機械原理課程設計教學中培養學生創新意識的探索

張李嫻++郭紅利++張軍昌++侯莉俠

摘 要 結合長期的教學經驗，闡述機械原理課程設計改革的方向及其在創新意識和創新設計能力培養過程中所起到的作用。

關鍵詞 機械原理；實踐環節；課程設計；創新意識

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）18-0100-02

隨著社會的發展和教育體制的不斷改革，培養學生適應社會的能力和提高學生的綜合素質已成為高等教育的根本。在工科專業的整個課程體系設置中，機械原理是培養學生創新意識和創新能力的一門主干技術基礎課程。為了真正能夠通過扎實的實踐環節來提高學生的創新意識和創新能力，西北農林科技大學對該門課的實踐教學環節——課程設計進行了不斷改革。

從內容上講，整個機械原理的課程包括課堂教學（包括實驗教學）和課程設計兩部分，其在時間安排上是相互獨立的。課堂教學以機構的分析為主要內容，重點是機構的結構分析、運動和動力分析以及參數的計算；作為課程的一個重要的實踐環節，機械原理課程設計在培養學生的創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計實踐環節改革時，首先應當關注的是創新能力的培養。

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

1 機構圖解法的分析與設計

在早期的機械原理課程設計中，采用的是利用圖解法實現機構的分析與設計。這種方法就是要求學生利用所學的基本理論知識，根據分配的設計題目，按照課程設計教學指南，一步一步地完成每一項設計任務。比如前期所進行的課程設計主要是要求大家利用課堂上所學過的機構的理論分析方法、反轉設計方法以及齒輪齒廓曲線的設計方法，通過手工繪圖完成平面六桿機構的運動和動力分析、凸輪輪廓曲線的設計和漸開線齒輪齒廓曲線的設計。整個設計過程中，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，對學生后續專業課和研究生入學考試可以奠定一個良好的基礎，但由于在整個設計過程中設計題目、設計方法以及具體的設計步驟都是一定的，學生按照教師所編寫的課程設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計任務。這樣既不能充分地發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，更談不上什么創新思維和創造性設計了。

2 機構解析法的分析與設計

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

利用解析法實現機構的分析與設計，首先要建立分析所需要的機構的數學模型，然后利用計算機編程來進行數學模型的求解，最終獲得相應的機構或機器的結構參數以及運動和動力參數。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）通過機構的機構分析，在選定機構比例尺和原動件初始位置的基礎上繪制研究對象的機構運動簡圖；

2）通過引入的桿矢量，建立機構或機器對應的位置矢量方程；

3）通過位置方程的逐次求導，建立機構或機器對應的運動矢量方程，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計精度的同時避免出現同一個問題——百人百解的現象，也可以實現在滿足精度要求的基礎上對空間機構的分析。但分析和設計過程中所需要的數學模型的建立和求解具有一定的難度，同時對于結構比較復雜的機構，分析計算過程比較復雜。同時，在分析和設計的過程中，仍然是按照固定的思路和要求來完成所給定每一項設計任務，對學生的設計能力仍不能進行培養和鍛煉。

3 機械傳動系統方案的創新設計

為了實現通過機械原理課程設計培養學生創新意識和創新能力的宗旨，為了強調理論與工程實際、創新設計有機結合的必要性，在進行課堂理論教學時借助于實例講解，使學生掌握機構方案設計的基本和方法。然后在課程設計這一環節，要求學生根據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的方案設計。整個設計過程包括確定設計題目、查閱文獻資料、確定設計方案、撰寫設計說明書以及設計交流總結等五個環節，從每一個環節都進行了一系列的改革。

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

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

確定設計方案 設計方案的確定是機械傳動系統方案設計中較為重要的一個環節。為了發揮學生的主觀能動性，在整個方案確定的過程中始終應以學生為中心。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區別對待。endprint

機械系統方案設計中關注方案的創新點。要獲得具有一定創新意義的設計方案，可以從兩個方面入手：根據設計任務的需求，通過查閱相關的文獻資料發明新的機構；通過對現有機構的分析和總結，借助于機構的改造來獲得能夠實現設計目的的機器或機構。

為了能夠充分發揮學生的空間想象能力，在進行方案設計時，對于一個確定的設計目標，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，最后確定出最優的設計方案。針對于最優的設計方案，可以從機構的結構設計、運動和動力分析與設計、機器和機構的強度設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，多數是通過學生的畢業設計來完成的）等幾方面來完成。

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

設計交流總結 設計交流總結這個環節主要是為了給學生表達能力的鍛煉提供一個機會。在課程設計的各項任務完成以后，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計過程中的優勢和不足。至于機械傳動系統方案設計最終的成績，則可以通過設計方案的創新性、方案分析的全面性、設計說明書書寫的規范性以及繪圖質量等多方面來進行綜合衡量。

機械原理課程設計的教學改革中，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。在教師的啟發和引導下，他們敢于想象，思維敏捷，設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。而作為學生，大家都認為新的課程設計方法更能夠激發學習的興趣和創新的意識。

通過近幾年機制專業和其他專業部分學生的課程設計的改革，基本上可以鍛煉學生的創新意識，可以培養學生的創新能力，效果可以從每年的機械創新設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的時間安排過于緊張，導致許多學生很難在課程設計過程中發揮自己的優勢。■

參考文獻

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