基于機械設(shè)計綜合實踐課的學(xué)生綜合設(shè)計能力培養(yǎng)探索

邊宇樞，張玉茹，畢樹生

摘 要：機械設(shè)計綜合實踐課是機械設(shè)計系列課的一門重要后續(xù)實踐課程。然而，多年來該課程逐漸被邊緣化，致使學(xué)生的綜合設(shè)計能力無法得到有效培養(yǎng)。文章依托機械設(shè)計綜合實踐課，重點對培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力進行了教學(xué)探索。首先，對機械設(shè)計學(xué)科的綜合設(shè)計能力內(nèi)涵進行了挖掘，提出了綜合設(shè)計能力的三層模型。在此基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力為目標，擴充了機構(gòu)學(xué)基本理論知識，設(shè)計了面向機構(gòu)創(chuàng)新的實訓(xùn)項目，并且將現(xiàn)代設(shè)計方法與先進計算機輔助設(shè)計手段相融合，有效推動了學(xué)生設(shè)計能力與科研素質(zhì)的培養(yǎng)，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；綜合實踐；綜合設(shè)計能力；教學(xué)改革

中圖分類號：C961 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）21-0076-04

Abstract： Comprehensive practice course of mechanical design is an important practice course. However， this course is somewhat neglected in recent years. As a result， students' comprehensive design ability cannot be effectively trained. This paper aims to explore how to cultivate students' comprehensive design ability based on the comprehensive practice course of mechanical design. Firstly， the meaning of comprehensive design ability of the mechanical design subject is revealed， and the three-layer model of comprehensive design ability is put forward. Then， in order to train students' comprehensive design ability， fundamental knowledge of the theory of mechanism is introduced and new training projects for mechanism innovation are designed. By integrating modern design methods and advanced computer aided design technology， students' design ability and scientific quality are effectively enhanced. And satisfactory educational results have been gained.

Keywords： mechanical design； comprehensive practice； comprehensive design ability； teaching reform

機械設(shè)計系列課是高等工科院校機械類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，主要包括：機械制圖、機械原理、機械設(shè)計等。學(xué)生在學(xué)完這些課程之后，還需要學(xué)習(xí)一門重要的后續(xù)課程，即：機械設(shè)計綜合實踐課（原名：機械設(shè)計綜合課程設(shè)計）。

與機械設(shè)計系列課有所不同，機械設(shè)計綜合實踐課是一門重要實踐環(huán)節(jié)課程[1]。它不僅擔(dān)負著融會貫通機械設(shè)計系列課程知識的任務(wù)，更是拓展學(xué)生視野、培養(yǎng)綜合設(shè)計能力、鍛煉科研素質(zhì)的重要平臺。然而，多年來這門課程一直不被重視，逐漸被邊緣化。在此狀況下，學(xué)生既不能有效掌握系統(tǒng)的設(shè)計理論與分析方法，又不能熟練運用各種計算機輔助設(shè)計工具，綜合設(shè)計能力十分薄弱。

當(dāng)前，機械設(shè)計學(xué)科正在發(fā)生深刻變革[2-4]。各種新的設(shè)計理論與分析方法層出不窮，各種計算機輔助設(shè)計工具大量涌現(xiàn)。新形勢對機械設(shè)計綜合實踐課建設(shè)提出了新要求。因此，有必要重新審視機械設(shè)計綜合實踐課的地位和作用，開展新的教學(xué)探索。

目前，機械設(shè)計綜合實踐課的教學(xué)改革方興未艾[5-12]，尚有很多工作需要去做。為此，本文依托機械設(shè)計綜合實踐課，重點對培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力進行了教學(xué)探索，取得了良好的教學(xué)效果。

一、問題與現(xiàn)狀

隨著機械設(shè)計學(xué)科的發(fā)展，原有機械設(shè)計綜合實踐課教學(xué)已無法適應(yīng)新形勢的要求，逐漸暴露出一系列問題。以我校為例，主要表現(xiàn)為：

1. 設(shè)計對象以減速器為主，偏傳統(tǒng)、少新意，學(xué)生積極性不高。

2. 實訓(xùn)項目陳舊，其設(shè)計思路和實施步驟均有現(xiàn)成答案可供參考，難度低，學(xué)生熱情不高。

3. 教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于機械零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，缺少對執(zhí)行機構(gòu)進行設(shè)計與分析的內(nèi)容。

4. 在教學(xué)模式上以教師授課為主，學(xué)生的主觀能動性不足。

5. 教學(xué)重點在于回顧機械設(shè)計系列課中的重要知識點，自身內(nèi)容不具備完整性，缺乏對設(shè)計過程中所需要的機構(gòu)運動學(xué)與動力學(xué)領(lǐng)域重要概念和知識的輸入。

