面向創新社會的精密機械設計基礎實踐課程改革

陳小強

摘要：我國把建設創新型國家作為面向未來的重大戰略選擇，以創造為基本特征的工程技術和以培養工程師為基本目標的工程教育成為實現這一戰略目標的先鋒。精密機械設計課程改革要圍繞測控儀器特點，緊扣工程實踐，以具有現代設計特征的設計題目改革為基礎，通過設計牽引、自主學習為主線，注重現代信息技術的應用，注重工程實踐能力與再學習能力，強調設計規律的學習與能力素質的培養，強調學習實踐與工程實踐的結合，并利用VR技術提高學生的學習興趣與設計能力，輔之課程實踐組織形式和成績評定方法的改革，促進學生全面發展。

關鍵詞：創新;設計題目改革;設計實踐牽引;全面能力與素質培養

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）52-0103-02

我國把建設創新型國家作為面向未來的重大戰略選擇，以創造為基本特征的工程技術和以培養工程師為基本目標的工程教育理應成為實現這一戰略目標的先鋒[1]。然而，我國大學教育普遍存在課程目標脫離工業需要、課程內容偏離工程實踐、學生學習游離中心地位[2]的情況，迫切需要改革，以適應國家轉型升級的戰略需要。

一、精密機械設計課程改革的必要性

（一）精密機械在現代測控技術及儀器中具有重要作用

測控儀器作為信息獲取、變送、傳輸、處理和控制的光機電一體化裝置，精密機械裝置與結構仍是測控儀器的基礎。精密機械也廣泛地應用于國民經濟和各種科學儀器、精密機床、醫療設備、機器人及伺服系統等。因此精密機械系統與結構的質量直接影響其性能指標、工作可靠性和穩定性。精密機械質量與測控儀器的總體性能、質量息息相關。

（二）設計題目專業特色不突出，學習積極性不高，實踐過程流于形式

以學生為中心，通過學生的設計實踐，將前修課程知識綜合運用于設計計算、結構設計、繪圖，完成設計題目，是學生學習機械設計方法與一般規律、提高能力與素質以及獨立工作能力與思維眼界的重要教學活動。但減速器設計題目已用多年，設計資料與專業背景和專業綜合設計脫節，學生學習興趣不高，流程學習、迭代設計流于形式，學習收獲不多。

（三）不注重現代信息技術的應用，機械照搬設計過程，缺乏工程實踐能力與再學習能力

課程要求學生2周內完成減速器總體、電動機、傳動、零件的設計與計算并畫圖。然而，學生往往選取相似案例參數，按有效功率P解決零件的強度設計問題，脫離工程實踐。同時，結構設計內容盲目地抄圖冊，缺乏對零件的理解和認識，忽略零件的細節設計，忽略海量的信息資源對學生模仿、啟迪與提高的促進作用。雖然學生完成了課程設計，但仍達不到掌握機械設計一般步驟和方法的初衷，這嚴重影響課程設計的質量和效果，限制了學生的創造力。

二、調整設計題目，切實實現設計規律的學習與能力素質的培養

在測控系統中，精密機械作為各部分協調的集成系統，從功能上分，一類是結構設計，另一類是運動裝置的設計，因此把二維高精度機械滑臺作為學生課程設計題目，涵蓋精密機械設計教程的傳動、導軌、支撐及有關結構設計，也包括教程沒有而工程實踐中必須掌握的原理、運動、動力學及步進電機的設計。其設計實現過程需要不斷迭代才能最終得出正確的結果，因此題目更符合工程實踐規律，與測控專業更適應。

