機械設計課程教學改革實踐探討

鄧召義 劉麗蘭 譚晶 任彬

摘要：本文根據機械設計課程的特點和機械工程專業(yè)學生的培養(yǎng)目標，探討了本課程的教學內容和教學模式的改革，提出了一些有益的方法，提高了學生對學習機械設計課程的興趣。對于培養(yǎng)學生的自學能力、創(chuàng)新能力、動手能力和工程實際應用能力以及團隊協作精神都有一定的作用。

關鍵詞：機械設計；教學改革；多媒體教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）16-0096-03

一、引言

機械設計課程是以一般尺寸通用零、部件的設計為核心的設計性課程，它是機械工程專業(yè)學生必修的最重要的專業(yè)技術基礎課程之一。通過本課程的學習，學生可以掌握通用零、部件的設計原理、方法和機械設計的一般規(guī)律，從而掌握綜合應用所學知識，開發(fā)或研究改進新的零、部件的能力，再通過后續(xù)相應課程設計的學習實踐，進而具有設計簡單的機械傳動裝置的能力[1]。機械設計課程是一門理論與實踐相結合的課程[2]。在課程的學習過程中，學生要綜合應用先修課程中所學習的有關知識與技能，結合教學中各個實踐環(huán)節(jié)進行基本的機械技術訓練，逐漸提高自己的理論水平和設計構思能力，特別是要在提出問題、分析問題和解決問題等方面的能力得到明顯提高，為順利過渡到專業(yè)課程的學習和畢業(yè)設計打下良好的基礎。隨著高等學校學生培養(yǎng)模式的改革，對學生素質和各方面能力的培養(yǎng)得到了越來越高的重視，對像機械設計這樣的傳統專業(yè)基礎課的教學課時進行了適當的縮減。因此，為了學生能在短學時內掌握本課程的主要內容，同時，為了克服本課程學習內容比較枯燥的問題，提高學生學習的興趣和主動性，我們對機械設計課程的教學內容、教學模式等方面進行了改革和實踐探索，從而使本課程的教學能夠更好地符合當代大學對機械工程專業(yè)學生素質和工程實踐能力培養(yǎng)的要求。

二、教學內容和教學模式改革實踐探討

針對機械設計課程的教學現狀和存在的問題，結合學校的小學期制的辦學特點和機械工程專業(yè)的實際情況，經過多年的教學實踐，對本課程的教學內容和教學模式進行了改革和實踐探討，主要體現在如下幾個方面：

1.精選教學內容與自學內容相結合。由于目前機械設計教材的內容較多，對于60學時的機械設計課程來說，無法對所有內容進行講解，因此，我們根據機械設計課程教學大綱的要求，對所用教材的內容進行了篩選，精選出了比較適合機械工程專業(yè)的章節(jié)，并根據內容的重要程度又分為講課內容和自學內容兩部分。多年來，我校采用的都是西北工業(yè)大學編著的機械設計教材，我們對其中的幾大篇內容進行篩選，具體情況是：第一篇的總論選擇了緒論和機械零件的強度這兩章；第二篇的連接選擇了螺紋連接和螺旋傳動及鍵連接和銷連接等內容；第三篇的機械傳動對機械工程專業(yè)的學生來說是非常重要的一部分內容，全部選為學習內容，主要有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動等章節(jié)；第四篇的軸系零、部件選擇了滾動軸承、滑動軸承、聯軸器和離合器以及軸等內容；第五篇的其他零、部件不做要求，不過，其中的減速箱部分會在后續(xù)的相應課程設計中介紹和設計，而且在本課程的實驗課中也會進行熟悉和拆裝操作。上述選擇出的學習內容又分為了講課內容和自學內容兩部分。為了提高學生的自學能力，對于部分比較枯燥和理論推導比較煩瑣的內容列為了自學內容，比如在滑動軸承中的承載量系數Cp計算公式的推導過程中，需要用到高等數學中的微積分知識。考慮到課時比較少的實際情況，在課上教師只簡單介紹一下Cp計算公式，以及推導所用到的數學模型、基本公式和推導過程，同時布置課后學生自學內容。對于微積分基礎比較好的或計劃畢業(yè)之后繼續(xù)深造機械大類的學生，建議他們可以自己具體推導一下。還有在齒輪傳動中的彎曲強度和接觸強度計算中，也采用類似的講課方式，彎曲用力和接觸用力計算公式的推導也歸為課后自學內容，其中輪齒彎曲應力的推導要用到材料力學的懸臂梁模型，而接觸應力的推導要用到彈性力學的接觸應力計算公式，并采用兩個軸線平行的圓柱體外接觸模型進行推導，然后，還要根據齒輪傳動的實際情況，添加一些修正系數。當然還有一些類似的內容也歸為自學內容，在此就不一一列出了。

