校級精品課程《機械設計》的實踐教學改革
——以廣東理工學院為例

李 俏 伍先明 王鵬程 黃永程

（廣東理工學院，肇慶 526100）

根據《機械設計》課程的教學要求，在教學對象主要為大專層次學生時，廣東理工學院以培養他們的學習技能為目標，進行了一系列教學探索和改革，且取得了較好的效果。2014年，廣東理工學院開始正式招收本科層次的學生。盡管《機械設計》這一門課程的名稱沒有變，但教學對象和教學內容的廣度、難度及深度均發生明顯變化，本科層次教學的手段不能再用之前專科層次行之有效的教學方法，急需要進行改革。2017年，廣東理工學院工業自動系（以下簡稱“工業自動系”）《機械設計》課程被評為校級精品課程，因此如何抓住此機會，構建工業自動系本科層次的《機械設計》課程教學體系，亟待研究和改革[1]。

精品課程建設要符合當代的教育思想，具有先進的科學性、體現教育教學規律，而且教學技術方法應逐漸現代化，打造具有一流的教學內容體系、一流的教學方法、一流的師資隊伍、一流的實驗室、一流的教學管理模式等特點的示范性課程[2]。工業自動系雖然在專科時就已經開設該課程，可是畢竟教學性質以及教學對象等有所不同，整套教學模式已經不再適用現今本科生的教學。并且《機械設計》屬于大三的專業基礎課，至于本科教學到目前也就開設過一屆，所以在該課程組建的教師隊伍結構的穩定性，教學方法和手段的多樣化、科學化與時代化、教學內容建設的先進性和科學性、教材建設的持續與系列性、相關優質教學資源的網絡共享、課程實習基地的建設、實踐教學等方面，還有非常大的提高空間，急需對其加強建設[3]。本文結合課題組成員的多年課程建設以及教學經驗，并借鑒國內多所高等院校的教學改革成果，基于國家精品課程建設的總體指導思想，針對《機械設計》這門課程實踐教學中的不足，提出了幾項具體的改革措施，并取得了一定的效果。

《機械設計》課程實踐教學主要由實驗教學以及課程設計兩個部分組成，下面針對這兩部分的改革情況談談具體的改革方法。

1 創建機構創新實驗室

實驗室作為培養學生綜合素質和科學思維的重要教學基地，廣東理工學院自從申請本科學士學位后，就大力投入到實驗室的建設當中，尤其是工科實驗室的建設。為順應學科發展以及人才培養目標，工業自動系結合實驗室硬件建設與管理體制改革政策，依據“十三五”教學規劃目標，建設系部的專業基礎課實驗室。工業自動系在建設《機械設計》課程組精品課程時，在原有的實驗設備基礎上，專門建立了機構創新實驗室，如圖1所示。該實驗室主要就是機構創新設計拼裝與仿真實驗臺，在機械類各專業學生學完《機械設計》課程之后，進行機構傳動系統的創新設計能力培養，主要通過機構相互運動來實現創新設計拼裝與仿真。該實驗室包含6組實驗臺，可以實現29種不同類型的機構傳動系統的拼裝以及仿真運動。比如常見的各種類型齒輪傳動及其組合傳動，齒輪-聯軸器、齒輪-萬向節、齒輪-萬向節-蝸桿等組合機械傳動系統，還有一些空間機構如球面槽輪機構、薩勒特（SARRUT）機構、RCCR聯軸器機構、RCRC揉面機構等。學生可以結合說明書組合成現成的29種機構傳動系統，也可以創新設計出新的機械傳動系統，最后可以通過電機實現運動仿真進行檢驗整個機械傳動系統的可靠性、可行性以及是否會發生干涉等。實踐這一年多來，學生參與實驗室實驗的積極性與興趣非常高，實驗室不但受到學生的一致好評，而且促進學生的創新思維以及提高《機械設計》課程教學的質量

圖1 機構創新實驗室

工業自動系結合學生大三上學期學習《機械創新設計》這門課程時的情況，要求每個學生獨立設計并制作出一件機器模型，最后根據學生所制作機器結構的合理性、制作的精良性、運轉的靈活性、外表的美觀性、構思的創新性、答辯的合理性等多方面因素來進行成績評定，給予一定的學分，這不僅能鼓勵學生動手操作，還能培養他們的創新能力。

1.1 實踐教學與課堂內容同步

《機械設計》課程中有幾個重點章節，如齒輪傳動、帶傳動及鏈傳動等都是關于常用傳動系統的設計。在進行理論教學時，教師讓學生按自由組合方式每3～5人組成一個獨立的創新設計小組。該小組的成員可對所學知識進行同步系列實踐訓練，訓練項目包括：機器傳動方案系統的設計、機器虛擬裝配模擬與機器模型制作等。創新設計小組的學生先從單個零件的動畫模型制作入手，然后進行多個相關零件的虛擬裝配模擬，形成完整機器的虛擬裝配樣機，進一步繪制整機圖紙及撰寫設計說明書[4]。這一整套工作下來，學生已經達到了該課程所要求實踐教學任務的目的。

