機械原理課程設計教學改革綜述及探討

安軍 汪建曉 陳就 范勁松

摘? 要：在分析研究國內機械原理課程設計教學現狀的基礎上，結合本校的實際教學，對現有教學方式及存在的設計題目類型單一、手段落后、周期短時間緊、模仿設計以及缺乏團隊合作等問題進行了分析討論，歸納了主要的教學改革方法和內容。文章最后從師資隊伍要求和學生成績評定兩個方面對教學改革工作做了進一步分析和探討。

關鍵詞：機械原理;課程設計;教學改革;綜述

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）30-0134-04

Abstract： Based on the analyzing and studying of the teaching status about the Mechanical Principles course design in China， combined with the actual teaching program of our university， this article analyzes and discusses the present teaching methods and the existing problems， such as less types of design topic， backward methods， short time cycle， imitation design and lack of teamwork. The main methods of teaching reform and contents are summarized. At the end of the article， the teaching reform is further analyzed and discussed from either the requirements to teacher and evaluation of student performance.

Keywords： Mechanical Principles; course design; reform in education; summary

一、概述

機械原理課程設計是高等院校機械類及近機類專業的一個重要教學實踐環節，是學生第一次較全面機械設計方面的初步訓練，為學生從事機械產品的開發和創新設計打下必要的基礎。其核心是對機器的機械系統方案和機構方案進行設計，直接決定機械系統設計的質量，是機械設計中最具有創新力的地方[1-2]。本課程設計的內容主要包括兩個部分：第一部分為機械系統的運動方案設計，要求學生對常用機構進行組合或創新設計，實現簡單機械系統的功能需求;第二部分為機構尺度綜合，對機械系統中指定機構進行運動分析和動態靜力分析[3-4]。

在大量查閱國內公開發表的機械原理課程設計教學改革論文的基礎上，對現有的教學方法及改革成果進行了匯總，對其中比較有代表性的成果進行了梳理、歸納和探討，拋磚引玉，為大家開展相關教學改革提供有益的參考和借鑒，以期達到提高教學質量、更好地培養適應新時代國家和社會發展需求的創新型工程人才的目標。

二、國內現狀及存在的不足

（一）現狀

從現有的國內資料和我校現狀來看，機械原理課程設計的時長一般為1-2周，大多安排在機械原理理論課程教學的學期末集中進行。傳統的教學方式主要為：在課程設計開始時，教師對設計內容進行集中講解，布置設計任務及要求，下達設計任務書;學生參照指導書進行機構組合，擬定運動循環圖，按照要求進行相關的設計計算;利用解析法對機構進行運動分析及尺寸設計，并利用計算機編程得到運動分析結果;最后畫出功能系統圖和機構運動簡圖、并利用圖解法對一些構件如凸輪等進行設計;簡單答辯后上交設計資料，教師評分。在整個實踐環節實施過程中，教師主要負責解答學生遇到的一些問題和督促檢查學生的設計進度，學生按步驟和程序進行設計。這種傳統的人才培養模式，在歷史上曾發揮過重要作用[5]，但隨著產業的轉型升級和對創新型工程人才需求的提升，已不能適應社會的需求。

（二）存在的不足

1. 設計題目類型單一陳舊

教師根據指導書指定設計題目，多為一些加工型機械或者機床類設備的主傳動機構[3-4]，多數情況下一個班甚至全年級共用幾個題目，同一個題目之間只是設計參數略有不同。傳統的題目主要有：牛頭刨床[6]、平板印刷機和壓力機等，上述題目有部分和學生實際生活完全脫節[3]、有部分是已淘汰或即將被淘汰的機械，題目類型單一陳舊[1-5，7-11]，學生創新性設計的空間較少，積極性不強[2，9]。由于設計題目比較成熟[3-4]，多年不變[12]，在學生之間甚至網絡上都有很多現成的資料可供參考，不可避免出現雷同或抄襲現象[6-7，13]。其設計思路和模式比較程式化，僅通過對指導書翻書查表[3-4]，按部就班地就可以完成設計任務。