6. 學(xué)生只見樹木不見森林，不能獲得比較系統(tǒng)完整的機械設(shè)計步驟與流程的訓(xùn)練。

7. 學(xué)生主要依賴手工繪圖，設(shè)計手段落后，缺乏運用計算機輔助分析設(shè)計工具進行機械設(shè)計的訓(xùn)練。

上述問題不僅嚴重影響了教學(xué)質(zhì)量，更使學(xué)生喪失了培養(yǎng)綜合設(shè)計能力的寶貴機會。

二、綜合設(shè)計能力的內(nèi)涵

在高等工科院校的相關(guān)專業(yè)中設(shè)置機械設(shè)計系列課的主要目的在于培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力。但是，這種能力并非僅通過知識的學(xué)習(xí)即可實現(xiàn)，更有賴于后期的實踐訓(xùn)練予以培養(yǎng)和鍛煉。

我們經(jīng)過一系列教學(xué)探索，認為這種綜合設(shè)計能力主要包含三個層次，如圖1所示。

第一層次是培養(yǎng)學(xué)生具備扎實完備的基礎(chǔ)知識功底。所謂“基礎(chǔ)知識”，并非狹義地指“機械制圖”“機械原理”和“機械設(shè)計”等機械設(shè)計系列課程知識。這些知識固然對學(xué)生從事機械設(shè)計非常必要，但并不充分。還需要適當(dāng)擴展引入構(gòu)型綜合、運動學(xué)與動力學(xué)分析、強度設(shè)計與校核、優(yōu)化設(shè)計等機構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)知識和重要概念。在這些重要知識欠缺的情況下，學(xué)生不具備扎實完備的基礎(chǔ)知識，也就不可能開展高水平的機械設(shè)計和分析。

第二層次是培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代設(shè)計方法與先進計算機輔助設(shè)計手段進行設(shè)計和分析的能力。雖然具備扎實的基礎(chǔ)知識十分重要，但是若不掌握恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計方法與設(shè)計手段，仍將事倍功半。當(dāng)前，機械設(shè)計學(xué)科正在經(jīng)歷深刻變革。各種新的設(shè)計方法層出不窮，為機械創(chuàng)新設(shè)計注入了新活力；各種計算機輔助設(shè)計工具大量涌現(xiàn)，為機械產(chǎn)品研發(fā)提供了強大動力。在新的形式下，將現(xiàn)代設(shè)計方法與計算機輔助設(shè)計手段相融合實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計——這是對新一代機械工程技術(shù)人才提出的新要求。

第三層次是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性構(gòu)思的設(shè)計能力。一般而言，機械產(chǎn)品的設(shè)計從創(chuàng)新性上可以分為三層。最低層是“從有到有”，即：選型設(shè)計，重點在于根據(jù)設(shè)計要求進行產(chǎn)品選型。第二層是“從有到新”，即：類比設(shè)計，重點在于借鑒他人成果解決自己問題。最高層是“從無到有”，即：原創(chuàng)設(shè)計，重點在于概念設(shè)計。對于機械設(shè)計綜合實踐課而言，在學(xué)生具備了扎實的基礎(chǔ)知識、有效的設(shè)計方法和嫻熟的設(shè)計技能基礎(chǔ)上，重點引導(dǎo)學(xué)生從低層次的選型設(shè)計過渡到更高層次的類比設(shè)計，即：培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性構(gòu)思的設(shè)計能力和總體上把握設(shè)計方案的能力，為原創(chuàng)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。這是對學(xué)生綜合設(shè)計能力的更高層次要求，需要通過精心設(shè)計實訓(xùn)項目予以訓(xùn)練。

三、教學(xué)探索

為培養(yǎng)學(xué)生的上述三層次綜合設(shè)計能力，我們開展了一系列的教學(xué)探索。

（一）擴充機構(gòu)學(xué)基本理論知識

在教學(xué)內(nèi)容上，打破原有課程的封閉性。針對實訓(xùn)項目，適當(dāng)引入構(gòu)型綜合、運動學(xué)與動力學(xué)分析、強度設(shè)計與校核、優(yōu)化設(shè)計等機構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)知識，擴充學(xué)生的知識面。引導(dǎo)學(xué)生初步學(xué)會運用這些知識實現(xiàn)機構(gòu)的分析與綜合。

在引入新知識的過程中，堅持“夠用即可”的原則，注重在難度和廣度上進行控制，避免分散學(xué)生的精力。在教改思路上，強化“設(shè)計”、弱化“分析”。使學(xué)生重點掌握在何時何地把這些知識如何有效運用于設(shè)計過程中以解決問題，而非過度關(guān)注這些知識的內(nèi)在細節(jié)，從而在宏觀上建立起正確的機械設(shè)計思路與分析流程。

