機械設計教材建設的思考

余 皡

（機械工業出版社高等教育分社，北京 100037）

一、機械設計課程及教材的歷史回顧和特點

（一）課程的定位

《機械設計》是高校機械類專業學生的一門核心技術基礎課。其內容主要闡述了一般工業生產中普通常見的機器所涉及的相關知識：機器設計的基本原則、設計計算理論、結構要求、材料選擇及普通機器中所應用的幾種關鍵結構的介紹，如連接部分、傳動部分、軸系部分等。其主要目的是培養學生有一定的設計思想，可以通過本門課程的學習提高學生提出問題、分析問題、解決問題的能力。

《機械設計》課程在培養學生工程實踐能力方面有重要作用，本課程學習結束后要求學生掌握機器的設計，包括結構設計及工藝安排、力及應力分析、強度計算、材料選擇及經濟環保諸多方面考慮，該課程的特點有以下幾點：

1.和前期很多課程均有聯系，比如機械制圖：結構的圖形表示；公差與配合：機器設計的精度；機械制造基礎：熱加工及冷加工工藝過程；材料力學：所設計機構的剛度及強度；理論力學：所設計機構的靜力學及動力學。

2.公式多：有理論式、經驗式、半經驗式、定義式。圖表多：結構圖、曲線圖、標準圖、實驗圖等。

3.實踐性強：不僅要理解書面知識，更要將書面知識應用于實踐，即可以獨立根據要求設計出機器。

4.重點多：差若毫厘失之千里，每個構件的微小疏忽都有可能導致整臺機器不能正常工作。

5.結果多樣性：該門課程結束后解決同一問題結論多樣化，在達到要求的前提下，結論只有設計過程更優，沒有對錯。

（二）歷史變化

多年以前機械設計課程被稱為機械零件。為了適應社會發展的需要，同時應對知識爆炸、分工更細的信息時代特點，高等教育開始擴招并從知識教育向能力培養轉變，目前寬口徑教育基本實現。其具體還表現在很多專業課，如鑄、鍛、焊、拖拉機、農機等專業的消失、合并或者轉型，這導致很多行業專業課程消失。很多基礎課程需要承接一定量的專業課知識，比如原來規劃機械制圖要承擔一些互換性（就是公差與配合）的知識，機械零件轉變為機械設計課程承接一部分后期設計類知識。但轉變從教材上來說并不全面，我們目前的機械設計教材基本上與原來的機械零件教材差異不大。

（三）相伴而生的問題

進入新時代，隨著寬口徑、能力培養教育教學改革的不斷深入（cdio、卓越工程師、新工科等），各個學科專業都在壓縮課時，大部分高校的基礎課、專業課的教學壓縮為48～60個課時或者更少，教材內容較多，這將導致很多內容不能詳細講授。《機械設計》課程和很多前期課程聯系較緊密，在學習本門課程時需要大量的前期已修課程知識作為貯備，如果學生對前期所修課程掌握不好，加上本門課本身內容較多將導致學生在學習過程中感覺苦悶，教師在講授過程中也會有很大困難。

《機械設計》課程不同于其他專業課程，該門課程實踐性、創新性很強。目前我國機械設計基礎薄弱，用于本科層次的書籍基本都涵蓋了復雜的理論知識體系，培養目標基本是科研型人才，其在編排過程中就缺少應用型人才的培養案例。因而對學生實踐動手能力的培養有較大的缺陷。在經濟發展過程中科研型人才需求量較小，但需要大量的工程技術人員，在此背景下，學校課堂教學定位的模糊使得學生畢業后面臨較大的就業壓力。而繁雜的理論知識學習使得學生在創新意識、創新能力方面投入不足。

《機械設計》課程的特點導致本門教材學習有一定難度，同時在學習的過程中所涉及的內容較多：如連接部分的螺紋連接、鍵及花鍵連接和鉚接、焊接，傳動部分的帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動等。在前邊的應力分析過程中，問題比較抽象，在后邊具體常見零部件學習過程中有大量圖表和很多公式推導，內容晦澀乏味。在講授過程中，大部分學生不能將前后知識對比、歸納、總結，導致很多學生對整本書的知識缺乏一個完整的認知，即便授課教師反復講，一部分學生還是認為各個章節各自獨立、沒有聯系，不知道為什么學習，從而導致學生對本門課程產生畏懼心理，同時也對學習本門課程失去興趣。

二、機械設計課程和教材的現狀及中外對比

國外主要是歐美的機械設計教材，這幾年均由我社悉數引進。產生比較大影響的主要有西格里版的機械設計、諾頓版的機械設計、德國慕絲版的機械設計，都分別進行了中文翻譯，也被部分院校使用。其用途主要為國際競賽和雙語教學服務，也有國際班教學使用。其體系和國內的機械設計差別不大，差別較大的主要在習題、教材設計和具體講解的詳細程度。下面我們做一個簡單的對比。

（一）結構體系的比較

表1 教材結構體系的比較

比較結果：從結構上來看，國內教材在習題、例題和附錄方面遠遠沒有國外教材的豐富。這種問題產生的主要原因是國內教材受篇幅限制，不可能像國外，特別是不可能像美國教材那樣大篇幅、高容量，短時間內沒有改進的可能。

（二）信息表達形式的比較

表2 信息表達形式的比較

比較結果：國內外的機械設計教材均十分重視圖文并茂。相比較而言，美國大學機械設計教材不僅信息表達方式生動多樣化，符合學生的學習心理規律，而且教材的信息量十分豐富，而國內的教材在信息表達方式和信息量方面均不及美國教材，但比印度教材還是強不少的。

