面向設計的機械原理課程教學改革的探索和實踐

摘要：根據應用型人才的培養目標，結合機械原理課程的地位和作用，提出面向設計的機械原理課程教學改革的思路和方法。圍繞培養學生設計能力進行了研究和探索，實踐證明，在學生機械設計能力培養方面成效顯著。

關鍵詞：機械原理；教學改革；面向設計

中圖分類號：G642.0？搖 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）36-0213-03

機械原理課程一直是我國機械類專業的一門重要的技術基礎課，從機械類課程的體系來看，機械原理課程起著承上啟下的作用。力學、機械制圖和金工實習等課程使學生有了機械設計的理論基礎和初步工程背景，從機械原理課程開始步入培養設計能力和創新意識階段。因此在面向應用型人才培養的教學改革中，機械原理課程的教學改革一直處于前沿和熱點的地位，起著舉足輕重的作用。機械原理課程是機械系統設計和機器人技術的重要基礎，與現代機械設計密切相關。顯然長期以來以機構分析為主的教學模式已不能適應時代對人才培養的要求，盡管人們已經意識到這一點，但目前在機械原理課程中，存在的普遍問題是對設計能力和創新意識培養效果不夠明顯。

因此，通過對專業培養目標及機械類課程的分析和研究，根據機械原理課程地位、內容和特點，我們提出面向設計的機械原理教學改革的指導思想，即以機構設計為主，具有機械系統方案設計能力為目標。

一、以機構設計為中心，重構教學體系，組織教學內容

由于我國過去傳統機械行業主要是以引進先進技術消化吸收為主，機械設計是以經驗加經典理論分析計算的模式，因此機械原理課程一直是以機構分析為主的教學體系，它的優點是可以培養學生扎實的機構學理論基礎，而忽視了對學生綜合設計能力和創新意識的培養。突出問題是學生到了機械系統設計課程及畢業設計時還不具備應有的機構設計能力，21世紀已進入技術創新的時代，現代機械設計需要的是設計和創新能力。過去機械原理課程體系的弊端在近年來應用型人才培養中日顯突出。為此，機械原理課程以機構分析為基礎，機構設計為主來構建教學體系和組織教學內容。

圍繞機構設計展開教學。機械原理課程的重點內容是各種常用機構的設計及應用，以機構設計為中心組織教學內容，對于典型機構，加強機構特性、應用特點講解，重點講解機構的組成、演化變異，培養學生的分析問題和創新思維能力。減少和理論力學重合的分析部分內容，系統講解機構的運動分析和動力分析。避免過去機構設計建模時，單一強調數學方法，善于考慮實際要求和條件，學會運用工程化的建模方法，解決設計問題。機構設計有圖解法和解析法，圖解法在過去的工程設計中起到過重要的作用。隨著計算機技術的發展，現代機械工程設計已進入建模加計算機輔助設計時期，解析法越來越得到人們的重視和認可。但圖解法簡便直觀，有助于學生對基本概念、基本理論的理解。因此，在教學中機構設計以解析法為主，圖解法主要用來進行機構分析，為設計服務。現代機械設計發展較快，機械原理課程應能反應機械設計的新成果、新技術，而課程有些內容已顯陳舊、沒有實際意義。我們針對機械原理課時少、內容多的矛盾，刪去課程中一些陳舊、過時的內容，如對連桿機構設計的圖解法，刪去實驗法和圖譜法，保留實用的、對機構分析有用的內容。對新成果和新技術的講解，采用介紹性的方法，讓學生了解所學知識的發展前沿，開闊視野、培養學習興趣和創新意識。

在課堂中適時引入現代設計的技術和方法，使教學改革跟上發展的步伐?，F代工程技術中已有多種對機械系統進行計算機輔助設計的方法，解析法是建模加計算機輔助設計。一般課堂教學中，解析法一般講到建模，學生對解析法的學習處于方法原理階段。在教學中通過典型機構例子演示編程及工程軟件的應用。如在曲柄連桿機構教學中，用解析法建模后，演示用matlab編程，輸出構件的運動和動力學分析曲線，向學生講解機構設計過程。引入動力學分析軟件（ADAMS），采用交互式的圖形環境，創建參數化的機構模型，再對模型進行運動學和動力學仿真分析。機構設計通過教師快速建模、生動的動畫及分析圖形的輸出，使學生進一步理解機構動態參數化設計過程，認識工程新技術的應用，提高學習的興趣，增強設計能力。

