全程體認式機械設計課程設計

劉文光++賀紅林

摘 要：決定機械設計課程設計效果的關鍵在于課程設計的內容、實施方法與評價體系。該文從理清當前機械設計課程設計在內容體系方面存在的問題入手，探討如何規劃全程體認式機械設計課程設計教材，選定課程設計對象；按照機械設計類課程設計單獨設課的特點，提出了機械設計課程設計實施范式；考慮影響機械設計課程設計質量的多元因素，探索了全程體認式課程設計的組合評價體系。

關鍵詞：全程體認 機械設計 課程設計

中圖分類號：G623 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（c）-0234-03

Thorough-know Based Course Exercise of Mechanical Design

Liu Wenguang He Honglin

（School of Aeronautic Manufacturing Engineering， Nanchang Hangkong University，Nanchang Jiangxi， 330063， China）

Abstract： The good effects of course exercise of mechanical design are depended on the object of design， application method and evaluation system. Therefore， it is necessity to clarify the problem that exists in the content system of machinery design and to plan the textbook of course exercise of mechanical design by thorough-know view， and to select a proper design object. According to the feature that the course exercise of mechanical design is a course seperately， the applying method of course exercise should be constructed. Many factors that influences the quality of course exercise of mechanical design should be known accurately so as to explore the combination evaluation system of thorough-know based course exercise of mechanical design.

Key Words： Through know； Mechanical design； Course exercise

機械原理與機械設計是高等學校機械類專業的兩門專業核心課。雖然兩門課程均以設計理論與技術為內容，但是兩門課程所傳授的知識各有偏重，在培養體系中地位舉足輕重，所以在課程建設時均獨立設置完整的理論、實驗和設計訓練環節。單從學生掌握機械理論的角度而言，該體系是有益的；但從培養學生全局觀來看，兩門課過分強調自身的系統性，各自在自身的小天地里精耕細作，形成了以各自課程教學為中心的學科化建設傾向，導致訓練環節各自為政，結果是學生學完課程并實踐后，依然缺乏對機器設計過程的完整體驗。

機器的設計包括運動設計以及工作能力設計兩個階段。前者目標是擬定機器工作原理，結果是機器原理圖及其組成機構的運動簡圖；后者目標是機械結構設計及其工作能力計算，結果是裝配圖和零件圖等技術施工圖。實際上，為了對機器設計的全過程有完整體驗，只有將原理設計和結構設計進行有機結合方能實現。而在教學實踐中，兩個階段的理想結合點是課程設計。因此，打通設計系列課程的知識分野、推進原理設計和結構設計的融合勢在必行。

然而，機械原理與機械設計的課程設計，無論在選題、設計內容還是訓練方式上，一直在沿用20世紀30年代前蘇聯加里寧工學院的做法，即機械設計課程設計的主題是減速器設計，機械原理課程設計是典型機構的運動分析[1-2]。盡管該體系對培養學生能力仍然有其價值，但它著重培養學生細節設計能力，對機器設計的綜合性、全局性考慮不夠[3-4]。

要加強創新性人才的培養，要滿足新時期對高水平創新設計人才的需求，我們必須突破現有一些不合時宜的設計訓練方法，探索一種以創新設計能力提高為核心的課程設計新模式。該文旨在拆解立于機械設計系列課程間的無形壁壘，探索一種遵循設計一般程式進行設計能力訓練的新方式。

1 全程體認式課程設計內涵

全程體認式課程設計的思想旨在培養學生整機設計能力，加強學生對機械設計理論的理解。即課程設計訓練不僅要達成現有機械原理和機械設計課程設計之目標，而且要提升設計技能和設計素質。現行的機械原理課程設計，主要是培養學生機器原理方案設計能力，關注機器運動學設計問題，設計題目一般鎖定于具有一定復雜程度的具有多個同步機構甚至間歇機構的機器原理設計；機械設計課程設計則選定傳動路線較為清晰的機器或者傳動裝置進行結構設計，且主要針對帶式輸送機傳動裝置。存在的問題是，目前機械原理課程設計的目標機器機構組成及其裝配結構過于復雜，不適合短期推進的機械設計課程設計，反過來，用于機械設計課程設計的機器裝置因機構原理過于簡單也不適合機械原理課程設計。換言之，尋找若干運動關系較為復雜而機械結構及傳動線路又較為清晰、難度適中的對象則成為全程體認式課程設計改革的重點問題之一。

