新工科背景下工業(yè)設計專業(yè)機械設計基礎課程教學改革探索

◇成都理工大學工程技術學院 徐一心 周洪祥 王振玉 呂中意

為適應新工科背景下應用型人才的培養(yǎng)需求，針對近年來本校工業(yè)設計專業(yè)機械設計基礎課程的教學過程中突顯出的各種問題，進行了分析和總結。從我校工業(yè)設計專業(yè)學生的學習特點和傳統(tǒng)機械設計基礎教學方法弊端入手，提出了激發(fā)學生學習積極性、提高綜合運用知識能力、增強創(chuàng)新設計能力的教學方案和教學手段。以提升本課程在工業(yè)設計專業(yè)學生后續(xù)專業(yè)課程學習中的前導作用，培養(yǎng)新工科背景下具備更強就業(yè)競爭力的復合型人才。

在全球新經(jīng)濟模式和新產(chǎn)業(yè)革命的背景下提出的新工科，是對培養(yǎng)多元化、多學科融合、適應新產(chǎn)業(yè)需求的卓越工程科技人才進行的高等工程教育改革試探[1]。“天大行動”中提出的“問技術發(fā)展改內(nèi)容”[2]，明確要求更新工程人才的知識體系，工業(yè)設計專業(yè)人才培養(yǎng)方案直接決定了本專業(yè)學生知識體系的形成及崗位競爭能力。在工業(yè)設計專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中，機械設計基礎課程是一門重要的專業(yè)基礎課。其主要任務是讓學生對常見機構、構件的組成和基本原理有初步了解，并掌握常用零件的設計方法，同時能夠靈活運用到工業(yè)產(chǎn)品的設計中，滿足原理和功能上的需要。該課程起到從基礎課到專業(yè)課的銜接作用，并為后續(xù)專業(yè)課的學習打下基礎，因此該課程的開設在整個工業(yè)設計專業(yè)培養(yǎng)方案的實施中舉足輕重。

機械設計基礎課程具有機構繁多、公式復雜、圖表繁瑣、概念抽象等特點，且傳統(tǒng)的教學方式多以教師講授為主，導致學生課堂參與性不高，知識掌握程度不理想。在新工科“問學生志趣變方法”的理念下，通過改革本課程的教學手段和教學方法抓住學生的學習興趣點，提高課堂任務的參與積極性，提升學生的知識綜合應用及創(chuàng)新能力已勢在必行。

1 教學現(xiàn)狀分析

1.1 近機類專業(yè)《機械設計基礎》課程的生搬硬套

目前，本校承擔工業(yè)設計專業(yè)機械設計基礎課程教學工作的教師大多來自機械類專業(yè)，在教學大綱和教學設計上只是按照工業(yè)設計專業(yè)的課時要求在近機類專業(yè)的基礎上進行章節(jié)的刪減。工業(yè)設計專業(yè)大多沿用近機類專業(yè)使用的教材和授課課件，導致課堂中教師講解零件、機構、構件等概念時舉例用到的四沖程內(nèi)燃機，講解平面四桿機構基本特性時舉例用到的牛頭刨床，講解輪系的應用時舉例用到的汽車后橋差速器，在工業(yè)設計專業(yè)學生的前導課程中接觸極少，導致學生在理解這些知識點時晦澀難懂。在平面四桿機構的設計、螺栓連接的強度計算、齒輪傳動的強度計算、軸的工作能力計算等章節(jié)中使用到大量的計算公式，工業(yè)設計專業(yè)的學生很難將這些計算公式和整體產(chǎn)品設計聯(lián)系起來，形成系統(tǒng)的工程知識體系，更難以綜合運用知識以解決今后工作中的實際產(chǎn)品設計問題。

