基于任務驅動的機械綜合設計能力培養(yǎng)

摘 ?要：隨著科技革命和產業(yè)變革加速，人才競爭日益激烈，作為新工科重要專業(yè)改革項目中的機械類工程人才培養(yǎng)的需求更加迫切。以設計為主線、注重綜合和設計能力培養(yǎng)的機械設計類課程，在構建本科生專業(yè)知識的完整體系結構中占有重要地位。本文在分析機械設計類教學現(xiàn)狀的基礎上，進行基于任務驅動的機械綜合設計能力培養(yǎng)嘗試，從設計任務導向入手，將機械設計理論教學與實踐教學有機融合，在加強基礎設計理論學習的同時緊密結合工程問題的解決需求，在工程設計任務實現(xiàn)的過程中綜合所學理論和技能，開展工程設計能力的培養(yǎng)。結果表明該方法有利于激發(fā)學生的自主學習和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)和提升機械綜合設計能力。

關鍵詞：任務驅動;機械設計;本科教學;工程教育

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標識碼：A

概述

在新一輪科技革命和產業(yè)變革加速、綜合國力競爭愈加激烈的大背景下，人才的作用舉足輕重、競爭日益激烈，要能夠在世界經濟政治復雜的變化中不斷發(fā)展進步，工程教育起著重要的作用。科技和產業(yè)的變革，使得工程教育不僅面臨構建工科人才培養(yǎng)新體系、模式的要求，同時面對需要推出工科人才培養(yǎng)新理念、高質量的挑戰(zhàn)。制造業(yè)作為國民經濟重要的基礎支柱產業(yè)，對產業(yè)人才的需求更為迫切，機械類專業(yè)作為一個涉及面眾多的基礎學科，為機械工程、動力工程、航空航天等提供基礎，被列為新工科19個專業(yè)改革項目中，機械類人才培養(yǎng)對于新工科建設和滿足產業(yè)需求有著非常重要的影響。訓練和培養(yǎng)具備分析、解決工程實際問題能力和創(chuàng)新意識的人才，是機械類工程教育的重要任務。

1.機械設計類課程特點

從產業(yè)市場和機械專業(yè)本科人才能力認證的要求來看，機械類人才培養(yǎng)的重要內容是要培養(yǎng)學生掌握一定的工程專業(yè)知識，能夠針對較為復雜的機械工程問題進行分析研究、方案設計、工程設計，能夠在設計過程中開發(fā)運用現(xiàn)代設計軟件、工具等完成機械系統(tǒng)設計，同時具備一定的創(chuàng)新精神。

機械設計類課程是機械類專業(yè)本科教育中重要的基礎理論教學和實踐教學環(huán)節(jié)，國內工科學校的這類課程基本上是以《機械設計》和《機械設計課程設計》為主。課程的特點是以設計為主線、注重綜合，與實際問題結合緊密，在設計和創(chuàng)新能力培養(yǎng)上具有明顯的優(yōu)勢。在理論課程中系統(tǒng)學習機械零部件設計基礎知識、基礎理論，在實踐環(huán)節(jié)注重綜合知識運用能力和設計技能的培養(yǎng)。

課程理論與實踐結合在提升學生機械設計能力與工程綜合素質，構建其專業(yè)知識的完整體系結構中占有重要地位。對于學生形成正確的設計思想、掌握機械設計方法、培養(yǎng)綜合設計能力起著舉足輕重的作用。如何在打穩(wěn)根基的同時激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，使得創(chuàng)新思維培養(yǎng)和設計能力提升齊頭并進，是機械設計類課程建設和改革的關鍵。

2.任務驅動的機械綜合設計能力培養(yǎng)思路

2.1現(xiàn)狀和問題

傳統(tǒng)的工科本科機械設計類教學過程中，《機械設計》和《機械設計課程設計》是兩門獨立的課程，《機械設計》主要針對設計基本理論和方法進行理論知識教學，重點學習通用機械零部件的基本知識和主要設計方法，《課程設計》進行設計實踐教學，完成中等復雜程度的機械傳動裝置的設計。

目前教學過程中存在的問題主要表現(xiàn)在兩個方面：

1）學生工程意識弱。受以往學習經歷、方法和教育教學理念的影響，近些年來本科學生的工程意識普遍偏弱，對工程問題認識欠缺。絕大部分學生沒有或很少接觸、關注工程設備設施，對生活中常見的機器、設備中的機械系統(tǒng)也了解甚少，工程實際需求和思維方式急需加強引導;

