圍繞創新能力培養的機械設計基礎教學改革

黃輝祥 張 敏 鹿新建 李 果 賈文華

（南京工程學院機械工程學院 江蘇·南京 211167）

0 引言

機械設計基礎是高校工科非機械類、近機類本科專業培養學生機械設計能力和創新能力的一門專業技術基礎課，是以機械制圖、理論力學、材料力學和公差與技術測量等課程為先修課程，在學生學習專業課程中具有承上啟下的作用，在學生的知識、能力和素質培養體系中占有十分重要的地位。該課程主要介紹常用機構、通用零件、機械傳動裝置及簡單機械的結構組成、工作原理、特點、設計計算及應用維護等內容。在培養應用型工程技術人才的培養體系中，本課程能增強解決機械技術問題的能力，為后續專業課以及今后從事機械方面的設計、制造及研發工作奠定重要基礎。

傳統的機械設計基礎教學是以教師課堂講授為主，少量的實驗教學和題目單一的課程設計實踐教學為輔，這種教學模式難以激發學生的學習興趣，不利于學生創新思維和實踐能力的培養。在當今以創新為主旋律的時代背景下，機械設計基礎課程的教學需要繼續深化改革，在注重對學生創新能力的培養的同時，還要注重學生的工程實踐性，將兩者結合起來，使學生成為全面發展的應用型人才。因此，有必要對機械設計基礎課程教學改革進行探討。

1 教學內容體系的改革

1.1 優化教學內容、突出重點

機械設計基礎課程包含機械設計和機械原理這兩門課程的內容，是精簡的少學時課程。該課程具有涉及面廣、概念多、知識點分散、各章節獨立性強和邏輯性差、綜合性和實踐性強等特點，為學生學習該課程帶來一定的難度。因此，在教學內容上要突出重點和難點，遵循“三個簡化三個強調”，即：簡化公式推導，強調公式應用；簡化機理分析，強調參數選擇（設計）；簡化參數計算，強調結構設計。比如在講解齒輪的齒面接觸疲勞應力公式時，簡要介紹該公式是怎樣由赫茲接觸理論推導而來的，讓學生知其所以然，以便于理解公式及其參數的選擇。

1.2 精心設計教學內容

在教學過程中，應注重理論基礎知識與工程實際應用相融合，在教學內容上多結合工程實例進行講授，可以選擇具有動畫演示的二維碼掃描的教材，特別是在講解平面連桿機構內容時，諸多類型的機構配合動畫會能起到復雜問題簡單化的效果。在實例的選擇上多選擇學生比較感興趣的典型例子，比如在講差動輪系以及輪系的運動合成與分解內容時，以汽車的差速器為例可以使學生從枯燥的理論中回到豐富的生活中，也可以適當播放講解差速器工作原理的視頻，更能引人入勝，這樣既活躍了課堂氛圍又易于理解。此外，盡量選用日常生活中常見的實例進行講解，容易引發學生去主動思考問題，例如在講授軸根據受載荷情況分類時，以學生較為熟悉的自行車為例，引導學生判斷自行車的前軸、中軸和后軸三個軸各屬于何種類型。

對于重要知識點可以從不同角度進行講解，比如在講授直齒圓柱齒輪漸開線的形成時，可從發生線在基圓上做純滾動而形成的角度，也可將纏繞在基圓上的繩子切于基圓進行展開來考慮，將它們結合起來進行講解，這樣學生對漸開線的形成及其特性就很容易融會貫通。

2 教學方法的改革

2.1 科研促進教學

高校教師在承擔教學任務的同時，還兼顧著科研工作。教師將科研工作與課堂教學內容結合起來，以科研來促進教學，會取得較好的教學效果。科研是教學的“源頭活水”，將科研成果融入于教學中，教學更容易做到“深入淺出”，也能使學生理論聯系實際，有助于學生對課程相關知識的學習和理解，并且擴展了知識面。筆者在攻讀博士期間設計發明了“一種可分離的往復式扳手”，該設計是利用棘輪機構實現扳手的往復運動，同時將扳手夾體設計為類“手銬”式的可分離結構，能夠方便解決不便于從物體兩端套入扳手的問題，例如輸油管道或燃氣管道接口處法蘭。在講解機械設計基礎課程棘輪機構的時，將該發明的設計思想及原理引入到教學中，易于啟發學生的想象力，能夠吸引學生的興趣，大幅度提高課堂的教學效果。

2.2 突出以學生為主體，教師為主導的積極作用

機械設計基礎課程具有較強的理論性和抽象性，可以采用案例法教學模式，教師提前做好充分的準備，根據課程知識點和原理預設案例和問題場景，引導學生進行分組討論，從而提高學生探索新知識的興趣，促進學生進行自主學習和思考，教師針對學生的設計方案的可行性進行指導并綜合評定。在講解軸的結構設計時，可以根據學生的專業背景來選擇工程實際機器的軸作為案例來討論，教師提前準備好能演示軸上零件安裝過程的三維動畫，使學生對軸系結構有比較清晰的認識，從而提高學生學習的積極性和主動性。

3 教學手段改革

機械設計基礎課程的實踐性較強，傳統的教學手段難以解決課時少與內容多等問題。隨著現代信息技術的發展和多媒體技術的廣泛應用，以網絡信息化技術為紐帶的新媒體教學已在逐步成為機械設計基礎課程重要的輔助教學手段。將傳統的教學手段與信息多媒體技術相結合，同時將信息技術手段作為模擬教學、案例教學等輔助手段，可以容易達到課堂理論學習和實踐學習的充分結合，這點在我們講述機械設計課程中較為抽象的內容時尤為重要。同時，通過機械設計基礎課程相關前沿知識的資源網絡共享，拓寬學生的知識范圍和視野。現場教學和網絡教學相結合可以提高學生自主學習的主動性和積極性，教師在課堂上可以通過網絡教學軟件設置某些題目或者問題的搶答環節，給學生留有表現的機會。鼓勵學生通過網絡教學平臺（如中國大學MOOC、學習通等）進行作業和討論的互評、互改及相互交流。翻轉課堂、慕課以及微課三種教學手段的有機結合更有利于培養學生的創新思維和能力。

4 實踐教學改革

課程設計是與機械設計基礎課程相配合的必不可少的實踐性教學環節，是培養學生工程實踐能力和創新能力的重要途徑，是該課程和機械制圖、工程力學、互換性與技術測量等先修課程所掌握的基礎理論知識、基本技能的綜合應用。傳統的機械設計基礎課程設計是二級減速器為設計對象，具有設計題目單一、設計內容不足、設計方法和手段落后等缺點，不利于學生創新能力的培養。為開拓學生思維，課程設計題目和設計內容應體現多樣化和新穎性，可以選擇貼近工程實踐的科研項目、大學生創新設計大賽的作品或者典型有創意的結構設計類專利作為課程設計的內容和題目。將計算機繪圖引入課程設計的教學中，特別是三維 CAD軟件如 Solidworks、UG等，可以調動學生的課程設計的積極性，激發學習的興趣。此外，還可以引入現代設計方法中的有限元方法、虛擬樣機技術等到課程設計中去，全面提高學生的綜合應用和創新能力。

5 結語

應用型人才創新能力的培養是目前機械設計基礎課程教學改革的重要內容之一。在課程教學過程中，結合現代信息技術，通過精心設計和優化教學內容、完善教學方法和提高教學手段等對機械設計基礎課程教學進行改革探索，實現學生的創新能力的培養和發展。