養(yǎng)具備機(jī)械設(shè)計(jì)制造基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用能力，要求畢業(yè)生具備在工業(yè)生產(chǎn)第一線從事機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)的設(shè)計(jì)制造、創(chuàng)新發(fā)展、應(yīng)用研究、運(yùn)行管理和經(jīng)營(yíng)銷(xiāo)售等綜合方面工作的高級(jí)技術(shù)人才。在實(shí)際授課中，該課程概念和公式多，內(nèi)容難度比較大，對(duì)數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)要求高。因此在新工科建設(shè)的背景下，積極開(kāi)展機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，適應(yīng)當(dāng)下應(yīng)用型創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，更好的適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求。本文從教學(xué)內(nèi)容及方法、工程實(shí)踐及產(chǎn)學(xué)研等幾個(gè)方面就機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革進(jìn)行了一些探討。

1? 提升教學(xué)大綱質(zhì)量

教學(xué)大綱是機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)活動(dòng)的綱領(lǐng)，同時(shí)也是落實(shí)課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成的基石[4]。在傳統(tǒng)教學(xué)大綱以學(xué)時(shí)、教材為依據(jù)，確定課程內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出適應(yīng)新工科建設(shè)的方案，其制定過(guò)程如圖1所示。

根據(jù)圖1中課程大綱制定流程，對(duì)機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程大綱進(jìn)行全面修訂，包括以自評(píng)和外評(píng)兩種方式的聯(lián)動(dòng)機(jī)制去明確每學(xué)年的課程目標(biāo)，并以多種形式來(lái)支撐自評(píng)和外評(píng)方案。這種聯(lián)動(dòng)機(jī)制很好的保障了評(píng)價(jià)方案的適應(yīng)性，很好的滿(mǎn)足了新工科的建設(shè)要求。

機(jī)械類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的課程目標(biāo)具體如下：

①知識(shí)與技能目標(biāo)：樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)新意識(shí)，了解國(guó)家當(dāng)前的有關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策;掌握常用機(jī)構(gòu)和通用零部件的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法，掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，具有設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置和簡(jiǎn)單機(jī)械的能力;掌握典型機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和承載能力計(jì)算;培養(yǎng)運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)，查閱和使用有關(guān)技術(shù)資料的能力;掌握典型常用機(jī)構(gòu)和機(jī)械零件的實(shí)驗(yàn)方法，獲得實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新技能的基本訓(xùn)練。

②過(guò)程與方法目標(biāo)：在學(xué)習(xí)常用機(jī)構(gòu)和通用零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法等內(nèi)容的過(guò)程中，使學(xué)生的思維和分析方法盡可能聯(lián)系實(shí)際工程問(wèn)題得到一定的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和處理實(shí)踐工程問(wèn)題的能力。

③情感、態(tài)度與價(jià)值觀發(fā)展目標(biāo)：通過(guò)本課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，同時(shí)要培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和積極向上的價(jià)值觀。

2? 以虛擬仿真技術(shù)培養(yǎng)核心能力

隨著互聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，同時(shí)也為工程機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教育教學(xué)豐富了一個(gè)新的途徑[5]，同時(shí)也可豐富課堂色彩及效果。應(yīng)用型人才所具備的核心能力有以下幾點(diǎn)：

核心能力1：應(yīng)用數(shù)學(xué)、基礎(chǔ)科學(xué)和機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)的能力。

核心能力2：設(shè)計(jì)、執(zhí)行和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，以及分析與解釋數(shù)據(jù)的能力。

核心能力3：具備從事機(jī)械工程領(lǐng)域所需專(zhuān)業(yè)技能與技術(shù)，以及較強(qiáng)的動(dòng)手能力。

核心能力4：機(jī)械產(chǎn)品、工藝流程以及機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力;

核心能力5：積極參與學(xué)科競(jìng)賽，并具備較強(qiáng)溝通協(xié)調(diào)與團(tuán)隊(duì)合作能力;

核心能力6：具備分析與解決復(fù)雜機(jī)械工程問(wèn)題的能力。

例如在講授平面連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)是連桿機(jī)構(gòu)教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，所以在講授中引入簡(jiǎn)單的PUMA機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和建模實(shí)例。首先引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)3D建模軟件建立PUMA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模型，如圖2所示，對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及軌跡的規(guī)劃進(jìn)行了詳細(xì)分析。其次用D-H方法建立機(jī)器人手臂的動(dòng)力學(xué)方程并建立其速度雅可比矩陣，掌握了PUMA機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法。最后運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)反解法在MATLAB中編程計(jì)算其余五個(gè)關(guān)節(jié)的位置、運(yùn)動(dòng)軌跡。

課程引導(dǎo)結(jié)束時(shí)，學(xué)生經(jīng)推導(dǎo)可以得出的結(jié)論有：

①建立機(jī)器人手臂的動(dòng)力學(xué)方程，并通過(guò)求解動(dòng)力學(xué)方程得到各構(gòu)件隨時(shí)間變化的力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。

②根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆解方程在MATLAB中編程求解得到末端位姿矩陣和各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

③根據(jù)PUMA機(jī)器人末端的目標(biāo)位姿，以及有關(guān)運(yùn)動(dòng)軌跡的約束條件與簡(jiǎn)單描述規(guī)則，計(jì)算出按照描述所要求的軌跡，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)中復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題的編程步驟。

④通過(guò)程序得到機(jī)器人正解，運(yùn)用繪圖繪制出了各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)平滑曲線，如圖3～圖4所示為具有典型特征關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角隨時(shí)間的變化曲線。