（三）內容的比較

表3 教材內容的比較

比較結果：國外機械設計教材內容較為廣泛，特別是美國教材編寫方式很靈活，除公認知識點外，對計算機、軟件均有介紹，注重學科的前沿性、理論與實際的結合。

我國的機械設計教材基本上按照教學大綱編寫，有固定框架，所以不同學校編著的教材都反映了同一知識系統的邏輯性、學科體系的基本原理，涉及其他的分支學科較少，理論性強，而實踐性弱。并且國內教材的版本更新慢，對計算機設計方面的最新發展涉及少，跟不上科技前沿和世界先進水平。

但這種缺點要想一步改進到位，并不太現實。一是我國大學教育體制問題，國家限定的大綱比較嚴格，輕易改動能否被接受。二是大規模增加章節，也增大了成本。現階段還要一步步嘗試，稍微增加一些相關軟件介紹、計算機應用，輔助學習，可能會取得更好的效果。

（四）課后內容的比較

表4 課后內容的比較

比較結果：國外機械設計教材習題數量多，類型多，內容比較豐富。特別是印度的教材，習題類型豐富：有作圖題、問答綜述題、選擇題，還有填空題。習題的內容貼近工程實際，采用大量生活中常見的零部件，還把習題分為指導行性問題、復習問題、實際練習等。

國內教材習題非常少，僅限于基本的練習，對設計類等鍛煉實際工程思維的大作業題基本沒有，且習題內容較窄，與工程實際貼合不緊密。

這種差距主要由國情所致，國內習慣性地要為教材分配習題集，對教材本身的習題重視度就大打折扣。可能的改進是完全不要習題部分，減少書本的不必要頁數，可能會有更好的效果。

（五）數字資源內容的比較

表5 光盤內容的比較

比較結果：經過近幾年MOOC的發展，機械設計教材在數字資源配套方面，國內與美國都相對領先。這不僅體現在內容完整度上，還體現在質量上。

三、機械設計課程教材的未來

黨的十九大以來，我國正式進入新的發展時期。制造業升級和全面建設創新型國家，本質就是人才的升級和人才培養的創新。因此，如何培養出符合新時代要求的各類人才就成為今后工程教育要承擔的主要責任。工業化的進一步深入發展，對機械工程這個學科提出了更高的要求。智能制造、增材制造、綠色制造、先進設計方法層出不窮。在人才培養上怎么能完成新舊知識的更替，怎么組織整體學科的教學體系，這是一項非常艱巨的任務，不是一門課、兩門課能解決的問題，需要通過所有課程的同步調整來實現。

對于機械設計這門機械工程的主干課程和教材來說，可以改革的地方非常多。國內眾多學者、專家、教授也正在不斷研究、探討和實踐。下面簡單介紹幾個正在嘗試的方向。

（一）課程關聯

目前的機械設計課程及教材，相對來說比較獨立，與機械原理沒有什么聯系，在整體的機械專業核心課之中也沒有相互的刻意關聯。對于日漸復雜的產品設計和工業生產來說，對設計有一個整體的理解和感受，從原理到設計，從需求到產品，從材料到性能，從圖紙到生產工藝。能否有一條主線或多條主線將機械工程專業的核心主干課程貫穿為一體，這是一個很有意義的改革方向，具有極大的教學意義。

（二）加入先進設計方法

目前的機械設計課程及教材，還是停留在代數經驗公式的講解上，我們都知道，實際生產和科研的設計工具已經大大超出這些固定的表格、算式、系數。我們會用有限元來分析強度、振動、熱場和磁場等，也會利用靈巧設計找尋最優的結構組合，利用優化設計方法平衡各種參數的選取，甚至綠色設計理念、成本分析、設計過程的管理等能力也越來越重要。但在我們的機械設計課程及教材中，這些知識很多只字未提，不得不說這是一種遺憾，也是不足。雖然受課時的限制，但我們應該想辦法來教授現代化的機械設計方法，這也是非常迫切的改革需求。

（三）能力培養型課程組織

上面提到，機械設計課程受課時的限制，無法講授無窮無盡的知識，確實如此。隨著我國工程教育進入華盛頓體系，工程教學進入了一個新的階段，面對無窮無盡的知識，我們是否能抽絲剝繭、去粗取精，將機械工程設計人才應該具備的能力進一步細化，按能力需求來進行人才的教育，而不局限于對一個知識點、一個計算公式、一個機械零件的認知。從設計工具、設計語言、設計思維的能力方面全面重新構建機械設計課程教材和機械工程核心課程教材，是一項相當有難度的課題。但我們和機械工程領域內的專家都在努力，專業認證、CDIO、新工科，眾多學者、教授正在努力研究，進行嘗試。

（四）mooc教學

近年來我國mooc的發展非常迅速，目前規模比較大的幾家國內mooc平臺有：愛課程、學堂在線、開課吧、網易云課堂、好大學在線等。利用mooc教學可以更靈活多樣地組織我們的教學活動，mooc教學不用嚴格按照大綱規范系統講授，可以突破教學時間、課時長度、教學手段的束縛，便于教師發揮主觀能力性，大膽嘗試，讓廣大學生來評判。可以說利用好mooc平臺教學，對于教學改革、課程設計是一個很好的試驗場。mooc平臺是機械設計教學改革的很好的平臺。

新時代對機械設計提出了新的挑戰，傳統的機械設計課程及教材應該迎難而上，勇于突破，結合新技術，傳播先進的知識，培養出符合時代要求的各類人才。