“機械設計”課程教學方法改革初探

摘要：“機械設計”是機械類專業本科學生的一門主干課程，其教學效果對學生的培養質量具有十分重要的作用，積極推進該課程的教學改革、不斷提高教學質量仍是各工科院校面臨的現實問題。首先對當前“機械設計”課程教學的現狀進行了深入分析，然后針對存在的問題，探索了有效提高該課程教學質量的具體措施。

關鍵詞：機械設計；課程教學；工科院校

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）23-0050-02

“機械設計”作為機械類本科學生一門十分重要的專業基礎課，在機械類專業學生的培養體系中占有十分重要的地位。該課程既是“機械制圖”“材料力學”“理論力學”“機械原理”等先導基礎課程的具體應用，也是后續各種專業課的基礎，在整個培養體系中起到承上啟下的橋梁作用。[1]該課程的教學效果不僅影響學生相關專業課程的學習質量，也對學生應用及創新能力的培養具有至關重要的作用。

一、“機械設計”教學現狀分析

“機械設計”作為機械類專業學生的一門核心課程，自建國初期就在國內各工科院校機械類專業普遍開設，至今已有60余年的歷史。雖然經過了漫長的時代變遷和教育體系的不斷改革，但“機械設計”課程在機械類專業本科教育體系中的地位沒有絲毫改變，且在一定程度上還得到了強化。不僅在課程內容的廣度與深度上有了較大的拓展，而且在教學模式上也進行了較大的變革。但總體而言，“機械設計”課程的教學水平仍與當前人才培養目標的總體要求存在較大差距。主要表現在以下幾個方面：

1.教材內容陳舊，不符合時代要求

現行的《機械設計》教材的基本框架與數十年前其前身“機械設計”課程基本一致，在內容上雖然局部有所增減，但主體內容并無較大變化，基本仍是以介紹各種通用零部件的設計計算為主，所采用的方法仍以傳統的經驗設計與簡化計算為主。[2]然而隨著現代科技的不斷進步，各種先進設計技術如有限元技術、可靠性設計技術、數字仿真技術等均已廣泛應用于機械設計領域，這些技術在如今的絕大多數機械設計教材中都沒有提及，個別教材雖有所介紹，但純屬介紹性質一筆帶過，沒有具體闡述。相反，一些在實際應用中已被淘汰的陳舊技術與方法仍被廣泛采用，從而造成了理論學習與實際應用的脫節。

2.教學內容過度松散，關聯性不足

任何一種機器都是由各種零件組合而成的，機器的性能雖與單個零件的工作性能有一定關系，但其總體性能與工作壽命并不是由單個零件決定的，而取決于整個裝配體的綜合性能。因此，機械設計不僅要關注各種零件的設計方法，更要關注各種零件之間的關聯與協調，應以機器的總體性能作為考查設計方案的主要指標。現有的“機械設計”教學中，除軸的設計中考慮了其他零件因素外，其余零件的設計均基于自身的結構特點與工作性能，沒有將零件之間的關聯性納入設計考慮范疇，導致零件設計與機器設計關聯度不夠，在實際應用時，難以達到機器總體性能與零件性能的最佳匹配。

3.教學方法落后，教學效果不理想

目前各高校“機械設計”課程教學基本仍以傳統的灌輸式的授課方法為主。由于課程內容多，教師基本上是滿堂灌，而學生被動聽，很少有機會進行互動。[3]由于課程涉及的內容十分廣泛，涉及到通用機械的絕大多數零件，對每一類零件又涵蓋了從基本概念介紹、工作性能分析及結構設計計算等各方面的內容，如果不能做到提綱挈領，主次分明，會給學生的學習帶來困惑，讓他們感覺不著邊際、沒有重點。對于學生而言，課堂上絕大多數時間要聽課和記筆記，課后時間則忙于完成作業，很少有機會對所學內容進行深入理解與體會，一旦遇到實際設計問題，則往往感覺茫然無措、無從下手。