⑤結(jié)合虛擬仿真軟件NX8.0的運(yùn)動(dòng)仿真模塊，通過(guò)UG的建模功能建立3D實(shí)體模型，利用UG的運(yùn)動(dòng)仿真功能設(shè)定3D模型的各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。其運(yùn)動(dòng)仿真如圖5所示。

3? 以產(chǎn)學(xué)研增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的根本任務(wù)是分析、解決機(jī)械工程中遇到的實(shí)際問(wèn)題，因此在實(shí)際授課中要引入產(chǎn)學(xué)研的案例來(lái)提升學(xué)生的創(chuàng)新能力;產(chǎn)為企業(yè)生產(chǎn)中的問(wèn)題，學(xué)為課堂授課相關(guān)知識(shí)和設(shè)計(jì)思路，研為對(duì)具體的問(wèn)題通過(guò)虛擬仿真、試驗(yàn)樣機(jī)等手段對(duì)設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行研究論證方案。

實(shí)例：某型號(hào)的電機(jī)滾筒在實(shí)際輸送煤炭的過(guò)程中端蓋和滾筒之間的焊縫失效斷裂，導(dǎo)致其分離的問(wèn)題。

在課堂上講授現(xiàn)代機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用法時(shí)，引入該實(shí)例目的是設(shè)計(jì)一種自動(dòng)焊接裝置來(lái)解決手工焊接出現(xiàn)焊縫不均勻?qū)е码姍C(jī)滾筒失效的問(wèn)題，同時(shí)給出學(xué)生思路，讓學(xué)生分組實(shí)施;首先引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)搜集相關(guān)信息了解滾筒電機(jī)的原理，然后通過(guò)分組擬定自動(dòng)焊接裝置的方案，通過(guò)各個(gè)小組的方案對(duì)比選出較優(yōu)的2～3個(gè)方案;然后根據(jù)方案設(shè)計(jì)出3D圖樣，通過(guò)虛擬仿真軟件對(duì)自動(dòng)焊接裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)等特性進(jìn)行研究，驗(yàn)證方案的可行性;其次將方案提交企業(yè)，企業(yè)通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)制造試驗(yàn)樣機(jī)，開(kāi)展試產(chǎn)前的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證確定該失效問(wèn)題是否得到優(yōu)化解決;最后通過(guò)試驗(yàn)研究后得到可行的結(jié)論后再將最終的方案應(yīng)用到解決實(shí)際問(wèn)題中。在整個(gè)解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生的各項(xiàng)能力也得到了提高，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的裝置申報(bào)專(zhuān)利和科研論文。在解決問(wèn)題和教學(xué)的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研整個(gè)流程。

在課程教學(xué)改革中，以解決問(wèn)題實(shí)例和培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才為主線，通過(guò)產(chǎn)教融合、校企合作、協(xié)同培養(yǎng)等多種模式來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研的整個(gè)過(guò)程，以此來(lái)增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過(guò)與實(shí)踐相結(jié)合的模式，讓課堂教學(xué)進(jìn)入到企業(yè)實(shí)踐應(yīng)用中，這樣就形成了應(yīng)用創(chuàng)新型人才的新模式。

4? 與時(shí)俱進(jìn)的課程教學(xué)內(nèi)容

機(jī)械工程是一門(mén)蓬勃發(fā)展的學(xué)科，涉及到國(guó)計(jì)民生的方方面面，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各行各業(yè)涌現(xiàn)出越來(lái)越多的新的機(jī)械工程問(wèn)題，這也激勵(lì)著作為這門(mén)課程的教師，要有與時(shí)俱進(jìn)的思想，同時(shí)在課程教學(xué)內(nèi)容中也要隨著不斷變化的科技進(jìn)步與時(shí)俱進(jìn)，同時(shí)不斷地豐富機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的研究?jī)?nèi)容。

這就要求教師在上每一節(jié)課之前對(duì)教學(xué)內(nèi)容、體系、結(jié)構(gòu)要不斷補(bǔ)充和優(yōu)化，在課堂教學(xué)中一方面要清楚的講授機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的基礎(chǔ)知識(shí)和理論，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)講授的內(nèi)容要精簡(jiǎn);另一方面將精簡(jiǎn)出來(lái)的課堂時(shí)間用來(lái)不斷更新知識(shí)體系，穿插講授學(xué)科發(fā)展中的新方向、新問(wèn)題：比如月球探測(cè)小車(chē)的設(shè)計(jì)案例，這是我國(guó)在探月工程中遇到的前所未有的新問(wèn)題，怎么去設(shè)計(jì)，怎么去論證？在課堂中將這些問(wèn)題拋給學(xué)生，積極引導(dǎo)學(xué)生的課外學(xué)習(xí)興趣，設(shè)計(jì)方案;同時(shí)結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，讓同學(xué)們學(xué)以致用，將探測(cè)車(chē)用3D的方式呈現(xiàn)出來(lái)，在通過(guò)工程軟件將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)際問(wèn)題中，并大膽的提出創(chuàng)新方案并且有效的應(yīng)用。

5? 結(jié)語(yǔ)

在新工科背景的要求下，應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)要求通過(guò)改革教育教學(xué)方式，提高應(yīng)用型人才的運(yùn)用新技術(shù)解決工程問(wèn)題的能力。本文結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的教學(xué)過(guò)程，從課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段入手，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)、工程機(jī)械案例，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)機(jī)械工程學(xué)科中新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生使用新技術(shù)手段解決分析機(jī)械工程問(wèn)題的能力。

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