地方普通高校機械設計課程教學改革的實踐與探索*

王慶楠

（懷化學院 物電與智能制造學院，湖南 懷化 418000）

引言

機械設計課程是高等院校機械類專業開設的一門專業技術必修課，該課程起到從理論基礎到設計實踐的承前啟后作用。該課程以通用零件為學習對象，培養學生掌握機械零件的設計方法和規律，能夠初步具備機械系統的分析和設計能力，為從事機械工程設計工作打下基礎。該課程一般是行業性工科高校和重點綜合性高校開設，是與實踐聯系比較緊密的設計課程，兼具理論性和實踐性。

部分地方普通高校由師范、醫學或農業等非工科院校建設發展而來，在工科課程的教學思路上處于逐步成熟的階段。對于機械設計課程的教學常存在不同的觀點。有些按照研究型大學的方法實施教學，容易忽視地方院校實際水平和應用型高校的屬性[1]。有些強調技能培訓，容易忽視完整知識體系的教育和學習，沒有很好區分應用型本科高校和高職教育的差異。因此，在機械設計的實際教學活動存在一些不足之處。筆者以在地方普通高校從事機械設計課程教學的經驗，就課程教學開展探索性的改革實踐和研究。

一、地方普通高校機械設計課程的特點

地方普通高校定位為應用型高校，服務地方區域經濟和社會發展[2]，對學科門類進行擴展，推動了工科專業的發展。但是，一些地方普通高校在課程的定位上往往以重點高校為參照，走學術型的精英教育，強調理論型知識的傳授，并且有的地方普通高校的前身并不是工科院校，在教學上也會慣性地沿用文理科的思維慣性，類比數學、物理和力學。在授課方式和教學內容上，一些地方普通高校以傳統的講授授課為主，教學過程中把注意力集中在公式推導和演算，而且以此作為期末考試的重點進行考核。這缺少知識應用的工程情境，單純地講授基本原理，使得課程抽象、內容單一。而部分地方普通高校學生的邏輯思維和數學抽象能力不夠強，學生對知識的實踐應用價值不了解[3]，難以掌握機械設計課程內容的重難點。比如脫離軸系和傳動系統，單純講軸的設計，將成為純粹的數學解析，會導致學生將高中的學習方法套用在機械設計課程上，關注理論計算和公式推導的模板式的學習，而忽視實際應用的問題[4]。有的理科課程可以進行單純的理論研究，而機械設計課程很多內容是直接聯系工程應用場景。重點高校之所以可以偏重于理論研究和教學，得益于工科基礎的積累和行業背景，可以為其提供科研教學支撐和補充。所以，應當厘清機械設計課程的內涵邏輯，不能忽略機械設計課程的工程性和實踐性，更不能將設計性的課程虛化為理論性課程。

但是，機械設計課程也并不是純粹地學習實踐操作方面的技能培訓課，課程教學不能脫離理論知識的支撐，只談實踐技能的培養。如果過多強調對新技術和新方法的掌握，學生的設計將是缺乏依據的，零部件的選型和設計隨意性較大，弱化為重復工作。比如讓沒有足夠理論知識支撐的本科學生學習有限元軟件的使用，在現有教學課時有限、學生水平各異的情況下，較難在理論層面將有限元技術與機械設計的課程知識聯系起來。學生具體面對軸的計算分析，就會產生計算法則采用平均應力還是最大剪切應力的困惑，有限元的計算結果也就不再具備實際意義。地方本科院校立足于地方發展，學生畢業后主要在地方企業從事工程設計和技術管理工作[5]，地方企業需要的是兼具扎實理論知識和設計能力的工程人才[6]，彌補在高學歷科研人員和技術工人之間的空缺，能夠在工程應用過程中完成從方案到產品的技術落地。所以，機械設計課程教學應當是向學生傳授專業知識為核心，應用新技術和新方法是促進課程教學活動開展的工具和手段。

