機械原理課程設(shè)計教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識的探索*

◆張李嫻 郭紅利 張軍昌 侯莉俠

機械原理課程設(shè)計教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識的探索*

◆張李嫻 郭紅利 張軍昌 侯莉俠

結(jié)合長期的教學經(jīng)驗，闡述機械原理課程設(shè)計改革的方向及其在創(chuàng)新意識和創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)過程中所起到的作用。

機械原理；實踐環(huán)節(jié)；課程設(shè)計；創(chuàng)新意識

隨著社會的發(fā)展和教育體制的不斷改革，培養(yǎng)學生適應(yīng)社會的能力和提高學生的綜合素質(zhì)已成為高等教育的根本。在工科專業(yè)的整個課程體系設(shè)置中，機械原理是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課程。為了真正能夠通過扎實的實踐環(huán)節(jié)來提高學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，西北農(nóng)林科技大學對該門課的實踐教學環(huán)節(jié)——課程設(shè)計進行了不斷改革。

從內(nèi)容上講，整個機械原理的課程包括課堂教學（包括實驗教學）和課程設(shè)計兩部分，其在時間安排上是相互獨立的。課堂教學以機構(gòu)的分析為主要內(nèi)容，重點是機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析、運動和動力分析以及參數(shù)的計算；作為課程的一個重要的實踐環(huán)節(jié)，機械原理課程設(shè)計在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和動手能力方面具有重要的作用，所以在進行機械原理課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)改革時，首先應(yīng)當關(guān)注的是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

近幾年來，為了滿足教學發(fā)展的需求，西北農(nóng)林科技大學的機械原理課程設(shè)計先后經(jīng)歷了利用圖解法實現(xiàn)機構(gòu)的分析與設(shè)計、利用解析法實現(xiàn)機構(gòu)的分析與設(shè)計和機械傳動系統(tǒng)方案的設(shè)計三個階段。在課程設(shè)計改革的過程中，始終堅持把培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力作為改革的宗旨。

1 機構(gòu)圖解法的分析與設(shè)計

在早期的機械原理課程設(shè)計中，采用的是利用圖解法實現(xiàn)機構(gòu)的分析與設(shè)計。這種方法就是要求學生利用所學的基本理論知識，根據(jù)分配的設(shè)計題目，按照課程設(shè)計教學指南，一步一步地完成每一項設(shè)計任務(wù)。比如前期所進行的課程設(shè)計主要是要求大家利用課堂上所學過的機構(gòu)的理論分析方法、反轉(zhuǎn)設(shè)計方法以及齒輪齒廓曲線的設(shè)計方法，通過手工繪圖完成平面六桿機構(gòu)的運動和動力分析、凸輪輪廓曲線的設(shè)計和漸開線齒輪齒廓曲線的設(shè)計。整個設(shè)計過程中，雖然可以進一步地鞏固和加深學生在課堂上所學的理論知識以及增強學生的制圖能力，對學生后續(xù)專業(yè)課和研究生入學考試可以奠定一個良好的基礎(chǔ)，但由于在整個設(shè)計過程中設(shè)計題目、設(shè)計方法以及具體的設(shè)計步驟都是一定的，學生按照教師所編寫的課程設(shè)計教學指南照貓畫虎，很輕松地就可以完成所要求的各項設(shè)計任務(wù)。這樣既不能充分地發(fā)揮學生的空間想象力，又限制了學生運用理論知識解決工程實際問題的能力，更談不上什么創(chuàng)新思維和創(chuàng)造性設(shè)計了。

2 機構(gòu)解析法的分析與設(shè)計

隨著機械產(chǎn)品的設(shè)計逐漸向高速、高效和精密等方向的不斷發(fā)展，使用者對機器的工作性能提出更高的要求，同時系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也變得更加復雜。由于圖解法進行機構(gòu)的分析與綜合時，較大的誤差積累可能使得所設(shè)計的機器或者機構(gòu)不能很好地滿足預定的設(shè)計要求，這也就限制了圖解法的應(yīng)用場合。與圖解法相比，解析法由于是通過數(shù)學方程的求解來獲取機構(gòu)或機器的結(jié)構(gòu)、運動以及動力參數(shù)，所以其計算精度更能夠滿足現(xiàn)代化產(chǎn)品的設(shè)計需求。