全程體認式課程設計旨在拆解立于機械原理與機械設計間的無形壁壘。針對同一對象，在原理層面進行機器運動方案的構思、尺度綜合及運動學設計；在結構層面進行機器構形規劃、工作能力分析、裝配設計。這種全過程推進的程設的教學實施將受到設計訓練時間、設計訓練空間、教師水平、學生知識儲備等眾多因素約束。如何在眾多約束下，規劃出既可達成整機創新設計訓練目標，又便于教學實施層面推進的教學模式；到底采用以整齊劃一的集中設計訓練為主的教學方式，還是以個體思考為主的分散式設計訓練方式；是強調傳統手工繪圖為主要的設計手段，還是以計算機繪圖為主要設計手段；是采用機器原理設計為主導的設計程式，還是采用機械結構為主導的設計程式。這些都將是在設計系列課程設計教學模式規劃設計時必須予以確認的問題，它們同樣關乎教學改革的成敗。

總而言之，全程體認式課程設計著眼于整機設計的全程訓練，旨在加深學生對所學機構原理、通用零件的理解，鞏固學生工程設計理論和設計知識；著眼于訓練學生觀察、思考、分析、設計、閱讀和體驗設計問題，旨在激發學生學習熱情，開啟學生創新心智并啟迪創業意識；著眼于對機器整機進行原理及結構設計，切身體驗設計全程，旨在加深學生對設計內涵及其一般規律的理解，使學生在今后的設計中統攬機械設計的全局。

2 全程體認式課程設計的實施

2.1 課程設計教材編寫

教材是教學內容、教學方法的重要載體，教師進行的一系列教學內容與教學方法的改革與探討，都要通過教材得以保留與貫徹。所以，課程設計教材建設是深化全程體認式課程設計改革，提高課程設計質量的重要保證。如今，在以自學為主要學習形態的機械設計課程設計訓練中，課程設計教材的導引作用更為突出，即教材編寫水平直接關乎設計訓練的質量。因此，有必要根據人才培養目標的需要，結合機械專業的定位，組織高水平的教師編寫適于全程貫穿的體認式機械設計課程設計教程。

2.2 課程設計對象規劃

在專業培養架構中，機械原理和機械設計課程設計定位于培養整機創新設計和綜合分析能力。機械原理課程設計的描述是：設定一般用途機器或系統為設計訓練對象，學生在教師指導下根據預定的機器功能及其工作條件進行機構選型與組合，提出若干機器運動方案，再對這些方案進行評斷，最后對所確定方案中的機構進行尺度綜合和運動模擬。關于機械設計課程設計的描述是：旨在培養學生機器系統及其零部件設計能力，選定一般用途的中等復雜程度機器或系統作為設計目標，完成機器總體設計，對其傳動件工作能力進行計算，設計出機器傳動系統裝配圖及零件工作圖。

很明顯兩者各有側重，機械原理課程設計重在方案構思，機械設計課程設計重在機器工作能力分析和結構設計。在教學進程中，雖然兩課程實施時間存在先后，但內容上升至機器層面時卻是統一的，即運動學設計為結構分析和設計提供依據，結構設計為運動學提供實現形式。現行的做法是將原理設計和結構設計割裂，即機械原理和機械設計課程設計針對全然不同的對象推進各自進程，帶來的不良后果之一是知識不成體系，學生在擬定和評析機器原理方案時不考慮其結構實現問題。同時，由于機構選型和組合時不關心構件結構化問題，所提出的一些原理方案可能根本無法實現。學生在機械設計課程設計時，由于原理方案由教師事先給定，學生只對照方案進行結構設計和工作能力分析，而不需進行機器原理方面考慮，這就造成學生即使完成了機器系統裝配結構設計，也未能全面體驗機器設計的全過程。

為體驗整機設計的全過程，機械原理和機械設計課程設計時，最好針對同一設計對象展開設計，即首先對該機器對象進行原理設計層面的訓練，再針對原理層面獲得的結果展開結構層面的設計訓練。絕對不能因各設計課程在內容方面存在一定取向性而人為割裂設計全程或圈定設計問題。但是，導致機械原理與設計課程設計實踐之所以割裂的原因之一，可能是同時達成原理和結構設計目標的訓練對象較少、不容易找到。因為一部機器或一個機械系統要作為機械原理設計訓練對象，其運動應有一定復雜程度且最好涉及多運動同步以便其原理方案中能覆蓋機械原理課程所涉及多種常用機構；一部機器或一個機械系統要作為機械設計課程設計的對象，其傳動路線要比較清晰而且傳動鏈最好包含機械設計課程所介紹到的主要傳動部件及軸系部件等。

