機械原理課程設計教學的探討與實踐

謝忠東+武立波+刁有明+馬先英+丁曉非

摘要：本文針對機械原理課程設計具有很強實踐性和創新性的特點，從設計內容、計算機應用和考核方法等幾方面探討了提高機械原理課程設計教學質量的方法。通過課程設計的訓練，學生初步具有了綜合運用知識分析問題、解決問題的能力，有效地激發了學生的創新意識，提高了學生的創新能力。

關鍵詞：機械原理；課程設計；教學內容；考核方法

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）15-0092-02

一、引言

機械原理在機械設計系列課程中占有非常重要的地位，其課程設計是學生較全面地進行機械傳動系統運動學、動力學分析的重要實踐教學環節。具體來說，它就是根據給定機械的工作要求，確定機械的工作原理，擬定工藝動作和執行構件的運動形式，繪制工作循環圖，進行執行機構的選型與組合，對各種運動方案進行分析、比較和選擇，繪制機構運動簡圖，進行機械動力性能分析與綜合。通過對該課程的設計，學生具有了初步的設計機械運動方案的能力，增強了對機械設計中有關運動學、動力學的分析與設計的完整概念的理解，提高了學生綜合運用知識的能力，使學生具備計算、制圖和使用技術資料的能力。

二、傳統課程設計中存在的問題

傳統的機械原理課程設計教學中多以機構的分析為主，這并不利于學生設計能力和創新能力的訓練與提高。該課程設計一般使用兩種類型的題目：一類題目是選用對典型機構進行運動分析和動力分析；一類題目是根據某些功能，要求對確定的機械運動系統進行方案設計，并對機械中某一機構進行設計，兩類題目的側重點不同，前者偏于分析，后者注重設計。

如圖1所示為一插齒機構，設計內容包括導桿機構的設計；兩個指定位置的圖解法機構運動分析；圖解法的讓刀凸輪機構設計。

圖2所示為顆粒糖果包裝的三種形式，即扭結式包裝（圖2a）、折疊式包裝（圖2b）和接縫式包裝（圖2c）。顯然，實現各種包裝型式的工藝動作不同，因此機械運動的方案也有所不同。這類課程的設計一般集中安排在兩周內完成，時間比較短，設計過程中學生很難一次性圓滿完成，一般需進行修改，甚至修改多次，所以手工書寫、手工繪圖圖面質量都將難以保證。

三、課程設計內容的充實與合理編排

如何有機整合分析與設計內容是提高該實踐教學質量的關鍵所在。它應以培養學生的創新設計能力為主，機構分析為輔而開展的一次實踐性教學，如果以機構的分析為主，將會削弱學生在方案設計方面的訓練。機械系統的方案設計是整個機械設計的第一步，也是最具創新性的一個環節，方案設計的好壞將直接影響到機械設計產品的性能優劣及其在市場上的競爭力。機械系統方案設計主要包括執行系統和傳動系統的方案設計。其中執行系統的方案設計是機械系統方案設計的核心，其重點是執行系統的功能原理的設計，執行構件的運動規律設計以及執行系統的協調設計，根據設計結果可繪制出機械工作循環圖。如圖3所示，圖3a為某一金屬片沖制機的工藝動作分解（分別為送料、沖制、退回等），可得出其工作循環圖如圖3b所示，它以主軸為定標件，沖頭和送料以主軸的轉動角度為基準繪制而成。為提高生產率，各執行構件的工作行程允許局部重疊。

在課程設計教學中，為了使所有的學生都能基本完成設計任務，題目難度應具有一定的開放性和伸縮性。在內容上可以擴展，進一步延伸至后續教學的機械設計課程設計，凸顯出教學的連續性，使學生得到更系統，更完整的實踐訓練。學生通過收集資料、方案設計和課堂討論等方法，能夠得到一次較為全面的創新設計的初步訓練。如設計題目可以只給出機器需實現的功能要求，老師可以提供一種實現該功能的典型機構，讓學生對此機構進行分析。在此基礎上，要求每個（組）學生再提供一種新的方案，可以是執行系統的方案，也可以是傳動系統的方案，以此激發學生，充分發揮其主觀能動性，使其認真查閱資料，獨立思考，積極創新。最后匯總方案，評選出幾種較好的方案，通過討論與比較方案的優與劣，達到提升學生分析與創新能力的目標。如在牛頭刨床中實現刨頭的慢進快退功能可采用連桿機構、凸輪機構。連桿機構中可采用各式各樣的滑塊機構，凸輪機構可以采用平面或空間凸輪機構，還可以采用組合機構。由此將衍生出很多傳動機構，再從實現功能的難易、傳動性能的好壞、結構的合理性以及經濟性等方面給予評價。

四、合理利用計算機技術

在當前的教學中，課程設計環節一般要求手工書寫計算說明書和手工繪圖。但是，現代機械設計根本離不開計算機技術的應用，所以在課程設計中，應用計算機輔助分析與設計技術也是將計算機理論知識得以實際應用的一次實踐活動。因此，要積極鼓勵學生努力將計算機技術應用到課程學習當中，提高其學習興趣，同時避免手工書寫、繪圖慢且不容易保證質量的弊端。在上述方案確定之后，機構的尺寸參數、機構的運動分析、工作循環圖繪制、飛輪設計及繪圖等應用計算機技術之后，可以得到精確的計算結果，分析或設計修改較為方便，可以較快地得到修改后的結果。如改變某一機構尺寸參數，此改變參數對機構運動性能和動力性能的影響可以通過計算機技術分析快速獲得。同時，還可以進一步利用計算機仿真對整個機械系統的運動規律進行演示和研究。當然，做到這一步是需要較為扎實的計算機功底，所以應用計算機完成工作量的比例應給予認真考慮，因材施教，避免造成以計算機應用為主的實踐性教學。

五、考核方法

一般理論考試每題每個步驟都有得分計算，但是課程設計沒有，最終成績也幾乎都是五分制計，即優秀、良好、中等、及格和不及格等五個檔。這就使成績的評定容易帶有一定的主觀性和隨意性，從而失去可信度，這將在學生中產生很不好的影響，一定程度上打擊了認真學生的積極性，又助長了不主動學習學生的惰性。所以考核要有其合理性、科學性。考核分教學過程和課程設計成果兩部分進行。教學過程是指從學生拿到設計題目開始，到整個設計過程結束，指導教師應掌握每個學生的具體進行情況，并作簡略的記錄，做到評定有據可查。課程設計成果是指學生最后上交的材料，可組織2～3名教師組成的答辯小組進行答辯，這樣可以檢驗學生學習的扎實度，也可一定程度上檢查出學生是否有抄襲行為，同時還可以作為學生畢業設計答辯的一次簡單訓練。

六、結束語

提高機械原理課程設計的教學質量可以從很多個環節著手，由于課程設計既是實踐性較強同時又具有一定創新性的教學活動，編排課程和設計題目應都能使學生基本完成，同時又要給學習能力較強、基礎知識較扎實的學生一個提升設計創新能力的空間。通過課程設計的訓練，可以提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

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