機械專業(yè)復雜工程問題教學案例剖析

陳永琴+朱敏波+段清娟+張國淵

（西安電子科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710071）

摘要：本文結(jié)合專業(yè)認證的需求，探討為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐動手能力而開展的實踐教學課程——《機械綜合實踐項目》課程，分別從課程教學設計、課程組織實施以及課程實施情況等幾個方面進行論述，以期達到培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。

關(guān)鍵詞：綜合實驗項目；課程教學設計；課程組織實施

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）18-0151-03

根據(jù)工程教育認證標準，機械設計制造及其自動化專業(yè)的學生應該具備解決“復雜工程問題”的能力，標準中所提到的“復雜工程問題”必須具備下述特征（1），同時具備下述特征（2）—（7）的部分或全部：

（1）必須運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才可能得到解決。

（2）涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突。

（3）需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性。

（4）不是僅靠常用方法就可以完全解決的。

（5）問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實踐的標準和規(guī)范中。

（6）問題相關(guān)各方利益不完全一致。

（7）具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。

為了更好地培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力，我校在原有實踐課程的基礎(chǔ)上又開設了《機械綜合實踐項目》課程。

一、《機械綜合實踐項目》課程的性質(zhì)

《機械綜合實踐項目》是我校機械設計制造及其自動化專業(yè)全部學生必修的實習實踐類課程，是培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力的綜合性實踐能力提升課程，采用“方案設計+技術(shù)設計+實物制作”的實踐教學內(nèi)容，以能力提升為主線，將基礎(chǔ)課程內(nèi)容與設計任務相結(jié)合，重在培養(yǎng)學生靈活運用理論知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)大學生機械創(chuàng)新設計能力、制造工藝能力、實際動手操作能力、工程管理能力和團隊合作能力。

設計題目結(jié)合機械創(chuàng)新設計大賽和大學生綜合能力競賽的主題，設計問題涉及機、電、控制、計算機等技術(shù)領(lǐng)域以及經(jīng)濟、社會多個層面，整個項目周期分為三個階段，第一階段為系統(tǒng)方案設計階段，安排在第五學期，第一階段結(jié)束后要求每組學生提交方案設計報告一份，并進行集中答辯；第二階段為技術(shù)設計階段，安排在第六學期，這一階段結(jié)束后要求提交系統(tǒng)裝配圖或主要零件的二維工程圖及設計計算說明書一份；第三階段為實物制作階段，安排在第七學期，要求完成實物制作，進行實物展示，并完成教師或?qū)W生對實物的問辯，最后提交書面總結(jié)報告一份。項目以團隊形式開展，每組成員為3—6人，指導老師由一組教師和工訓中心老師組成。

為加強培養(yǎng)學生解決“復雜工程問題”的能力，本專業(yè)編寫了“機械綜合實踐項目”教學大綱，進行了針對性的教學設計、組織實施和達成情況評價。

二、課程教學設計

期望通過《機械綜合實踐項目》課程的理論教學和實踐訓練，使學生具備教學目標期望的幾方面能力。

1.學生初步具有擬定機械傳動系統(tǒng)方案的能力，掌握并使用各種技術(shù)、技能和現(xiàn)代化工程工具的能力，培養(yǎng)學生機械系統(tǒng)方案創(chuàng)新設計的思維方式和方法，及自主學習的能力，為解決復雜工程問題提供技術(shù)支持和指導。

2.使學生掌握機械系統(tǒng)運動、動力分析和設計的基本理論和基本方法，能夠針對機械系統(tǒng)的運動、動力分析和設計問題建立數(shù)學模型，并對模型正確性進行嚴謹推理，給出解答。

3.具有文獻檢索、分析歸納的能力以及撰寫分析報告的能力。

4.培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的設計思想，能正確計算零件的工作能力，并確定其尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)及材料，考慮制造工藝、使用、維護、經(jīng)濟和安全等問題，完成具體結(jié)構(gòu)設計。

5.掌握三維模型到工程圖生成和模型數(shù)據(jù)交換，會應用CAD/CAM軟件完成三維零件到二維圖的轉(zhuǎn)換和輸出，能完成簡單零件的加工，培養(yǎng)學生的動手能力。

6.培養(yǎng)學生的責任感和職業(yè)道德，并使學生具備一定的組織管理能力、較強的表達能力和人際交往能力，以及在團隊中發(fā)揮作用的能力，初步具備交流、競爭與合作能力。

以上述教學目標為基礎(chǔ)，分析相應教學環(huán)節(jié)具體體現(xiàn)復雜工程問題的對應特征點及對畢業(yè)要求的支撐情況，對其教學過程進行設計（如圖1所示）。