利用解析法實現(xiàn)機構(gòu)的分析與設(shè)計，首先要建立分析所需要的機構(gòu)的數(shù)學模型，然后利用計算機編程來進行數(shù)學模型的求解，最終獲得相應(yīng)的機構(gòu)或機器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運動和動力參數(shù)。常用的方法有矢量法、桿組法和三角形法等。

以平面連桿機構(gòu)為例，采用矢量法進行運動和動力分析的步驟主要包括：

1）通過機構(gòu)的機構(gòu)分析，在選定機構(gòu)比例尺和原動件初始位置的基礎(chǔ)上繪制研究對象的機構(gòu)運動簡圖；

2）通過引入的桿矢量，建立機構(gòu)或機器對應(yīng)的位置矢量方程；

*項目來源：西北農(nóng)林科技大學2013年校級教學改革研究項目“多元化機械原理實踐教學體系改革和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)”（項目編號：JY1302059）。

作者：張李嫻、郭紅利（通訊作者）、侯莉俠，西北農(nóng)林科技大學機電學院講師，研究方向為機械設(shè)計及理論；張軍昌，西北農(nóng)林科技大學機電學院講師，研究方向為車輛工程（712100）。

3）通過位置方程的逐次求導，建立機構(gòu)或機器對應(yīng)的運動矢量方程，進一步求解獲得桿件上各點的運動參量；

4）建立機構(gòu)力的矢量方程，求解平衡力及運動副反力。

解析法可以在提高設(shè)計精度的同時避免出現(xiàn)同一個問題——百人百解的現(xiàn)象，也可以實現(xiàn)在滿足精度要求的基礎(chǔ)上對空間機構(gòu)的分析。但分析和設(shè)計過程中所需要的數(shù)學模型的建立和求解具有一定的難度，同時對于結(jié)構(gòu)比較復雜的機構(gòu)，分析計算過程比較復雜。同時，在分析和設(shè)計的過程中，仍然是按照固定的思路和要求來完成所給定每一項設(shè)計任務(wù)，對學生的設(shè)計能力仍不能進行培養(yǎng)和鍛煉。

3 機械傳動系統(tǒng)方案的創(chuàng)新設(shè)計

為了實現(xiàn)通過機械原理課程設(shè)計培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的宗旨，為了強調(diào)理論與工程實際、創(chuàng)新設(shè)計有機結(jié)合的必要性，在進行課堂理論教學時借助于實例講解，使學生掌握機構(gòu)方案設(shè)計的基本和方法。然后在課程設(shè)計這一環(huán)節(jié)，要求學生根據(jù)自己在課堂上所學過的知識來完成一個具體的機械傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計。整個設(shè)計過程包括確定設(shè)計題目、查閱文獻資料、確定設(shè)計方案、撰寫設(shè)計說明書以及設(shè)計交流總結(jié)等五個環(huán)節(jié)，從每一個環(huán)節(jié)都進行了一系列的改革。

確定設(shè)計題目 不管是圖解法的課程設(shè)計，還是解析法的課程設(shè)計，設(shè)計題目一般是由教師指定的。為了真正充分調(diào)動學生學習的興趣，在進行機械系統(tǒng)方案設(shè)計時，設(shè)計題目是在不脫離機械原理課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上自由選擇的。通過近幾年的實踐證明，有很多學生的設(shè)計題目極具研究和應(yīng)用價值。

查閱文獻資料 為了培養(yǎng)學生收集和運用信息的能力，學生在確定了設(shè)計題目以后，根據(jù)題目和設(shè)計任務(wù)的需要，可以通過查資料、上網(wǎng)等途徑來獲取一些與設(shè)計任務(wù)相關(guān)的參考資料。通過對所查得的參考資料的分析和研究，可以為后續(xù)的分析設(shè)計提供必要的幫助。為了避免學生在查閱文獻時漫無目的，走更多彎路，教師應(yīng)根據(jù)不同題目、不同的設(shè)計需要給予必要的提示。