為此，在教學(xué)內(nèi)容的編排上，適當(dāng)增加執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容，相應(yīng)減少零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容。鑒于減速器具有十分典型的機械特征而值得初學(xué)者學(xué)習(xí)，因此予以保留。但是將以往的二級減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計精簡為單級減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計。既保留原有精華，又減少重復(fù)性勞動。這為新內(nèi)容的引入節(jié)省出大量時間，從而使學(xué)生有精力去掌握更加完備的基礎(chǔ)知識。

（二）現(xiàn)代設(shè)計方法與先進計算機設(shè)計手段相融合

在構(gòu)型綜合、運動學(xué)與動力學(xué)分析、強度設(shè)計與校核、優(yōu)化設(shè)計等環(huán)節(jié)中，全面引入ADAMS、SolidWorks、ProE、AutoCAD等多種計算機輔助設(shè)計工具，培養(yǎng)學(xué)生將現(xiàn)代設(shè)計方法與計算機輔助設(shè)計手段相融合實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的能力。其中，利用ADAMS軟件進行機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計、運動學(xué)與動力學(xué)分析、強度設(shè)計與校核、優(yōu)化設(shè)計；利用SolidWorks、ProE等軟件進行減速器的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計；利用SolidWorks、ProE等軟件的二維投射功能或者AutoCAD軟件，進行減速器的二維裝配圖和二維零件圖的設(shè)計。上述做法有效提升了學(xué)生的綜合設(shè)計技能。

（三）設(shè)計面向機構(gòu)創(chuàng)新的實訓(xùn)項目

實訓(xùn)項目是學(xué)生在機械設(shè)計綜合實踐課上需要完成的設(shè)計任務(wù)，是教學(xué)要求與培養(yǎng)目標的實施載體。實訓(xùn)項目的水平在很大程度上決定了學(xué)生的培養(yǎng)水平。因此，實訓(xùn)項目的設(shè)計十分重要。

一方面，實訓(xùn)項目應(yīng)滿足教學(xué)大綱要求，即：包含原動機、傳動裝置、工作機（執(zhí)行機構(gòu)）三部分，并且能夠?qū)C械原理與機械設(shè)計等主要課程內(nèi)容進行訓(xùn)練。另一方面，改變只針對減速器進行設(shè)計的做法，擴大選題范圍。鑒于授課教師具有深厚的科研背景和豐富的工程經(jīng)驗，直接從他們的科研項目以及工程實際中提煉一些難度適中、具有一定實用價值和挑戰(zhàn)性的實訓(xùn)項目，例如：力反饋裝置、眼外科手術(shù)器械、艙門機構(gòu)等，如圖2～圖4所示。將設(shè)計對象從經(jīng)典的鉸鏈四桿機構(gòu)等擴展到并聯(lián)機構(gòu)、遠程運動中心（RCM）機構(gòu)等，從減速器等傳統(tǒng)領(lǐng)域擴展到前沿的人機交互、微創(chuàng)手術(shù)、空間機構(gòu)等領(lǐng)域。這不僅擴展了視野，又提升了設(shè)計過程的挑戰(zhàn)性，對于提高學(xué)生的科研素質(zhì)和創(chuàng)新精神具有極為重要的意義。

（四）樹立以學(xué)生為中心的啟發(fā)互動教學(xué)模式

在以往課堂教學(xué)時，教師會不厭其煩地講授每個設(shè)計細節(jié)。其結(jié)果雖然降低了難度，但是沒有為學(xué)生留下充分的自由想象空間，最終也無益于能力的鍛煉。

為此，我們改變“教師為主、學(xué)生為輔”的教學(xué)模式。在課堂教學(xué)中，采用啟發(fā)式、互動式授課方法。一方面，充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用，側(cè)重幫助學(xué)生理解并掌握機械設(shè)計的正確思路以及現(xiàn)代機械設(shè)計方法與流程，然后放手讓學(xué)生自主開展工作。另一方面，根據(jù)實訓(xùn)項目，將學(xué)生分成若干小組。在機構(gòu)的方案設(shè)計與論證階段，以學(xué)生為主體，圍繞設(shè)計任務(wù)自行開展資料收集、方案提出、方案優(yōu)化、方案論證的工作。然后，每個小組制作PPT，在規(guī)定時間內(nèi)闡述自己團隊的最終方案，并且回答老師和其他同學(xué)的提問。通過上述做法，強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主攻關(guān)，鍛煉學(xué)生解決實際問題的能力。

此外，為每個班級配備相關(guān)專業(yè)的研究生作為助教，在計算機輔助設(shè)計工具的使用方面給予輔導(dǎo)，大大降低學(xué)生使用計算機輔助設(shè)計工具進行機械設(shè)計的難度。