二、培養工程意識和系統觀念

機械原理課程使學生開始接觸專業及機械設計類問題，對培養工程意識和系統觀念至關重要。

機械原理課程機構內容部分，各章是一種不同的、獨立的機構。在課程中，機構是由線段和符號構成的平面圖形、機構分析和設計多為數理計算，內容是孤立的、靜止的。由于學生又缺乏實踐知識和工程背景，學習起來感覺枯燥，機械原理課程一直以來被認為是難學的課程。機構來源于機械，因此，我們在教學中采用從機械系統入手，提取和分析常用機構，進而設計機構的教學思路。在每種機構的講解前，先搜集并放映一些典型機構系統的動畫實例，使學生先了解該種機構在機械系統中的位置和作用，進行機構分析時，單一、靜止和孤立的機構變為機械系統中動態的機構，通過機械系統學習機構，了解機構的工作原理、作用，不但有助于分析理解機構，重要的是認識了系統中的機構。再進入機構設計環節時，學生容易用動態開放的思維、系統的觀念進行思考，有利于培養學生機構運動方案設計能力。另外在教學中，盡可能多的引進相關的工程實例，介紹機構的應用，開闊視野。同時啟發學生到生活中找機構應用實例和需要設計或改進的小課題，通過討論課、小作業等形式，從多環節培養學生工程意識。

三、合理安排實踐教學，培養工程實踐能力

實踐教學是培養學生工程設計能力的重要環節。機械原理課程由理論教學、實驗教學和課程設計三部分構成。應注意機械原理教學中理論教學與實踐教學的關系，合理安排實踐教學。

實驗教學是培養學生動手能力和工程實踐能力的重要環節，還有助于形象思維能力的培養。以前實驗課時間由實驗老師安排，沒有注意實驗的時效性，實驗應該與理論課同步進行，才能保證教學效果。例如：機構運動簡圖繪制是難點內容，“機構的測繪和分析實驗”應盡量安排在課后盡快進行，學生是剛開始接觸這門課程，及時配合實驗，對教學能起到事半功倍的作用。機械原理課程設計是培養學生設計能力的重要環節，內容主要有機構運動方案的選擇和設計計算，要求用解析法完成。機構運動方案設計最能體現靈活性和創新性的關鍵所在。過去機械原理課程設計安排在課程之后，時間較緊，學生主要時間和精力用于建模、編程等內容，一些學生對計算機編程不熟，更是草草了之。課程設計達不到培養設計和創新能力的目標。為此我們將課程設計的題目從開課就布置給學生，讓學生帶著問題去學，有充分的時間進行機構運動方案設計的思考，鼓勵學生進行開放性思維，提出較多機構方案進行比較和選優。改革后的課程設計教學，從教和學的層面都從系統機構設計問題展開，且貫穿于整個教學過程中，有效保證了設計質量。另外，在教學過程中，鼓勵學生觀察實際生活和工程實踐中的機構，根據教學節奏自擬課程設計題目，培養觀察和發現問題的能力的同時，有效提高了學生的興趣并激發出設計沖動和創新意識。

四、將培養創新能力貫穿教學始終

創新是設計的靈魂。在教改中將創新能力培養確定為我校機械原理課程教改的主要目標之一，著重研究創新思維方式的培養。通過分析影響大學生創新思維的教育學因素，在機械原理的教學中，將創新思維方式的培養貫穿于理論教學、實踐教學整個教學環節，從教學內容、教學方法多方面改革，全方位營造創新環境，通過改變傳統繼承式教育模式，避免滿堂灌的套路式教學，多用啟發式、討論式教學方法，激活學生的思維。將創造性思維方式貫穿于教學過程中，培養學生創新意識和發散思維能力等。運用多媒體立體化教學培養學生形象思維能力。給實踐性教學環節提供足夠的時間和空間，為學生營造創新環境，激發創新興趣。鼓勵學生參加機械設計競賽，提高、彰顯和檢驗創新能力。我校自浙江省第一屆機械創新設計大賽開始參賽，且連年在大賽中獲獎。近兩年來，在我校學生“全國三維數字化創新設計大賽”中取得一等、二等和三等獎的好成績。圖1為2010年全國一等獎作品風火隊—“大力水手”號挖掘機的虛擬樣機，圖2為2011年全國一等獎作品“開拓者探險車”的總體設計圖。

五、小結

面向設計的機械原理的教學改革在我校已進行多年了，幾年來，學生學習興趣不斷提高，學生越來越能接受新的教學模式，從學生的學習熱情和考試成績，以及連年機械設計大賽中逐年取得的好成績，證明我校機械原理課程教學改革在培養學生的設計能力方面是有效和成功的。

參考文獻：

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基金項目：本文得到“2010年度浙江省機械原理精品課程”項目的資助

作者簡介：張蔚，女，博士，副教授。