2. 設計手段落后，缺乏設計驗證環節

對于機構運動尺寸確定、機構運動分析及動力分析等方面的設計，學生仍然采用圖解法或解析法[3-5，9-10，13-15]。為了避免抄襲，大多仍用手工繪圖和手寫設計說明書的形式，設計手段落后[8，11，14-15]。圖解法精度太低已不能滿足現代機械設計要求[14]，解析法對學生的理論分析要求比較高，并需要借助計算機編程進行分析[14，16]，手工繪圖和理論推導花費學生大量的時間和精力，關鍵還缺少最重要的環節——利用現代設計手段對設計方案進行可行性驗證和分析[9]，造成學生對設計質量好壞沒有清晰、定量的標準，不利于培養學生全局觀和整體意識。

3. 模仿設計/參考設計，不利于培養學生的創新能力

本實踐環節的核心是機械系統方案和機構方案設計，由于已有現成的教師或者指導書推薦的機構形式及其組合，學生所需做的工作就是按照自己的參數進行簡單修改，屬于一種系統方案和機構方案已定的模仿設計[4，8]或參考設計[2]。在整個設計過程中，受已有設計方案潛移默化地影響，思維模式被固化，很難鍛煉學生的系統設計能力和創新設計能力。

4. 設計周期短時間緊，學生沒有足夠的時間反復思考完成設計

創造性設計工作是一項艱苦的腦力勞動過程，不可能一蹴而就，需不斷地反復思考修改[2]。所以設計需要足夠多的時間去查資料、構思及修改，反復應用理論知識以及現代設計手段進行設計、評價和驗證。而課程設計工作集中安排在1-2周內完成，要在這么短的時間段內完成各項設計任務本來就非常困難[3-4，7，10，13，17]，有時學生還需要準備課程的復習考試，因此他們不可避免會壓縮最重要也是最具創新性的方案構思和機構選型等方面的定性分析工作，使課程設計內容明顯縮水[3，7]。

5. 單打獨斗為主，缺乏團隊協作精神

在國內現有的教育教學模式下，在大學四年里，許多高校學生不管是完成課程作業還是做課程設計、畢業設計，幾乎都是單打獨斗，普遍缺乏團隊協作、溝通交流能力方面的有效培養和訓練[5]。

三、教改措施和方法

許多學校根據生源的具體情況和自身教學的實際要求，提出了許多各具特色的教學改革方案，通過對現有的文獻進行梳理和歸納，教學改革的內容主要有：

（一）改革設計題目

設計題目改革的常見方式有：1. 沿用原來的教學思路，改革力度相對較小，主要通過對傳統的題目提出更高設計要求[5，18]，提出一些新的題目以增加題目的類型和數量[2，5-6，8，11-12，17]，按專業方向進行選題[1，4]等方式對題目進行改革;2. 完全改變原有的教學思路，改革力度相對較大，將題目分為創新型題目和傳統型題目[17] （自主選題和指定題目[3，13，19]），學生可以根據自身實際情況在以下幾個方面[1，5，7-8，12，17，20]自由選題：指導書中的傳統型題目、教師科研項目、機械創新設計大賽題目、創新創業項目以及挑戰杯的擬參賽題目等。上述兩種方式都在不同程度上給予學生自由選擇的權力和創新設計空間，有利于將模仿型設計轉變為創新思考型設計，提高教學質量和學生設計積極性。

（二）延長或者分散設計時間

通過延長或者分散課程設計時間的方式對設計時間進行了調整，讓學生有比較充分的思考和設計時間，有利于學生設計創新。具體來說主要有以下幾種方式：1. 提前幾周布置題目[11，17-18];2. 采用先分散后集中的方式，將設計分散到機械原理課程教學的整個學期，最后才在設計周集中進行[3，5-6，10，14，19]，并適當調整機械原理理論課的教學安排，以適應課程設計進度的要求;3. 提出將機械原理、機械設計及其兩個課程設計綜合到一起考慮，或者把兩個課程設計有機整合在一起進行教學[11，16，19-20]，以便將機械的原理方案設計與執行機構、傳動機構的設計有機結合，將機構的運動設計和結構設計有機結合，加深學生對機械整機系統設計的認識，提升學生設計的全局觀和整體意識。

（三）設計手段的改革和提升

引入現代的設計手段和方法，提高設計效率，通過對設計進行不同程度的仿真和驗證，培養學生的設計全局觀和對設計質量的基本定性分析。主要方法有：1. 采用SolidWorks、UG和PRO/E等設計軟件，構建機構的三維模型，并通過動態仿真[1，10，16-17，20]完成設計分析驗證;2. 利用ADMAS或者ANSYS等分析軟件進行機構的動力學或有限元分析[3-5，8，14-15，18]，完成設計分析驗證;3. 利用VB、C/C++、MATLAB等編程實現機構的動力學分析[1，6，10，20]。