（五）建立全面的評價體系

原有的評價體系并不完善，側(cè)重于檢查學(xué)生對基礎(chǔ)知識，尤其是對繪圖知識的掌握，無法全面反映學(xué)生的綜合設(shè)計水平。為此，改為在專業(yè)基礎(chǔ)知識、計算機輔助設(shè)計技能、機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計能力三個層面綜合評價學(xué)生。每個評價層面又由多項評價指標組成，從而建立起比較完整的評價體系，實現(xiàn)對學(xué)生綜合設(shè)計能力的全面評價。

四、教學(xué)實踐

在教學(xué)探索的基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力為目標，積極開展了教學(xué)實踐。教改后的機械設(shè)計綜合實踐課的主要教學(xué)過程分為以下五個階段。

（一）理解階段

在此階段，教師為學(xué)生分配實訓(xùn)項目，并對學(xué)生進行分組。根據(jù)實訓(xùn)項目內(nèi)容，為學(xué)生講解相關(guān)背景、研究意義以及重要概念。

針對實訓(xùn)項目，引導(dǎo)學(xué)生掌握理解實訓(xùn)項目的方法，重點培養(yǎng)學(xué)生從實訓(xùn)項目中提煉各種設(shè)計約束（如：尺寸約束、運動約束、動力約束等）的能力，并且建立起以“約束”作為設(shè)計的起點與歸宿的重要設(shè)計理念。

（二）機構(gòu)設(shè)計階段

在此階段，教師針對具體的實訓(xùn)項目，提供一些重要的參考文獻，引導(dǎo)學(xué)生查閱資料，尋找解決實訓(xùn)任務(wù)的思路。在此基礎(chǔ)上，指引學(xué)生把思路逐步具體化，從而提出具體的機構(gòu)構(gòu)型方案。若存在多個方案，則進一步引導(dǎo)學(xué)生進行方案的比較、篩選與優(yōu)化，并且撰寫方案論證報告。然后，學(xué)生以小組為單位制作PPT，進行匯報并答辯。最終，確定方案。

（三）分析階段

首先，針對最終確定的執(zhí)行機構(gòu)方案開展運動學(xué)分析。為此，利用虛擬樣機仿真分析工具ADAMS軟件分析執(zhí)行機構(gòu)的運動性能。根據(jù)分析結(jié)果檢驗是否滿足實訓(xùn)項目規(guī)定的尺寸約束和運動約束。如果不滿足，需要重新修改機構(gòu)方案及其特性尺寸。通過多次反復(fù)，最終確定執(zhí)行機構(gòu)的構(gòu)型及特性尺寸。

在滿足運動學(xué)要求的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進行動力學(xué)分析。為此，利用虛擬樣機仿真分析工具ADAMS軟件分析執(zhí)行機構(gòu)的動力學(xué)性能。重點分析：驅(qū)動力（矩）、運動副阻力（矩）、工作載荷與速度（加速度）之間的定量關(guān)系等，檢驗?zāi)芊駶M足實訓(xùn)項目規(guī)定的動力約束。如果不滿足，需要重新修改機構(gòu)方案的動力學(xué)參數(shù)，直至滿足要求。在此基礎(chǔ)上，確定執(zhí)行機構(gòu)工作時的實時功率與最大功率。

（四）結(jié)構(gòu)設(shè)計階段

首先，根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)所需的最大功率確定原動機的輸出功率與額定功率。再根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)輸入端的運動要求，確定原動機（電動機）的額定轉(zhuǎn)速以及減速器的傳動比，并最終確定原動機的型號。

其次，確定減速器的傳動方案，例如：齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動。

接下來，利用SolidWorks、ProE等軟件進行減速器的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計；利用AutoCAD軟件，繪制減速器的二維裝配圖以及二維零件圖。

（五）總結(jié)與答辯階段

學(xué)生整理設(shè)計結(jié)果，打印圖紙，撰寫設(shè)計說明書。

學(xué)生參加答辯。教師針對學(xué)生的各設(shè)計環(huán)節(jié)進行提問，學(xué)生予以回答，以此檢驗教學(xué)效果。

五、結(jié)束語

本文依托機械設(shè)計綜合實踐課，對培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力進行了教學(xué)探索。對綜合設(shè)計能力的內(nèi)涵進行了挖掘，提出了綜合設(shè)計能力的三層模型。在此基礎(chǔ)上，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力為目標，開展了教學(xué)探索與實踐。在教學(xué)內(nèi)容上，擴充了機構(gòu)學(xué)基本理論知識。為擴展學(xué)生視野，設(shè)計了面向機構(gòu)創(chuàng)新的實訓(xùn)題目，并將現(xiàn)代設(shè)計方法與先進計算機設(shè)計手段相融合。樹立了以學(xué)生為中心的啟發(fā)互動教學(xué)模式。建立了三層評價體系，比較全面地評價學(xué)生。這些教改探索有力推動了對學(xué)生綜合設(shè)計能力的培養(yǎng)，取得了良好的教學(xué)效果。

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