1.2 課堂理論知識滿堂灌，缺乏學生參與

本校為西南地區(qū)理工類應用型高校，工業(yè)設計專業(yè)學生為理科生源招生，近年來高考錄取分數(shù)線高于本科省控線約20分，學生普遍存在數(shù)理基礎不扎實、邏輯思維不強的問題，但善于在實操中學習知識。工業(yè)設計專業(yè)學生所上的藝術設計類課程中多以教師布置設計任務或大作業(yè)的形式進行，課堂上以學生完成設計任務為主導，老師提供建議和指導，課堂開放性很強。對于習慣于以任務為驅(qū)動教學方法的工業(yè)設計學生，當接觸到以教師滿堂灌的概念、公式、原理時自然感到難以適應，更無法激起學生的學習興趣。在近年來的教學中，已暴露出通過課堂理論知識講授加機械設計基礎課程設計的教學方式無法適應本專業(yè)學生學情。

1.3 教學手段單一，缺少與專業(yè)課的銜接

目前課堂教學使用的課件普遍比較陳舊，大多數(shù)機構案例動畫多以機構運動簡圖等二維圖形的形式代替真實三維圖形，對于二維圖形接觸較少的工業(yè)設計專業(yè)學生在理解上會大到折扣。教師授課內(nèi)容以傳統(tǒng)的教材章節(jié)作為單位，章節(jié)之間缺少系統(tǒng)整合，極少將知識點與工業(yè)設計專業(yè)課聯(lián)系起來，造成學生無法在后續(xù)課程中運用本課程知識解決實際產(chǎn)品設計問題。

2 教學改革內(nèi)容及方法

2.1 修改教學大綱及教學內(nèi)容

機械設計基礎教學大綱依據(jù)《高等工業(yè)學校機械設計基礎課程教學基本要求（多學時）》[3]和本校近年的教學實踐，與工業(yè)設計專業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀相結合制定而出。教學理論學時為36，實踐學時為12。由于學時壓縮，去掉了8個章節(jié)的內(nèi)容。在教學內(nèi)容的設置上以提高學生的機械認知能力為核心，進一步掌握相關機械原理。同時，對于學生后續(xù)課程在產(chǎn)品設計中可能會涉及到的間隙運動機構、彈簧、聯(lián)軸器、離合器等，要求學生應當了解。而對于原理和校核計算中涉及的復雜公式推導、力學演算這些較難理解的內(nèi)容從原教學大綱中去掉。常用機構和零件的結構和原理作為大綱中要求重點掌握的內(nèi)容。

2.2 更新教學案例并與設計任務相結合

以提高工業(yè)設計專業(yè)貼合度，并結合學科前沿技術、民生熱點產(chǎn)品為指導思想更改教學實例。淘汰傳統(tǒng)的機械類機械設計基礎課程中常使用的加工機械、包裝機械等工業(yè)設計專業(yè)學生接觸極少、較難理解的教學案例。增加更能反映民生需求、具有時代特點的產(chǎn)品實例，比如通過展示自拍桿、智能伸縮晾衣架、社區(qū)健身器材、網(wǎng)紅小家電等，講解簡單的可調(diào)節(jié)、伸縮機構的結構組成、材料選擇及機構結構對可靠性和機構形狀的影響。這些案例貼近生活、簡單易懂，按照從易到難循序漸進的過程逐漸建立起學生對機械結構的興趣。同時，可以讓學生對以上教學案例的實物進行拆解，在動手的過程中進一步加深學生對機構結構的理解和記憶。

在課程章節(jié)的學習過程中，針對具體的知識點，提出產(chǎn)品設計任務。例如，在平面四桿機構這一章中，教師先通過讓學生觀察機車車輪聯(lián)動機構的動畫，了解平行四邊形機構的結構和力學特點。然后為學生布置“應用平行四邊形機構的家用機械”設計任務，要求所設計的與日常生活相關的家庭用產(chǎn)品中必須包含平行四邊形機構，并且結合設計類課程所學知識完成造型設計。任務實施過程中，學生3-4人為一組，每組選出一位組長，以組為單位完成設計任務，要求每位組員都提出一項設計方案，通過小組討論選出最優(yōu)作為本組最終方案，在最后設計產(chǎn)品展示環(huán)節(jié)，由組長陳述最終方案的優(yōu)點。在本項目中，有的組設計了家用折疊梯子、伸縮晾衣架、窗戶開啟機構、簡易踏步機等方案，其中如圖1所示為學生所設計落地式可折疊晾衣架，應用平行四邊形機構實現(xiàn)了晾衣架的展開和收縮，結構靈活小巧，折疊后不占空間。在設計任務完成的過程中，不斷提升學生的學習成就感和對機械的興趣，也提高了團隊合作能力、增強將來的崗位適應能力。