（一）以任務為牽引，強調學生自主學習，突出能力培養

通過課程實踐，學生能樹立正確的設計思想，培養綜合運用精密機械課程及其他先修課程理論與工程實際知識，以及分析、比較、選擇機械裝置的能力，借此獲得相應的思維方式，使學生具有專業知識的再學習能力與創新能力。這一直是大家思考的問題，也是不斷進行教學方案與方法改進的動力。為此，調整設計題目，改變課程模式，將原課程傳統的經驗性手工設計，學生照搬指導書、教師講解，學生機械模仿設計實踐，改為由任務書提出要求，學生由任務牽引，在必要的資料輔助下，教師給予必要的節點啟發式指導，由學生自我規劃任務計劃，完成資料的收集、學習、分析、比較，完成計算、結構設計與工程圖繪制，完成速度、精度校核，達成任務書要求，由此獲得能力提高。

（二）系統設計思想、現代設計軟件的應用，縮短學習實踐與工程實踐的距離

對于設計響應速度快、運動速度與定位精度要求高的精密數控滑臺，沿用傳統設計方法，按靜剛度、強度設計傳動及元件，不能保證系統的動態精度與強度問題，也很難真正實現正確的迭代設計[3]。為此，我們要求學生首先研究運動與精度、響應速度、行程、荷載的關系，分析裝置的運動、慣性、控制、傳動、步距角與轉矩的誤差，啟發學生以精度為切入點進行精度設計，然后進行電機、傳動、支撐設計計算及直線運動導軌、工作臺、底座、行程控制設計;強調利用網絡技術，收集現代零部組件資料，并通過這些資料的學習、分析、比較用于設計實踐;要求用SLIDWORK完成裝配體建模與工程圖，Simulation和Motion完成關鍵零部件的應力、變形分析及裝置的運動檢測，學習通過裝配模型運動仿真與動力學仿真實現迭代設計。

（三）開發二維機械滑臺Unity課件，提高學生學習興趣與設計能力

近年來，VR在虛擬教學中得到廣泛運用，其完美的光影效果生動表現教學概念與體現建構主義思想。這些優點促使我們開發了基于Unity平臺的二維機械滑臺VR課件，并將其應用在課程中。課件為學生設置情境，以學生為中心，生動逼真表現滑臺各零部組件的裝配關系、結構特點、傳動剛度、加速度與荷載、阻尼振動與精度應力與應變等理論問題和結構問題，學生通過學習體驗獲得滑臺知識。

三、改革課程實踐組織形式，完善成績評定方法，促進學生全面發展

原由一人完成的設計，我們調整為3名學生組成小組來承擔，同時增加有限元分析與動力學仿真。小組須有任務分工、計劃工作節點、交互原則安排，工作才能進行。成績分為優、良、中、及格與不及格，由成果質量、答辯成績、平時成績（設計紀律、工作態度、團隊合作精神）三項共同構成。其中，成績主要考查計算與結構設計、圖面表達與規范標準的運用、說明書的質量;平時成績強調學習態度，鼓勵嚴謹、踏實、敢于創新、團結協作，強調學生實是求實的自我評價與小組成員的互評。總之，將成績評定作為促進學生全面發展的重要手段。

四、結束語

我國把建設創新型國家作為面向未來的重大戰略選擇。課程改革必須適應創新社會人才培養的需要，通過具有適應測控儀器精密機械專業需求和現代設計特點的設計題目改革，以學生為中心，由任務牽引，基于系統設計思想、現代設計軟件與信息技術的學習應用，縮短學習實踐與工程實踐的距離，注重工程實踐能力與再學習能力的學習，強調設計規律的學習與能力素質的培養，強調學習實踐與工程實踐的結合，并利用VR技術提高學生學習興趣與設計能力，輔之課程實踐組織形式和成績評定方法的改革，促進學生全面發展。

參考文獻：

[1]崔軍.回歸工程實踐：我國高等工程教育課程改革研究[D].南京大學，2011.11

[2]陸小華.工程創新能力的認識和培養方法[J].高等工程教育研究，2008，（2）：14-18.

[3]Robert.Norton.Machine Design[M].US：Pearson Education Asia Ltd.2016（v）.