新工科背景下本科畢業設計的思考與探索

吳峰，康國祥，宋年秀

摘要：文章分析了當前工科院校畢業設計存在的問題，以畢業設計為切入點，在新工科背景下，對工科本科生的課程體系建設、理論知識和工程實際的結合、如何提升工科學生科研素養及綜合競爭力等方面做了深入的思考和有益的探索。

關鍵詞：新工科;畢業設計;課程體系;科研素養

中圖分類號：G642.477 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）01-0332-03

一、引言

為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”。共識認為，高等教育發展水平是一個國家發展水平和發展潛力的重要標志。當前世界范圍內新一輪科技革命和產業變革加速進行，我國經濟發展進入新常態，高等教育步入新階段。為適應經濟與科技的快速發展，迫切需要培養大批科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的新興工程科技人才。畢業設計作為高校人才培養的重要實踐教學環節之一，對培養高素質工科應用型人才起到非常重要的作用。在人才培養具有更強的動手實踐能力、工程能力和創新能力的要求下，對工科畢業設計提出了更高的要求。提高畢業設計質量，已經成了工科教育必須面對和亟待解決的重大課題。[1]

二、當前畢業設計存在的問題

本科畢業設計是本科教學過程的最后一個環節，通過該環節的訓練，應使學生綜合應用所學的專業理論知識和技能，進行全面、系統、嚴格的技術及基本能力的練習，對培養學生的創新思維，提高綜合素質教育有重要作用，這是高等工程教育教學改革的重點和難點之一。[2]近年來，由于高校招生人數的擴大、師生比下降、各種軟硬件水平跟不上等因素，工科畢業設計水平存在不同程度的下降，表現如下。

1.選題不合理。有些畢業設計指導教師根據自己的科研項目或科研方向選題，沒有從學生的專業特點、知識結構、興趣愛好和特長考慮。

2.畢業設計論文化。選題往往偏大，內容易于空洞，文字敘述太多。

3.畢業設計過分依賴應用軟件。精通一個專業軟件固然不錯，但不能系統復習所學課程體系。

4.基礎理論和專業知識脫節。

三、實踐與思考

筆者在青島理工大學機械與汽車工程學院交通運輸工程專業從事教學和科研工作，該專業立足于汽車運用的傳統優勢，依托學校機械工程、管理工程等優勢學科以及新興的交通運輸工程學科，使學生系統掌握機車構造、檢測、維修以及客貨運輸組織的知識和技能，形成“工管交叉、軟硬結合”的專業特色。該專業學生前兩年所學的通識課程、學科基礎與專業基礎課程和本學院機械專業的學生共用一個教學平臺，學生花費了大量時間學習了大量的機械、力學、電子、計算機編程的課程，具備了扎實的基礎理論知識。據筆者觀察，進入三、四年級后，隨著專業課的開設，專業課和基礎課銜接不夠緊密，甚至出現了脫節的現象。基礎課教師與專業課教師之間缺乏有效溝通，任課教師主要將精力放在自己所教的課程的內容上，而沒有更多地考慮所上課程在整個教學體系中的地位和作用，也沒有及時向學生說明該課程在整個教學系統中的地位和作用。結果就是學生學習的主要目的是為了應付考試，學習了很多課程，但不知道這些課程之間的內在聯系。

為了解決上述問題，筆者試圖通過畢業設計這個教學實踐環節，選擇合適的題目，讓學生通過畢業設計系統復習、總結所學的主要課程內容，結合工程實際，提升解決問題的科研素養。

凸輪挺桿機構是車輛內燃機的重要機構之一，凸輪挺桿副的失效形式主要是點蝕、膠合和磨損，所有這些失效形式都與該運動副的潤滑狀態有關，所以研究凸輪挺桿副的動壓潤滑機理，對于合理設計凸輪挺桿機構、降低機構因摩擦等原因而失效有重要的理論意義。凸輪挺桿副由于其惡劣的工作條件，接觸載荷、卷吸速度及接觸表面曲率半徑都隨時間做劇烈的變化，故其在工作中處于非穩態彈流潤滑狀態，能形成彈流潤滑。[3]鑒于交通運輸專業大四學生所學課程的實際情況，在畢業設計的選題時，對實際的凸輪挺副結構和工況做了簡化，將其簡化為偏心輪機構，潤滑液為牛頓液體，研究其在某一瞬時的等溫動壓潤滑。

如圖1所示的凸輪偏心輪運動副，為了研究運動副之間的潤滑特性，需要對機構進行運動學分析和動力學分析。首先建立動、靜兩套坐標系統：研究潤滑使用的動坐標系xoz以及確定偏心輪位置的靜坐標系x′o■y′。