2.3 課程設計訓練模式

借由統一設計對象將機械原理和機械設計課程設計內容打通之后，如何實施課程設計或采用何種教學方式來推進面向整機的機械原理和機械設計課程設計訓練進程，很大程度上取決于教改初衷。由于歷史的原因，現行培養體系架構內，機械設計系列課程設計存在所謂課程分野，基本上是依據機械原理和機械設計課程各自理論體系及知識點單獨組織和推進，兩門課程設計分別配置于兩個不同學期，并且在時間上分別接續相應的理論課。此種方式對于加深學生對相應課程知識的理解能起到一定的作用，但若通過此方式來升華理論知識為學生的綜合素質和技能，效果不一定好。原因在于，知識要轉化為學識、技能、素質是要經過時間的沉淀。這種設計訓練時間上緊隨著理論教學安排，雖然具有明顯短期強化效應，但是學得快忘得更快，很難達到知識的內化和升華目的。

有研究表明，像機械設計課程設計這類需通過大量訓練才能獲得相應技能的課程，其理論教學與設計訓練間最好錯開一段時間（如2～3個月），這樣能使學生有足夠時間整理、厘清所學課程的知識。也只有當學生透徹理解知識后推進的訓練，學生才能真正從中感悟設計內涵并進而得心應手的訓練出技能。但這樣做也引來一系列新的問題，首當其沖的就是設計時間上的沖突。一般情況下，每學期約20周左右，其中理論課時間通常要占14～15周，并且還需預留考試周，顯然，要做到將集中式課程設計與理論課錯開這么長時間非常困難。如果將傳統的課程設計集中推進方式改為由時間集中與分散進行相結合方式，改革是否可行有待實踐檢驗。另外，將機械原理和機械設計課程設計貫穿后，是否有必要將二者安排在不同學期進行也值得研究；若將所有設計系列課程設計集中于同一學期進行，則到底采用集中式還是分散式抑或集中分散結合式將最有效，仍不得而知。

機器原理設計更需創新力，相應地設計者更需創新思維力、自主支配時間及寬松氛圍來思考，此時采用分散式課程設計教學效果也許更適宜；而機械設計課程設計更側重結構，其內容充斥的是細節、圖面表達等問題，教學質量更取決于學生花費在設計上的時間，此時采用集中訓練似乎更佳。按此思路來推進訓練，其效果是否真如預期還有待進一步檢驗，特別是集中與分散相結合的訓練，如何切割時間與內容也是問題。在設計手段訓練方面，手繪及經典計算有利于學生將注意力集中于設計問題本身，但在培養學生運用先進設計工具的能力方面存在明顯欠缺，特別是此方式是與企業實用方式嚴重脫節。因此探尋如何將最新設計手段和工具融入課程設計實踐中，也是實施中不可回避的問題。

3 全程體認式課程設計評價

對設計系列課程設計的內容、實施方式及教學手段改革后，對課程評價體系也要做相應的調整。一個好的課程學習評價體系不僅要有效地激發學生進行課程學習的原動力，而且要維持教學效果評價公正性且能夠促使學生產生強烈競爭意識、形成趕赴、超進位的生動學習局面。

傳統的機械原理與機械設計課程設計的總評基本上由課程設計指導教師主導。通常指導教師根據學生在設計過程中的表現，學生的課題完成情況以及答辯表現對學生進行考核。顯然，此評價絕大部分由教師主觀斷定，學生本人及同組課程設計學生基本不能參與對自身學業的評價，這樣勢必造成學業評價有失公允。尤其是，統一設計對象后，針對同一設計目標展開的設計周期較長，該過程中可能存在若干分散實施的時間節點或環節，從而使教師無力跟蹤學生設計全程，在此條件下，將學生的自我評價和同組學生的互評引入學習評價體系，評價結果也許更加客觀公正。綜上可知，應結合課程設計內容及其教學過程的改革，在考核形式和考核方法上采用綜合性組合評價方法，包括：課堂表現、設計態度和出勤、設計計算質量及說明書規范性、原理方案可行性、先進性、圖紙的表達正確性和規范性、綜合能力表現、課程設計答辯以及學生自評和同組學生互評。

4 結語

該文在全程體認式課程設計分析的基礎上，構建了課程設計的實施范式，提出了課程設計的組合型評價方法。研究結論如下所述。

高質量課程設計教材是全程體認式課程設計建設與實施的關鍵問題；統一設計對象是全程體認式課程設計教改實施的基本前提；時間集中與分散進行相結合可能是有效的課程設計實施范式；組合式評價體系進行全程監管是提高課程設計質量的重要手段。

參考文獻

[1] 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].8版.北京：高等教育出版社，2013.

[2] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].8版.北京：高等教育出版社，2006.

[3] 鄒慧君.機械原理課程設計手冊[M].北京：高等教育出版社，1998.

[4] 王昆，何小柏，汪信遠.機械設計課程設計[M].北京：高等教育出版社，1995.