地方普通高校的機械設計課程應當立足于學?，F狀和學生現有的知識水平，注重應用型的工程知識講解[7]，讓學生掌握機械零件工作原理、設計理論、設計步驟和計算方法等共性問題，要以培養學生的工程問題分析、機械設計能力為核心，對教學內容和教學方法進行適當地調整和補充，同時加強學生工程意識的培養和實踐教學活動的開展。

二、機械設計課程教學改革的實施策略

（一）基礎知識前期導入

在每章節內容前，增加必要的支撐知識內容導入。機械設計課程在機械基礎理論到專業設計課之間起著承上啟下的作用，需要機械制圖、工程材料、材料力學、理論力學、機械原理等必修課程知識作為基礎。上述課程集中在大學一、二年級進行，其理論性強、內容繁雜，部分地方普通高校學生學習基礎不夠牢固、存在知識點遺忘的現象。部分學校使用濮良貴主編的《機械設計》作為課程教材[8]，該教材編撰嚴謹合理，但是因為篇幅限制和重點高校學生對前期知識掌握度高的考慮，該教材在各章節涉及上述前續課程知識時，默認學生已知而沒有介紹。部分地方普通高校學生的學習主動性較差[9]，導致對本課程學習的內容無法透徹理解、處于被動學習的狀態。所以，在實施教學的過程中，有必要加入前述課程相關知識進行適當講解作為支撐。比如，在理論性較強的“疲勞強度計算”教學中，應先介紹材料力學的變應力概念，讓學生在理解不同變應力循環特性的基礎上，再展開講授本課程疲勞曲線、等壽命曲線、等疲勞強度方面的知識內容，這樣循序漸進地將先修知識對接課程內容，更有利于學生對課程的理解和掌握。

（二）整合構建課程內容

梳理課程知識點的內在聯系，結合工程化實踐的例子，將碎片化的課程章節沿著設計主線串聯起來，合理安排課程難點重點。機械設計課程涉及面廣、知識點多，各章節的內容相對獨立缺乏關聯性，導致部分從未接觸設計課程的學生較難連貫地學習理解。課程內容可以模塊化劃分為四個，依次是設計準則和計算方法、傳動部分、連接部分、軸系部分，各部分之間相互聯系。首先，課程內所有的零件設計都遵循第二章正向和反向計算法的流程（設計計算和校核計算）。第三章講述疲勞強度和接觸強度，實質上就是零件的整體疲勞強度和表面疲勞強度，結合靜強度計算，可以涵蓋課程所有章節的強度計算問題。前三章的設計準則和計算方法實際上構成理論基礎，是貫穿機械設計的總體規律和規則，之后的各章則是在這個總的理論框架下對具體零件的解析設計問題。這樣梳理出從機械設計一般理性的規律到感性具化實例的關系，學生就有一個從理論概念到應用知識的學習過程，將碎片化課程章節內容整理建構成完整的知識體系。比如零件的面接觸是低副接觸，表面強度是擠壓強度，其潤滑對應流體動力潤滑，這樣就將滑動軸承、流體動力潤滑、擠壓強度、鍵連接等分散在三個模塊的知識串聯起來。零件的線接觸是高副接觸，表面強度是接觸強度、屬于彈性力學范疇，則其潤滑對應彈性流體動力潤滑，這樣就將齒輪、滾動軸承、接觸強度、彈性流體動力潤滑、表面疲勞點蝕等分散在四個模塊的知識點串聯起來。第三強度理論對應軸強度計算，第四強度理論對應螺栓強度計算；疲勞強度對應零件的整體強度，將齒根強度、軸的強度、螺栓強度等分散在四個模塊的知識串聯起來；接觸強度對應零件的表面強度，將齒面點蝕、軸承點蝕等分散在三個模塊的知識串聯起來。這樣各種零件設計的邏輯聯系和區別，可以構成一個關系明確的體系，使得理論內容不再難懂，讓學生清晰地理解課程各章內容的知識脈絡。