當學生自主的設計工作達到一定難度和深度時，可以申請作為本課程最終的實踐設計環節，這樣就避免了所有的設計題目需要教師來指定，學生可以根據組員的興趣以及認知度選擇與能力相適應的設計題目，同時也少了學生之間互相抄襲的現象。小組成員可以充分地發揮每個人的才能與智慧，成員之間分工合作，能比較優質地完成整個設計任務，同時也充分調動了創新設計小組中成績不太理想的學生的積極性，利于提高他們對機械設計課程的學習興趣。

1.2 結合技能比賽實踐教學改革

《機械設計》課程實踐教學不僅可以在實驗、實訓課上實施，也可以根據一系列的技能大賽、機械設計比賽來實施。近年來，國家級、省級的機械創新設計大賽都要求制作出實物來參賽。工業自動系順應學校鼓勵學生參加技能大賽這一政策，及時給學生宣傳比賽通知以及要求，組織參加比賽。首先整個工作從確定整體的設計方案開始，這一過程是最需要時間與精力的，教師應該從理論知識、創新設計以及經驗設計嚴格認真指導學生合理地確定設計方案。這一階段的任務對學生的觀察能力及創新思維能力要求非常高，指導過程中應加入工程實際提升學生的工程概念，提高設計方案的實際操作性。確認好設計方案后，后面工作就是根據理論知識進行設計計算、在圖紙上繪制工程圖。該步驟涉及《機械設計》課程的主要教學內容，這樣學生不僅可以加深對書本上內容的理解，也得到了一定的實踐訓練。例如，常用齒輪的選用，關于直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪以及錐齒輪等的設計實例，課本上有一整套詳細的流程，如果學生單純地按照書上實例設計齒輪，只會讓很多學生對于一些選擇問題如齒輪材料、齒數、硬度等照搬照抄，沒有實質性地理解設計的核心內容。結合現在大賽的實物設計任務，學生必須根據具體實物的設計要求來展開齒輪設計工作，不能完全參考書上的選擇方案，要查閱一系列資料選擇齒輪的具體材料、類型等。每一步的設計結果都要進行檢驗看是否符合實際結構、裝配是否合理。最后，這些經驗可以幫助學生以后的工作設計。選型完成之后，就是制作機械模型實物環節，這個過程的工作量相比前面工作來說，所花費的時間與精力是最大的，因為涉及模型加工裝配等問題，會出現一些始料不及的問題，甚至全部否定前面的工作，只要有一步不能執行，都要回頭修改圖紙，檢查設計計算說明，過程很難，但是可以提高學生的實踐操作能力，比單純地通過幾周的課程設計效果明顯。整體來講，結合機械創新設計大賽實施實踐教學改革這一方法，學生不再覺得《機械設計》這門課枯燥無味。

2 改革課程設計

機械設計課程設計作為《機械設計》課程是不可或缺的教學實踐環節，基于教學大綱的要求，課程設計安排為3周。工業自動系歷來的設計任務都是設計兩級齒輪減速器，一個班級總共四大種類型題目，每一種所在的設計參數不同。這一設計任務的資料成熟度太高，再加上教材配套的實踐指導書、圖冊等資料較多，導致很多學生只會抄襲，動手全過程設計的學生不多，這一現象就使得課程設計完全偏離原本的目標。

為了改變上述問題，提高課程設計整個教學環節的質量，課程組的教師對該課程設計的內容以及實施過程進行了一定探索性的改革。

2.1 機械設計課程題目多樣化

教師不再安排學生統一的設計題目，讓學生盡可能地設計自己的題目，發揮出學生的創新思維，激發他們的興趣。首先，作為一名理論教師，根據學生在教學過程中提出的問題，給他們提出一定的改進建議或創新思路，選定初步的設計問題草案。同時，為提高學生運用知識解決實際項目的能力，設計的主題應結合工程實踐并具有特色。

2.2 改革設計方法

新增課程設計方法——實驗方法，通過建立三維模型，利用計算機對選定機械傳動系統進行動態演示和仿真模擬，這樣可以培養學生的動手實踐能力和三維空間思維能力。摒棄單純運用手繪進行機械設計，將CAD/CAE技術引入課程設計中，通過虛實結合的方式提升學生運動傳動系統方案的設計能力，加強其對機器的分析和綜合訓練，進而培養學生設計能力和創新能力。

2.3 設計時間合理、開放

課程設計時間不應限制在規定的時間內，并且避免學生都集中在最后一周完成整個設計任務。在研究之初，機械設計課程開始的課程設計也應該從一個選型開始，以便課程設計貫穿整個理論教學過程。設計過程從淺到深逐步涉及每章的具體內容，最后，它被集成到專業工程類型要求的最終綜合設計主題中。

3 結論

通過上述途徑對《機械設計》課程實踐環節進行改革，不僅有利于提高理論課的教學成果，而且增強了學生之間的協作能力、創新能力，提高了其查閱資料能力，增強其對這門課的學習興趣。每個實踐階段都是學生占主導地位，教師起輔助指導作用，明顯地提高了學生學習知識的自覺性，防止學生由于準備時間不夠或者對設計題目不感興趣而一味地抄襲，而且由于時間的自由，學生可以專心做好自己的設計。