三、課程組織實施

1.系統(tǒng)方案設計。通過指導老師的輔導和相關(guān)文獻的檢索，學生以實現(xiàn)項目的功能要求為目標，以機械總體設計為出發(fā)點，采用系統(tǒng)分析的方法，擬定機械系統(tǒng)傳動方案，完成各執(zhí)行機構(gòu)的創(chuàng)新設計。要求每組學生提出3種系統(tǒng)傳動方案，從功能、技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保等方面進行分析和比較，決策出最優(yōu)方案，繪制出機構(gòu)運動簡圖或者三維模型原理圖，并對主執(zhí)行機構(gòu)進行尺度綜合和運動分析。

2.技術(shù)設計。在教師的指導下，學生根據(jù)系統(tǒng)傳動方案的功能參數(shù)要求，如傳遞的功率、速度、負載等，應用相關(guān)基礎(chǔ)知識，提出傳動方案，確定總傳動比、分配各級傳動比和電機型號，進行關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設計和工作能力計算，并考慮零件的結(jié)構(gòu)工藝性和安裝的合理性及安全性，對裝置總體進行設計，最后對傳動系統(tǒng)建立三維模型，并完成主要零件的二維工程圖繪制。

3.實物制作。針對具體的方案進行工藝過程設計，進行優(yōu)選方案后的成本分析及工程管理技能等的提高訓練，對特定主題的實物加工制造并裝配調(diào)試。

四、課程達成評價

本課程分三個階段進行，最終考核的成績分布比例是第一階段“系統(tǒng)方案設計”占40%，第二階段“技術(shù)設計”占30%，第三階段“實物制作”占30%。在每階段結(jié)束時，根據(jù)相應的考評環(huán)節(jié)評價該課程對畢業(yè)要求的達成情況。

系統(tǒng)方案設計階段的考評環(huán)節(jié)有團隊協(xié)作、系統(tǒng)方案、設計報告及答辯。

技術(shù)設計階段的考評環(huán)節(jié)有團隊協(xié)作、建模圖紙及設計計算說明書。

實物制作階段的考評環(huán)節(jié)有團隊協(xié)作、實物作品及結(jié)題報告。

團隊協(xié)作考核標準是“能夠傾聽他人意見，勝任團隊中的角色，并完成相應的職責?！?/p>

設計報告考核內(nèi)容有“總體方案的分析、比較，并給出最優(yōu)方案；對執(zhí)行機構(gòu)進行尺度綜合、運動分析?！?/p>

答辯環(huán)節(jié)要求“與同學、老師進行有效溝通和交流，表達清晰，有理有據(jù)回答相關(guān)提問?！?/p>

建模繪圖要求“完成技術(shù)設計，并繪制圖紙或三維建模?！?/p>

實物制作要求“制作實物并展示”。

結(jié)題報告要求寫出結(jié)題報告及心得體會。

在最后達成評價時針對每一評分環(huán)節(jié)給出相應的評分標準（評分標準略）。

五、課程實施情況

我校機械設計制造及其自動化專業(yè)從2013級開始開設《機械綜合實踐項目》課程，給定的題目是以當年創(chuàng)新大賽和綜合能力競賽的主題（或?qū)W生自定的題目）為主要研究對象，要求從機器功能要求出發(fā)，擬定機械系統(tǒng)傳動方案，完成各執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計和運動分析，在學期結(jié)束后，每組提交方案設計報告一份，并進行集中答辯。

從團隊協(xié)作、系統(tǒng)方案、提交的方案設計報告及答辯表現(xiàn)等方面評價《機械綜合實踐項目》第一階段課程教學目標的達成情況。從評價結(jié)果來看，大部分同學能夠在團隊中分擔任務，并承擔相應的責任；從系統(tǒng)方案設計和提交的設計報告來看，學生具有擬定機械系統(tǒng)方案的能力，能夠針對機械系統(tǒng)的設計問題建立合理的數(shù)學模型，并能把自己的設計思想進行較完善的文字描述；從評價結(jié)果反映出同學們的答辯表現(xiàn)不佳（目標值是5分，但評價值只有3.87分），問題主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面是答辯PPT制作沒有經(jīng)驗，背景混亂，主次不明顯；另一方面是有些學生公開發(fā)言沒有信心，不能有條不紊地講述出自己的設計思想，也不能準確回答答辯老師提出的問題，導致答辯成績不理想，這是后續(xù)教學環(huán)節(jié)需要加強改進的地方。

參考文獻：

[1]中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會.工程教育認證一點通[M].北京：教育科學出版社，北京，2015.

[2]中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會秘書處.工程教育認證工作指南[Z].2015-3.

收稿日期：2016-11-30

基金項目：西安電子科技大學教改項目

作者簡介：陳永琴（1971-），女，陜西石泉人，西安電子科技大學機電工程學院副教授。