在內容的章節安排上，可以傳動系統為主線，將課程的所有知識點串聯起來。軸和軸上零件構成軸系，包括安裝在軸上的軸承、聯軸器、離合器、帶輪、鏈輪和齒輪，這些零件又由螺栓、鍵或者過盈配合聯接。教學中進一步聯系工程實例擴展知識點，比如單向穩態變應力可以用轉軸、車輛彈簧、氣缸上的預緊螺栓，分別對應說明循環特性為常數、平均應力為常數和最小應力為常數。螺紋連接重點在于強度計算，沒有接觸工程實踐的學生容易混淆不同類型螺栓和載荷的區別。所以，進一步拓展到螺紋連接的詳細工程背景，預緊、防松、材料、螺栓組形式和加工方式，延伸涵蓋加工、設計、制造、裝配、維護的全過程，突出在工程上的應用性和實踐性，拓展學生的眼界和思路，啟發學生要有統籌全局的設計理念。

在教學時間分配上，由于當前存在擴展科目、壓縮課時的情況，一般控制在56個學時以內，所以要合理劃分教學內容。側重講解齒輪傳動、蝸桿傳動、帶傳動、螺紋連接、軸、軸承，而鏈傳動、鍵連接、聯軸器、離合器、制動器和彈簧等內容由學生自學。各章節的公式較為抽象復雜，在課程前期將疲勞強度和接觸強度講透徹，后繼章節具體零件的強度計算就不需要再贅述公式推導，只結合具體零件說明公式各參數的含意和用法。強化公式所涉及的參數與工程因素的聯系，讓學生能夠在設計場景中觸類旁通應用計算公式。這樣，既明析了理論公式與實際設計的關系、減輕學生的學習負擔，也更接近在企業工程項目上的實際設計方法，有利于培養學生工程應用的設計能力。同時，傳動系統的各類零件可以結合課程設計，不必過于拘泥課程理論教學和課程設計在時間安排上的限制，以減速器為學習對象更直觀地介紹給學生，既降低了學習難度，又可以有效控制課程的學時。

（三）創新教學方法

傳統教學板書授課往往是公式推導和堆砌概念，比較枯燥且耗時多、效率不高，影響了教學效果。引入機械工程領域的新技術、新方法，能拓寬學生認知視野，產生代入感加深理解工程應用中的機械設計方法。課程教學采用先進設計方法打破傳統學科之間的壁壘，建立多尺度、多參數的物理模型虛擬鏡像[10]，映射仿真產品設計到生產過程的全過程。Matlab編程建立機械系統的數學模型進行理論技術分析，可以清晰表述抽象的公式和概念。采用參數化的CAD設計如AutoCad、Solidworks、Creo進行零部件建模和參數設置[11]，根據實際裝配關系虛擬裝配，驗證零件間的位置和運動關系的設計合理性。如減速器軸上鍵槽設計在同一母線、聯接鍵略長于輪轂寬度、軸肩小于軸承內圈、余留裝配空間和防止運動副干涉等，可以解決傳統的講解和圖例難以直觀理解的問題。使用有限元軟件如Ansys、Abaqus對關鍵零部件進行強度分析以優化結構設計，應力分析的應力分布圖可以解決應力集中、應力畸變等理論公式難以清晰反映的受力分析問題。通過虛擬仿真軟件如Adams進行動力學性能評估分析，直觀清晰地展示空間運動狀態，得到運動軌跡和速度、加速度、慣量等動力參數。結合Unity3D虛擬仿真實驗，體驗測試不同參數對輸出結果的影響，既能達到真實實驗的效果，同時又能避免由于高成本、臺數少和安全隱患導致的學生實驗不足、動手能力差的問題[12]。通過這些工程設計軟件的教學應用，增加了授課信息量，課程形式也更為生動，有利于拓寬學生的知識面，激發學習興趣，也更符合學生的邏輯思維規律。