2.教學內容與實驗內容相結合。為了加強實踐教學環(huán)節(jié)，增強和培養(yǎng)學生的動手能力和知識運用能力，機械設計課程為學生開設了四個與上課內容相關的實驗，分別是“通用零、部件和常用傳動認知”，“帶傳動的滑動和效率測定”，“機械傳動性能綜合測試”和“減速箱拆裝及其結構分析”。這些實驗的開設首先使學生對本課程的主要講解對象有了一定的宏觀感性認識，了解了本課程要講的通用零、部件的結構、類型、特點和應用。其次是通過對常用機械傳動，如帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動等機械傳動裝置的轉矩、傳動比、功率和效率等機械參數的綜合測試，加深了學生對常見機械傳動性能的認知和理解。最后，通過對減速箱這類具有代表性的傳動裝置的進行拆裝，加深了學生對本課程所講知識的實用性和重要性的認知。通過開設與講課內容密切相關的實驗課，使學生在學習理論知識的同時，可以分組親自動手來驗證所學的知識，體驗所學機械零、部件的設計理論和方法對設計機器的重要性，進而增強學生對機械設計課程的重視和主動性，為以后的課程設計和畢業(yè)設計打下良好的基礎。本課程的實踐教學環(huán)節(jié)對于機械工程類的學生是非常有必要的，也是學校重點加強的一個教學環(huán)節(jié)。這樣的教學使學生學到的不僅是理論知識，而且可以培養(yǎng)學生具有通過理論與實際相結合來解決實際問題的思維方式和進行探索及創(chuàng)新設計的能力。

3.教學內容與產品設計相結合。在機械設計課程的教學過程中，為了培養(yǎng)學生的自學能力、團隊協作精神和把所學知識應用到實際產品設計的能力，為學生安排了產品和部件設計大作業(yè)。考慮到上海大學采用的是每學年三個學期+暑期實踐學期的教學體制，每個學期的教學時間只有十周，因此機械設計課程的教學內容安排在了兩個學期進行，這樣我們也相應安排了兩個大作業(yè)，分別是“螺旋起重器（千斤頂）設計”和“軸系部件設計”。這兩個大作業(yè)的設計和繪圖過程，完全由學生通過自學、教師提供的參考資料來完成，同時，為了培養(yǎng)團隊協作精神和節(jié)省學生的課外時間，一般分為2—4人一組完成，其中指定組長一名，負責大作業(yè)的分工和提交作業(yè)結果，提交的設計說明書和裝配圖將作為評定平時成績的重要依據之一。螺旋起重器的設計是在完成了螺紋連接的教學之后進行，需要每組同學在自學有關螺旋傳動的設計資料之后開始，設計完成之后一般是用AutoCAD等軟件繪制裝配圖，然后在指定的日期之前提交設計說明書和裝配圖各一份。軸系部件設計是在完成滾動軸承、齒輪傳動和軸等內容的教學之后進行。學生需要根據老師提供的參考資料把已學的齒輪傳動的設計方法，滾動軸承的選擇與壽命計算以及軸的結構設計和強度計算等知識綜合運用之后才能完成這次大作業(yè)。要求提交的資料與螺旋起重器一樣，也是設計說明書和裝配圖各一份。通過上述兩個大作業(yè)的實踐鍛煉，可以有效提高學生的自學能力、團隊協作精神和綜合運用所學知識來設計產品的能力。