4.知識傳授與能力培養脫節

現有的《機械設計》教材與授課內容的重點放在相關理論和方法的介紹方面，對應用能力與創新能力的培養普遍重視不足。[4]“機械設計”課程的主要任務是介紹通用機械零件的一般設計思路與方法，并用于生產實際。因此，該課程不應只是簡單地介紹各種零件的一般設計流程，還應結合具體案例介紹同類零件的設計要點，對實際設計過程中的難點及技巧問題進行重點介紹。絕大多數教師在授課與安排課后作業時比較注重基本概念的掌握，但對學生在設計思路與設計技巧方面的訓練較少，導致學生實際應用能力不足。[5]

二、有效提高“機械設計”課程教學質量的措施

要有效解決目前“機械設計”課程教學中的各種問題，須從教材建設、教學內容與教學方法改革等多個方面進行綜合考慮，研究一套系統完善、行之有效的課程教學體系。具體而言，應從以下幾個方面著手：

1.強化教材與教學體系建設

教材是教師教學與學生學習的主要工具，對課程教學質量具有決定性作用。作為一門機械學科的經典課程，經過近六十年的發展，在教材體系結構和內容方面一直在不斷地調整和完善，由西北工業大學主編、高等教育出版社出版的《機械設計》教材屬于比較經典的版本，目前已更新到第九版。由邱懷宣主編、同屬高等教育出版社的教材已更新到第四版。其他還有許多版本的教材，這些教材各有特色，但在體系結構與內容上均大同小異，也都存在技術內容更新不及時、關聯性不足等問題。為了適應時代發展對教學內容的要求，應加大力度進行教材建設與教學內容改革。應跳出傳統機械設計教學體系的束縛，根據現實技術與培養目標要求重新組織教材的體系結構，剔除已經過時的技術與方法，將各種已經成熟并廣泛應用的最新設計理念與方法納入機械設計教學范疇。從機械設計的總體目標出發，即對各種零件的設計思路與方法進行詳細介紹，同時對設計中如何處理不同零件之間的協調與配合問題進行討論，從而增加教材在內容上的關聯性，避免相互割裂。

2.深化教學內容與教學方法的改革

現行“機械設計”課程中各種零件的設計方法仍沿用幾十年前的傳統設計方法，受當時技術條件的限制，為了便于和簡化計算，零件設計多以經驗法為主。這些方法在原理上并不完善，比如，斜齒圓柱齒輪與直齒錐齒輪的設計計算是利用直齒圓柱齒輪的相關理論來實現的，然而斜齒輪與錐齒輪的幾何結構、受載特性和嚙合機理與直齒輪有本質上的差別，因此，采用這種轉化方法設計出的結果與實際情況有很大的偏差。不僅如此，直齒圓柱齒輪的設計計算也不是按實際應用情況進行的，其實際齒形漸開線齒廓，但設計時按柱體懸臂梁進行計算，且設計過程中使用了大量的經驗參數，因此設計結果也只是經驗值。為了保證零件的可靠性，只能通過增加安全系數來保證，從而導致設計出的零件尺寸偏大，不僅經濟性不好，且對整機性能產生重要影響。隨著CAD、CAE等現代設計技術的不斷發展和完善，各種復雜零件的精確設計與仿真分析可以很容易地實現，采用PROE、ANSYS等應用軟件可以精確完成各種齒輪、帶傳動、鏈傳動、彈簧等復雜零件的精確造型、運動學分析、動力學分析等各種仿真分析，可以對這些零件進行精確設計。這些先進的技術目前均已在機械制造工程領域廣泛應用，但目前國內的“機械設計”課程教學基本很少涉及。因此，需配合教材建設對現行的教學內容進行改革，強化各種現代設計方法的教授與應用，并在此基礎上進行教學方法的改革。拋棄傳統的教師灌輸式教學、學生被動學習，上課記筆記、課后趕作業的教學模式，充分利用多媒體技術和虛擬仿真技術強化教師與學生的互動，激發學生的學習興趣與學習熱情，把部分流程式的課后作業轉換為能培養創新思維與動手能力的應用設計，強化學生使用各種現代設計工具的能力。

