基于智能制造的機械設計實驗教學改革探索

王思琪　熊巍　賀秋冬

［摘 要］文章以湖北工程學院為例，結合機械類專業(yè)的學生特點、專業(yè)特點以及學校對于應用型人才的培養(yǎng)目標和智能制造的發(fā)展前景需求，針對機械類專業(yè)學生實驗教學效果的反饋，分析了當前機械設計實驗教學內容的設置、實驗教學目標的完成情況和實驗教學存在的急需解決的問題，探索了機械設計實驗課程教學大綱、教學內容中驗證性實驗和創(chuàng)新性實驗的改革，同時優(yōu)化了實驗考核方式。

［關鍵詞］機械設計；智能制造；實驗教學；改革

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）09-0026-03

智能制造[1]是社會發(fā)展的必然趨勢，尤其在低端制造業(yè)上的人工智能探索將會是革命性的、具備劃時代意義的。我國雖說是傳統意義上的制造強國，但并不是“智造強國”，一些與制造業(yè)相關的核心技術依然是由西方國家掌握。近年來我國在新能源汽車領域的發(fā)展上跟上了時代步伐，在新的賽道上處于世界領先水平，但在制造業(yè)這條賽道上依然任重道遠。從傳統意義上的制造技術的研發(fā)革新來說，西方國家成熟領先的制造技術已經達到較高水平，要想從傳統的制造技術上尋求突破，一方面人力成本投入巨大且無法確定產出，另一方面通過技術創(chuàng)新而獲得的實際收益性價比不高，因而意義不大。

隨著我國人口紅利消退，制造業(yè)成本上升，大量低端制造業(yè)公司將工廠外遷至印度、泰國等更具人力資源優(yōu)勢的發(fā)展中國家，曾經我們引以為傲的制造業(yè)面臨著巨大的內外部挑戰(zhàn)。因此，制造業(yè)產業(yè)升級、改革、轉型是我國當下最迫切需要解決的問題之一，國家近年發(fā)布了多項政策支持制造業(yè)智能化轉型[2]。當前以華為技術有限公司、深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司等為代表的明星企業(yè)，正在不遺余力地加大智能制造的研發(fā)投入，加速全產業(yè)鏈的“去西方化”。種種跡象表明，我國是具備發(fā)展智能制造的基礎與條件的，在國家種種強有力的政策的引導下，我們目前亟待解決的問題是加速“人工制造”向“人工智造”的轉變[3]。中國智造要想走向世界，必須先從學校抓起。所有的技術革新與創(chuàng)造都離不開人的投入，尤其是具備創(chuàng)新思想的技術人才。

高校的育人思想要著重體現創(chuàng)新，要能摸清世界脈搏、跟上世界節(jié)奏，要以培養(yǎng)優(yōu)秀的創(chuàng)新研發(fā)人才為重點工作，融學習、實踐、研發(fā)于一體，針對學習中遇到的問題在實踐中找答案，將實踐中獲得的思路應用到研發(fā)中，拓寬培育思路，使學生的“興趣”與“學習”互相增益。本文以湖北工程學院（以下簡稱我校）為例，結合機械類專業(yè)特色和智能制造的發(fā)展趨勢，探討機械設計實驗教學改革。

一、當前機械設計實驗教學現狀

機械設計實驗教學是機械設計課程的重要組成環(huán)節(jié)，是學生將所學到的關于零件設計的理論知識應用于解決具體工程問題的重要媒介，更是培養(yǎng)學生在動手實踐過程中發(fā)現問題和解決問題的綜合能力的重要途徑。而我校當前的機械設計實驗教學內容雖然貼合理論教學內容，但還是以傳統驗證性實驗為主，實驗內容相對單一，實驗效果不理想，實驗目標難以很好地達成。