（四）分組形式及考核方式的改革

為培養學生團隊協作、溝通交流的能力及相關的工程素養[5，12]，按照自愿和適當調配的原則對學生進行設計分組。總的來說，在分組上每個學校都各有其特點[4-5，7，10，12-13，18-20]，一般3-5人一組為宜，創新型題目推薦強強聯合的自由組合，傳統型題目可采用教師分組或自由組合適當調配，學生還可采用獨自完成的方式。

在成績評定上各具特色[3-4，9-10，19]，在傳統的平時成績+設計成績+答辯成績的基礎上，對成績進行了細化，如選題成績+平時成績+設計成績+答辯成績，特別將平時成績進行了分解如考勤、網上活躍度、方案答辯和軟件應用能力等，有些還采用小組貢獻度的方式對小組成員的成績進行評定。不管采用何種方式，都是期望能公平公正地對成績進行評定，盡力做到在學習態度、創新點、中間過程和最終成果上進行相對全面的考核和評價。

四、對現有教改方式的一些思考

（一）師資隊伍的要求和培養

與傳統的教學方法相比，教學改革對教師提出了更高要求[10，14]，主要包括以下幾個方面：1. 加大了教師的工作量，設計時間的延長，設計題目類型和種類以及設計方案的多樣化等方面都需要指導教師投入更多的時間和精力，一般情況下工作量的考核計算并沒有因此而增加，關鍵問題還在于花費教師很多時間和精力的教學改革對職稱評定不一定有作用;2. 對教師的能力水平提出了更高要求，創新型選題的范圍廣，學生提出的方案變化無常，有效分析及解決各種方案和問題，正確引導學生以達到有效訓練學生的目的，對教師自身的專業理論知識、實際工程經驗及計算機應用能力都提出了挑戰。

國內高校包括我校在內的一些應用型本科院校，年青教師現在的入校門檻基本都要求博士畢業，而大部分年青的博士都是從學校到學校，缺乏在企業工作的實際工程經驗[7]，存在能否保證改革后的課程設計順利完成，是否勝任這些高要求的指導工作等問題。因此對于工科專業來說，需要培養一批具有較強實際工程能力的年青教師隊伍[7]，同時通過工作量考核和職稱評定等一系列措施來保護和激發教師，特別是青年教師教學改革的積極性，這些都對學校的管理層面提出了要求，也是許多高校必須面對和思考的問題。

（二）考核方式的改革

考核方式的改革是課程改革的一個重要組成部分，和課程改革是相輔相成、互相促進的，將直接影響學生的積極性、課程教改質量、創新性以及教改能否繼續開展的一個重要因素，課程設計的考核方式不同于一般的課程考核，人為影響因素較多，更需要公平公正公開，因此更需要制定一個相對完善的考核機制。

在制定考核方式時要考慮的因素比較多，既有宏觀的因素也有微觀的問題，其中還不乏存在矛盾和沖突。如何相對準確地評定學生的工作量和創新點？分組評定時如何按照貢獻率來評定同組同學之間的工作量和成績？創新型題目和傳統型題目之間在成績評定時是否要區別對待？是否需要采用不同的評分標準？平時成績除了集中時的考勤和階段檢查以外，還需要考慮哪些因素？如何評定網絡活躍度？等等都是需要根據各個學校的具體特點，在教學實踐中繼續探索和研究，從而得到一個相對定量化、易操作的評分方式或考核標準。

五、結束語

在目前國內積極開展新工科建設和工程認證的背景下，如何做好工科專業的實踐環節是一個急需探討的問題。機械原理課程設計是一個涉及多方面知識的重要教學實踐環節，在培養學生分析問題和解決問題能力、提高設計創新意識、增強創新設計能力等方面具有重要意義。本文在收集1998年以來國內公開發表的相關教研論文的基礎上，結合本校實際情況，對存在的問題和主要的教學改革方法進行了梳理和總結，對進一步做好教學改革進行了分析和探討，以期達到提高教學質量、培養適應新時代要求的創新型工程人才的目標。

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