3.發揮虛擬仿真技術在課程教學中的作用

虛擬仿真技術由于具有逼真模擬現實事物與環境、可進行交互操作等優點，已在全世界各個領域中廣泛應用。在機械領域，仿真分析已成為機械設計的一個重要手段，它不僅可以直觀呈現各種機械零件的實體結構，實現各種機構的運動仿真與干涉檢查，還可以對各種機器及組成機器的各個零件進行靜、動力學仿真分析，從而有效縮短設計周期，提高設計質量與效率。因此，在“機械設計”教學中必須充分發揮虛擬仿真技術的作用，一方面利用仿真技術在課堂上把各種零件的結構及運動學及動力學特性直觀地呈現給學生，加速學生對相關知識的理解、消化與吸收；另一方面利用虛擬仿真技術建立網上虛擬實驗室，完成各種因條件限制而無法開設的實驗，有效彌補目前“機械設計”課程教學中實驗設備欠缺、實驗種類偏少的不足；此外，鼓勵學生參與機械設計教學內容相關的虛擬設計，建立資源庫，不僅可以豐富教學素材，也可以提高學生的學習興趣與應用能力。

4.課程設計與課堂教學相融合

傳統的“機械設計”課程教學分為理論教學與實踐教學兩部分，理論教學通過課堂授課完成，實踐教學則在課程結束后通過課程設計來完成。由于課堂教學與課程設計相分離，因此在理論學習階段，主要強調基礎知識和基本概念的掌握，對應用缺乏認識，由于各種機械零件在結構、功能和設計方法方面具有相對獨立性，因此所學知識往往是零碎、孤立的，沒有很好的融合，在課程設計階段難以有效地進行綜合應用。課程設計通常為3～4周，一般安排在學期末，學生為了應對期末考試，難以專心完成課程設計，真正投入課程設計的時間并不多。許多同學在完成課程設計時基本是機械地照搬課程設計指導書的步驟與方法，缺乏對設計課程的深入思考與設計方案的精心設計，沒有充分發揮課程設計應有的功能。為了有效解決該問題，應將課程設計與課堂教學進行融合。課堂教學一開始，就將設計題目下達到學生，讓學生對設計對象與目標有明確的了解。在課堂教學過程中，在涉及到課程設計的每一部分內容時，教師進行適當介紹，讓學生提前思考，待全部課堂教授完成時，學生已對設計內容有了全面認識，甚至有了明確的思路與方案，在后面的課程設計階段即可做到有的放矢，少走彎路。不僅可以有效提高課程設計的效率，也會大大提高課程設計的質量與效果。

三、結論

“機械設計”課程教學是一項復雜的系統工程，涉及到教師與學生、課程教材與實驗設備、課堂教授與課后作業、理論學習與實踐訓練等多方面的內容。要有效提高該課程的教學質量，必須不斷深化課程教學改革，強化教材與教學方法改革，改進課程設計及實驗教學模式，建立一套符合社會需求與時代發展的課程教學體系。

參考文獻：

[1]郝秀紅，邱雪松，王瓊，等.機械設計課程設計教學改革初探[J].教學研究，2011，34（3）：51-54.

[2]莫海軍，吳上生，藍民華，等.機械設計教材中幾個問題的探討[J].機械設計與研究，2009，25（3）：117-120.

[3]師素娟.機械設計課程教學方法改革與探索[J].華北水利水電學院學報，2006，22（1）：55-57.

[4]李秀紅，張明.改革機械設計教學 培養學生的創新能力[J].太原理工學報，2006，28（2）：80-82.

[5]石懷榮，張輝，李大勝，等.機械設計教學中學生應用與創新能力培養的探索與實踐[J].安徽科技學院學報，2010，24（2）：62-65.

（責任編輯：孫晴）