2）兩門課程在內容和方法上相關性高，分別開展教學活動使得學生在兩個階段的學習中存在對學習對象認識不清、方法不能靈活應用，基礎知識不扎實，應用中技術過程和工藝方法不熟悉等問題，影響設計質量和設計能力的培養(yǎng)和提升。這種設置方式主要是基于歷史傳統(tǒng)，相比于歐美的機械工程類專業(yè)，在課程的設置和內容方面，存在著較大的不同。

2.2任務驅動機械設計綜合設計能力培養(yǎng)思路

任務驅動下的機械設計綜合設計能力培養(yǎng)，是以目前機械設計課程和機械設計課程設計為基礎和依托，探索理論與實踐的進一步有機融合的教學方式，在掌握基礎知識的同時，加強綜合運用和設計能力的培養(yǎng)。主要的思路是：

從設計任務導向入手，由任務需求出發(fā)，分析明確設計任務要求，帶著問題開展學習和設計工作;在加強基礎設計理論學習的同時緊密結合工程問題的解決方法的探索，在工程設計任務實現(xiàn)的過程中及時綜合、靈活運用所學理論和技能，完成設計工作;熟悉工程設計各階段的特點，強化工程設計的能力培養(yǎng)。搭建引導、鼓勵、自主進取的教學環(huán)境，使學生能夠掌握設計理論及方法，有效針對工程實踐中所遇到的設計問題進行分析并解決問題，提升學生的創(chuàng)新能力和成就感，有效提升學習效果。

采取的主要技術路線為：

1）選擇工程設計問題，分析確定機械系統(tǒng)設計任務要求;重點引導分析設計對象、應用環(huán)境條件、主要技術指標，從使用者的角度去分析問題，體會需求。

2）分組選擇設計任務要求，進行針對設計任務的方案選擇和設計;從機械系統(tǒng)的基本組成出發(fā)，提出可行性的方案，分析確定。

3）在機械基礎零部件設計理論和方法學習過程中，針對設計系統(tǒng)方案中所確定的主要零部件進行設計和計算，保證可靠的工作能力。

4）應用現(xiàn)代設計工具，進行主要零部件設計;包括非標準件的設計和標準件的選型，設計中應特別注意零部件之間的裝配接口設計和匹配關系。

5）機械系統(tǒng)整體裝配結構設計，裝配過程中出現(xiàn)問題的調整和改進，零部件設計的修改和完善。

6）設計文檔編寫及結果完成。

3.培養(yǎng)實踐示例

設計任務：專用半自動三軸鉆床鉆頭驅動裝置設計

基本任務描述：此裝置為專用半自動鉆床中的鉆頭工作部分。三個鉆頭以相同的切削速度做切削主運動，切削孔位置呈三角形布置，工件幾何尺寸、切削過程中工作載荷、工作條件等詳細設計要求參數見參考文獻[3]（第三部分設計任務七）。因篇幅所限，本文重點給出設計結果，詳細設計過程及計算分析內容略。

4.結論

工程機械類本科人才培養(yǎng)的重要目標之一是要培養(yǎng)能夠針對復雜的機械工程問題進行分析研究、運用基礎知識、設計工具實現(xiàn)工程設計的能力，機械設計類課程是設計能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。從設計任務導向入手，將機械設計理論教學與實踐教學有機融合，在加強基礎設計理論學習的同時緊密結合工程問題的解決，在工程設計任務實現(xiàn)的過程中綜合所學理論和技能，實現(xiàn)工程設計能力的培養(yǎng)。從方案構思、分析計算、設計實現(xiàn)的完整設計過程的學習和工作實踐，有利于學生掌握設計基礎知識、有目的和針對性的進行知識學習和靈活綜合運用，有效的培養(yǎng)和提升機械綜合設計能力。同時針對工程實踐中的設計問題進行分析并解決問題的教學思路，有利于建立創(chuàng)新、引導、鼓勵學生自主進取的教學環(huán)境。

參考文獻

[1] ?國務院.國發(fā)[2015]28號.國務院關于印發(fā)“中國制造2025”的通知[Z].國務院，2015

[2] ?中華人民共和國教育部官方網站.新工科建設復旦共識，教育部，2017.4.11

[3] ?王之櫟、王大康，機械設計綜合課程設計[M]，機械工業(yè)出版社，2007.8

[4] ?朱立達、鞏亞東、于天彪 ，新工科視域下機械類創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索與思考[J]，高教學刊，2020（15），31-36

[5] ?王玲玲、富立、胡曉光、段海濱，工程項目及問題驅動的導航方向實踐課程教學探討[J]，實驗室研究與探索，2018，（6）.153-157

作者簡介：馬綱，北京航空航天大學機械學院機械設計系，副教授。