4.教學內容與創(chuàng)新或競賽項目相結合。大學生參加上海市或學校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目或參加一些競賽項目，一般都是在還沒有開始學習機械設計課程之前進行的，因此他們一般是4—5人一組參加項目的設計工作，參考資料一般都是網上下載的或自學有關資料，根據資料的介紹選擇購買一些通用零、部件進行組裝，并對一些非標準件進行簡單的加工，完成的產品有些并沒有根據設計理論和方法進行設計，只要作品達到預期的功能要求就可以了。因此，在他們學習機械設計課程時，有些學生會主動對已完成的項目進行改進，或者根據剛學的設計理論與方法重新進行設計和計算。在課后或課外輔導時間也會有學生主動與上課老師探討創(chuàng)新或競賽項目在機械設計方面的改進問題。比如，有一個5人小組參加的上海市創(chuàng)新項目“全地形運動小車”，最終設計結果見圖1。這些同學在學習機械設計課程的時候，他們更加清楚了小車的傳動部分需要根據小車的受力情況，按照機械設計課程介紹的設計理論和方法來設計其中的傳動齒輪和軸等零件的大小和結構，并根據計算出的載荷來選擇其中的電動機和滾動軸承等部件的類型和型號等。同樣的情況也出現在設計各種各類的運動裝置中，比如，倉庫或商場中運載物品的設備，參加競賽的各種小型機器人等，也會有學生提出對已完成項目的改進方案并與上課教師進行討論。

通過上課內容與這些創(chuàng)新或競賽項目的設計過程中的互動，增加了學生對機械設計課程的興趣，增強了學生學好本門課程的主動性。同時，也讓學生體驗到了把所學知識如何綜合運用到設計實際產品中的樂趣。

5.教學內容多媒體化與動畫顯示軟件相結合。上海大學在十幾年前就基本上在所有教室配備了多媒體設備，為教師采用多媒體教學奠定了基礎。由于機械設計課程內容廣泛，設計與校核公式多、圖表多、設計計算過程復雜，采用多媒體教學可以明顯提高教學效率[3]，使同學們在短時間內學習更多的設計理論和方法。但是機械設計中的一些零、部件的工作原理、結構分析等方法在多媒體PPT上動態(tài)顯示并不是很方便和理想，因此，許多年之前在申報校級精品課程通過之后，我們就利用教改項目的經費，為機械設計課程配備了一套通用零、部件動態(tài)顯示軟件。在上課的時候，可以配合教學內容穿插播放動畫，在需要的時候也可以播放配音。這樣的教學方式既活躍了上課氣氛，又便于學生理解所學知識。比如，在講到帶傳動時，可以播放帶傳動的預緊力調節(jié)過程，帶傳動的彈性滑動和打滑過程等，使學生對彈性滑動和打滑的區(qū)別一目了然，也加深了學生對彈性滑動與打滑的理解；在講到螺紋連接時，可以播放緊螺栓連接的預緊力和工作載荷的加載過程以及螺栓與被連接件的同步彈性變形過程（被放大顯示）；在講到軸的結構設計的時候，可以播放軸上零件的裝配順序，增強學生在這方面的感性認識。如圖2所示即為軸上零件裝配順序的動畫瞬間截圖。

三、結論

通過機械設計課程的教學內容和教學模式的改革，把教學內容與自學內容、實踐內容、創(chuàng)新項目、產品設計以及動畫顯示軟件等相結合進行教學，在一定程度上提高了學生學習機械設計課程的興趣和主動性，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力、自學能力、團隊協作精神以及綜合運用所學知識解決實際問題的能力，也為后續(xù)的課程設計和畢業(yè)設計打下了良好的基礎。

參考文獻：

[1]濮良貴，陳定國，吳立言.機械設計（第9版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]李惠.《機械設計》課程教學模式改革初探[J].價值工程，2013，（20）：284-285.

[3]朱維兵.機械設計課程教學模式改革探索[J].價值工程，2012，（07）：253-254.