為了得到潤滑模型直觀的等價模型，先對機構進行運動學分析。令動系原點在靜系中的位置為x′■，y′■，由圖1可得x′■=-esinφy′■=R-ecosφ

則動系原點在靜系中的速度為

u■=■′■=-eωcosωtv■=■′■=eωsinωt

偏心輪a上與o點重合點記為o■，其絕對水平速度分量和垂直分量易得u■=ω（R-ecosωt）v■=eωsinωt

挺桿b上與o點重合的點記為o■，其水平速度分量為0，垂直速度分量由瞬心法得到v■=eωsinωt。

綜合上述各式，利用理論力學中的絕對運動、相對運動和牽連運動的關系，可得出動系中兩表面的速度為

u■=u■-u■=ω（R-eωcosωt）+eωcosωt=Rωu■=u■-u■=0+eωcosωt=eωcosωt

v■=v■-v■=eωsinωt-eωsinωt=0v■=v■-v■=eωsinωt-eωsinωt=0

于是，從潤滑角度來看，圖1等價于圖2。

挺桿的行程為s=（R-ecosφ）-（R-e）=e（1-cosφ）=e（1-cosωt），然后對偏心輪機構進行動力學分析，在偏心輪運動過程的任意瞬時，偏心輪挺桿副間的作用力由彈簧力p■和慣性力p■組成。設初始載荷為w■，彈簧剛度為k■，偏心輪寬度為L，則彈簧力為p■=w■·L+k■·s。

設彈簧質量為m■，挺桿質量為m■，其他關聯件質量為m■，那么慣性力為p■=（■+m■+m■）■，于是沿接觸線方向單位長度上的載荷為w■=■+■=w■+■+（■+m■+m■）/L

從數學上來講，彈流潤滑理論研究的是一個非線性系統，需要聯合求解雷諾方程、彈性變形方程、載荷方程、粘壓方程和密壓方程。求出運動副之間油膜的壓力分布和油膜厚度分布，用以指導機構設計，使其運動時可以有效地形成彈性流體動壓潤滑。

雷諾方程為■■■=12u■

油膜厚度方程為hx=h■+■-■■px′ln（x-x′）■dx′

粘壓方程、密壓方程、載荷方程及各變量含義參見文獻[4]。

難點是求解雷諾方程，它是一個二階微分方程，首先引導學生如何解微分方程，這就自然聯想到高數中的微分方程的解法，然而在實際工程中，只有極少數的微分方程有精確解，絕大多數的微分方程無法獲得精確解，因此只能訴諸數值方法，借助于計算機編程，求出滿足一定精度的近似解。首先把求解域剖分，形成0，1，2，…，n等節點，用有限差分法把雷諾方程離散化，在每個節點上可以建立一個有相鄰節點壓力構成的線性方程，那么所有節點上的壓力方程就可以構成一個線性方程組，這樣問題就轉化為如何求解線性方程組，就把抽象的理論問題轉化為工程實際問題了。

把雷諾方程變形為■ε■=12u■，用中心差分離散方程左端項，用向后差分離散右端項，得到■ε■p■-ε■+ε■？搖p■+ε■p■=

■（ρ■h■-ρ■h■），（i=1，2，…，n-1）。

求解方程組有直接求解和迭代求解等方法。鑒于本科生的實際情況，畢業設計中讓學生在劃分求解域時取數量較少的節點，使用直接求解代數方程組，把所求結果經過松弛迭代若干次，當結果滿足一定的收斂判據時，即可作為可以接受的近似解。通過這種方法，求出每個節點上的壓力和油膜厚度，然后借助于專業繪圖軟件Origin，繪制出壓力和油膜厚度曲線，為后續理論分析提供依據。

通過此次畢業設計，把大學四年所學的高等數學、線性代數、理論力學、材料力學、計算機程序設計、機械設計、汽車構造等基礎課、專業基礎課和專業課有機聯系起來，使學生在完成畢業設計的過程中，重新梳理了所學的課程體系，深入理解了課程之間的前后關聯和相互關系。

四、結語

根據學生所學專業的實際情況，合理選定畢業設計題目，使學生通過畢業設計，系統復習了公共基礎課、專業基礎和專業課的相關內容，加深了學生對整個專業課程體系的認識與理解，明白了課程之間的關系，初步學到了解決工程實際問題的思路和方法，培養了基本的科學研究素養，為以后從事科研工作打下了一定的基礎。通過這種系統的訓練，激發了學生的學習興趣，提升了學生的專業綜合素養，增強了學生在新工科背景下的競爭能力。

參考文獻：

[1]王武.工科畢業設計問題及路徑選擇[J].湖北第二師范學院學報，2018，35（2）：97-100.

[2]馮志焱，等.在畢業設計環節培養工科學生創新能力的思考與實踐[J].榆林學院學報，2017，27（4）：106-108.

[3]楊沛然.流體潤滑數值分析[M].國防工業出版社，1998.

[4]王靜.偏心輪機構的熱彈流潤滑及任意卷吸速度方向的橢圓接觸表面凹陷現象研究[D].青島建筑工程學院，2001.

Thoughts and Researches on the Design of Undergraduate Graduation Projects under the Background of Emerging Engineering Education

—Taking Transportation Major of Qingdao University of Technology as an Example

WU Feng，KANG Guo-xiang，SONG Nian-xiu

（School of Mechanical and Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，

Qingdao，Shandong 266520， China）

Abstract：Starting from deep analysis of some existing problems found in the Undergraduate Graduation Projects area，the author did extensive researches and shared many valuable insights on areas including curriculum configuration for undergraduate in the engineering schools，integration of theory learned in classes and engineering in reality，and ways to improve both the research and overall capabilities of students graduated under the background of Emerging Engineering Education.

Key words：Emerging Engineering Education;graduation project design;curriculum configuration;research capability