圖1 落地式可折疊晾衣架

2.3 使用現(xiàn)代信息技術完善教學手段

利用現(xiàn)代信息技術手段如三維造型軟件、計算機輔助設計、虛擬仿真計算等，可以有效地將機器或機構的內(nèi)部構造直觀形象的展現(xiàn)給學生，還可以模擬從零件到整機的裝配過程，啟發(fā)學生的三維空間想象能力。

以講解圓柱齒輪傳動為例，其典型的應用為汽車手動變速器。通過拆解和裝配手動變速器的各組成零部件可以讓學生對圓柱齒輪傳動的原理和傳動的過程有更直觀的了解。但是由于學時所限，無法安排充足的課時讓學生在實驗室完成手動變速器的拆裝。為了解決以上矛盾，可采用CATIA等軟件建立變速器的各零部件三維模型，基于坐標系完成各零部件的裝配，還可實現(xiàn)手動變速器的運動仿真。在使用三維軟件進行虛擬裝配的過程中，學生如同親臨機器進行零部件的安裝和拆卸，而且可以反復進行練習和思考，通過觀看運動仿真視頻理解變速器實現(xiàn)不同檔位速度和力矩改變的過程。又如講解凸輪機構從動件運動規(guī)律時，可以使用ADAMS軟件建立不同凸輪廓線的凸輪機構三維模型，通過動力學分析得到推桿位移、速度、加速度的變化情況，在學生觀察的過程中教師總結出推桿常用運動規(guī)律。通過采用三維軟件的教學方式，將原本抽象、復雜的問題變得更具體、直觀，學生的動手積極性和求知欲都得到了充分調(diào)動，學生對知識的記憶變得更加深刻。

2.4 加強學生實踐教學和參賽力度

加強學生對理論知識的實踐，通過課堂上教師設計的知識點針對性較強的設計任務，將理論應用到實踐中，再鼓勵學生走進實驗室，進行模型制作和模型虛擬仿真，再次驗證理論再實踐，形成了循環(huán)推進式的實踐教學。實現(xiàn)了“學中做，做中學”的知行合一。同時將課堂內(nèi)的設計作品及實驗室學生的操作情況一并納入到期末成績的考核中，構成更全面完善的考核機制，引導學生從只關注期末考試到注重平時成績積累的轉變。

鼓勵工業(yè)設計專業(yè)學生或與機械工程專業(yè)學生組隊參加校級、省級、國家級科技創(chuàng)新或工業(yè)設計大賽，以設計大賽作為依托，引導學生主動實踐、自主深入學習。在近兩年的各級各類賽事中，工業(yè)設計專業(yè)學生作品“新型外賣派送車設計”獲得院級“苗子工程”優(yōu)秀項目獎。2021年四川省大學生工業(yè)設計大賽中，學生作品“自走數(shù)控雙邊采茶機”、“自動進食器改良設計”、“新型可爬樓式電動輪椅設計”、“生鮮物流周轉箱”等共計七件分別獲得一等獎，獲得二等獎、三等獎作品共計九件，實現(xiàn)了參賽數(shù)量和質(zhì)量雙突破。

3 結束語

通過結合工業(yè)設計專業(yè)特點，對《機械設計基礎》課程的理論和實踐教學進行優(yōu)化整合，一切以學生為中心，培養(yǎng)滿足“新工科”時代背景下的復合型人才。課程改革后，本課程及格率由2017級的84.2%到2019級的93.6%，提高了9.4%。學生對課程的教學評價平均分2017級為82.1分，2018級為87.3分，2019級為92.4分。可以看出學生對本課程的興趣和認可度都有了很大的提高。目前在川開電氣有限公司、成都愛迪邇工業(yè)產(chǎn)品設計有限公司等校外實習基地的工業(yè)設計專業(yè)學生受到用人單位的一致好評。通過機械設計基礎課程教學改革，實現(xiàn)了學生知識掌握程度的提升，運用實踐能力的突破，就業(yè)競爭力的增強三個環(huán)節(jié)的并舉。