確定設(shè)計方案 設(shè)計方案的確定是機械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計中較為重要的一個環(huán)節(jié)。為了發(fā)揮學生的主觀能動性，在整個方案確定的過程中始終應(yīng)以學生為中心。同時，教師在指導過程中，還要能夠針對不同層次的學生、不同難易程度的題目實現(xiàn)區(qū)別對待。

機械系統(tǒng)方案設(shè)計中關(guān)注方案的創(chuàng)新點。要獲得具有一定創(chuàng)新意義的設(shè)計方案，可以從兩個方面入手：根據(jù)設(shè)計任務(wù)的需求，通過查閱相關(guān)的文獻資料發(fā)明新的機構(gòu)；通過對現(xiàn)有機構(gòu)的分析和總結(jié)，借助于機構(gòu)的改造來獲得能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計目的的機器或機構(gòu)。

為了能夠充分發(fā)揮學生的空間想象能力，在進行方案設(shè)計時，對于一個確定的設(shè)計目標，要求每一組學生至少提出三種不同的可行方案，然后通過對所提出的方案的分析、比較，最后確定出最優(yōu)的設(shè)計方案。針對于最優(yōu)的設(shè)計方案，可以從機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動和動力分析與設(shè)計、機器和機構(gòu)的強度設(shè)計和計算仿真以及加工制作樣機（這一部分要求在近幾年的實踐過程中，多數(shù)是通過學生的畢業(yè)設(shè)計來完成的）等幾方面來完成。

撰寫設(shè)計說明書 為了對整個設(shè)計過程做一個好的歸納總結(jié)，在完成機構(gòu)的分析與設(shè)計以后，還要求學生書寫完整的設(shè)計說明書。設(shè)計說明書的主要內(nèi)容包括：確定設(shè)計題目的依據(jù)、意義和必要性；方案設(shè)計、分析以及計算過程；課程設(shè)計的收獲。

設(shè)計交流總結(jié) 設(shè)計交流總結(jié)這個環(huán)節(jié)主要是為了給學生表達能力的鍛煉提供一個機會。在課程設(shè)計的各項任務(wù)完成以后，要求每一組學生按要求走上講臺，把自己在整個設(shè)計過程中所做的工作向大家做一個簡單的介紹，介紹的過程當中還可以與大家進行互動交流，以更好地了解自己在做設(shè)計過程中的優(yōu)勢和不足。至于機械傳動系統(tǒng)方案設(shè)計最終的成績，則可以通過設(shè)計方案的創(chuàng)新性、方案分析的全面性、設(shè)計說明書書寫的規(guī)范性以及繪圖質(zhì)量等多方面來進行綜合衡量。

機械原理課程設(shè)計的教學改革中，作為參與教師，最大的感受就是沒有想到學生會有如此大的適應(yīng)性和潛力，他們都具有很強的語言表達、材料運用及分析的能力。在教師的啟發(fā)和引導下，他們敢于想象，思維敏捷，設(shè)計過程中甚至提出一些連指導教師都不太了解和不能直接解決的問題，所以這也是對教師的一種挑戰(zhàn)。而作為學生，大家都認為新的課程設(shè)計方法更能夠激發(fā)學習的興趣和創(chuàng)新的意識。

通過近幾年機制專業(yè)和其他專業(yè)部分學生的課程設(shè)計的改革，基本上可以鍛煉學生的創(chuàng)新意識，可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，效果可以從每年的機械創(chuàng)新設(shè)計大賽以及工程訓練大賽等比賽中得到驗證。但存在的主要問題是由于部分專業(yè)的時間安排過于緊張，導致許多學生很難在課程設(shè)計過程中發(fā)揮自己的優(yōu)勢。

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