同時，通過信息技術在空間和時間上擴展課堂，課程內容的分散性恰好可以通過線上教學，充分利用學生碎片化的時間，解決學時不足、部分課程內容需要自學的問題。該校采用學習通作為線上教學平臺，根據機械設計的工程屬性，在線上以項目實例為載體，展開和推進工程情景化的教學活動。如以傳動系統為主線前后連貫減速器的各個零件，同時結合課程設計分散對應課程的各個章節，讓學生帶著問題學習。平時線上就涉及到減速器各類零件的分析和設計，這樣也可以解決課程設計一般安排在學期末時間不足的問題。學習資料和課件、習題都上傳到網絡，便于學生課前預習、課后練習和線上討論，作業和任務在“學習通”上完成。這樣，教學過程的考核因素、考評方法、成績比重都重新設計，章節學習10%、論討10%、考勤20%、習題60%，適當增多過程考核。線上自動批改、匯總成績、保留學習痕跡，從而全面地掌握學生的學習程度，及時發現調整薄弱點，實現教學活動的持續改進。

（四）工程素養的實踐培養

機械設計課程教學向學生傳授扎實專業理論知識的基礎上，應當進一步培養學生解決實際設計問題的工程素養，達到為地方發展培養應用型工程技術人才的目標。長期以來受通識教育基礎課學習模式的影響，部分學生形成單人獨立的做題習慣，而工程應用過程中有很多因素需要綜合考慮，很多計算公式也是基于實驗和經驗的總結，計算參數往往是在一定范圍浮動，只有相對合理的解，而沒有唯一的絕對正確的解。機械設計課作為設計性課程，要讓學生明白工程上的設計任務是開放性的問題，在實踐中提煉核心設計對象，按規范流程分工協作完成設計任務。在教學活動中應該營造特定的工程情景進行教學，在工程實踐的環境下讓學生完成從知識傳授到能力、素養培養的轉變。與地方企業合作開展工程應用教學是比較理想的途徑，但是依據近年的反饋來看效果一般。主要原因是機械行業在競爭的環境下，企業的設計和制造任務較多，缺少足夠的精力支持高校的教學活動。通常由企業工程管理或設計人員抽空開展方向性的介紹，往往是單一講解，只適合專業導論或講座之類的活動。由于部分地方普通高校缺乏行業支撐，因此，應該立足學校自身的資源開展機械設計課程實踐教學活動，而課程設計和學科競賽是學校能力范圍內切實可行的途徑。

地方普通高校應該以課程設計為主要的實踐教學手段，依托項目任務為載體、以學生為執行主體，在項目推進的過程中，引導學生掌握運用已學知識解決設計問題的能力。設置若干在機械工程的實際開發過程中將遇到的問題，讓學生先初定變量，進而計算得到中間變量，再綜合工況因素和結構參數確定最后的零件尺寸，校核計算如果不達標或者存在結構干涉，就再多次返工重新修改調整，通過多次反復修正迭代設計才能達到性能要求。在教學中，讓學生認識到機械設計不是簡單的做題，要遵循機械設計的規范和流程，以辯證科學的思維方式解決復雜工程問題。

在此基礎上挑選綜合能力較好的學生，參加更有挑戰性的學科競賽。這類比賽重視將專業知識與實踐應用的結合，往往要求制作實物參賽，在機械范疇進行創新性的設計和制造。學生根據賽項分析問題、查閱文獻資料和擬定設計方案，除了全面考驗機械設計的專業知識和技能，還涉及賽程有限的時間和成本控制。所以，需要學生組合成團隊進行分工協作，涉及設計計算、圖紙繪制、技術文檔撰寫、加工制作、安裝調試等多個環節，符合企業實際工程項目的任務分配和輪崗位實際。教師側重指導學生觀察各個環節之間的內在關聯，了解重要性能指標、平衡整體的設計理念，利用專業知識和創新能力去解決工程實踐問題。

三、結語

針對地方普通高校在機械設計課程教學活動，本文結合筆者在該課程的教學實踐經驗，從課程內容、教學方法、工程素養等方面闡述了機械設計課程教學的改革路徑。使課程改革立足學校專業和地方發展的現狀，遵循應用型技術人才的培養規律，明晰該課程是設計性課程的本質，統籌理論知識和實踐技能的平衡。整合設計課程內容和教學方法創新優化，轉變學生思維慣性，培養學生具備機械設計的創新能力和工程素養。這既是辦好新建工科專業發展的內在要求，也是為地方培養應用型機械技術人才的客觀需要。