我校機械設計實驗內容主要包括機械構件展示柜的參觀、滑動軸承實驗、帶傳動實驗、滾動軸承實驗。其中，參觀機械構件展示柜的主要實驗內容是了解常用連接件、軸系零部件的類型和結構，機械傳動的類型、工作原理、組成結構及失效形式，機械零件的失效形式等。此實驗內容既和機械制造技術基礎這門課的實驗內容部分重合，又不能實現提升學生實際動手操作能力的實驗目標。而滑動軸承實驗、帶傳動實驗和滾動軸承實驗屬于驗證性實驗。其中，滑動軸承實驗的主要內容是了解實驗臺的構造和工作原理，通過實驗進一步了解動壓潤滑油膜的形成機理，同時觀察載荷和轉速發(fā)生改變時油膜壓力的變化情況，進而測定和繪制徑向滑動軸承徑向油膜壓力曲線和軸向油膜壓力曲線，從而驗證動壓油膜壓力分布情況；帶傳動實驗的主要內容是了解帶傳動實驗臺結構及工作原理，通過實驗觀察帶傳動中的彈性滑動和打滑現象，繪制帶傳動滑動曲線和效率曲線圖，驗證初拉力的改變對帶傳動能力的影響；滾動軸承實驗的主要內容是了解滾動軸承實驗臺及其工作原理，通過實驗觀察總徑向載荷和軸向載荷發(fā)生變化時軸承徑向載荷分布的情況以及影響，從而驗證e取值的不同對滾動軸承所承受徑向載荷的影響。

上述4種實驗及其內容的設置既不能很好地反映機械專業(yè)的特色，也難以激發(fā)學生的創(chuàng)新性思維，與應用型人才培養(yǎng)的目標不相符。另外，機械設計實驗考核方式單一，不夠客觀科學，不利于學生自主思考、自主創(chuàng)新創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，最終導致實驗教學內容與實驗教學目標不相符。

二、機械設計實驗教學改革探索

從我校現有機械設計實驗教學內容的設置和實驗效果反饋的實際情況來看，機械設計實驗教學改革勢在必行。實驗內容的設置既要與理論教學內容緊密結合，又要注重鍛煉學生對所學理論基礎知識的綜合應用能力，同時，還要注重提升學生將所掌握的機械專業(yè)基礎知識應用于解決實際工程問題的能力。因此，對于機械設計實驗教學的改革需要從機械設計實驗教學大綱、教學內容、考核方式等方面進行設置。

（一）優(yōu)化實驗教學大綱

實驗教學大綱是基于學生已掌握的理論知識，為提升學生解決實際工程問題的能力而設置的。實驗教學是為了幫助學生驗證所學理論、鞏固和加深理解所學知識。學生需了解機械設計實驗的方法，掌握實驗臺工作原理和操作規(guī)程、儀器使用方法、測量設計、實驗結果分析、實驗報告書寫等。通過實驗技能的訓練，培養(yǎng)學生理論聯系實際的作風、嚴謹的科學實驗態(tài)度和獨立分析與解決實際問題的能力。

我校原機械設計實驗教學大綱共8個學時，教學內容是基礎性和驗證性實驗，包括參觀機械構件展示柜、滑動軸承實驗、帶傳動實驗、滾動軸承實驗。學生對于基礎性實驗和驗證性實驗的自主能動性較差，在做實驗時常走馬觀花、敷衍了事，對理論課上所講的內容缺乏綜合的實踐經驗，實驗效果較差。由于學時有限，針對目前實驗教學中存在的問題，在教學內容設置上應以提高學生利用所學綜合知識分析問題和解決問題的能力為核心，注重激發(fā)學生自主學習積極性和創(chuàng)新創(chuàng)造思維，從而促使學生進一步掌握機械設計相關內容，增強學生理論學習興趣和主動性。而對于參觀機械構件展示柜和滾動軸承實驗這些重復性的基礎性和驗證性實驗，應從原實驗教學大綱中去除，同時增設創(chuàng)新性實驗。

機械設計這門課是專業(yè)基礎課和專業(yè)課的橋梁，起著承前啟后的作用，對于機械類學生對機械專業(yè)知識實踐應用的掌握深度和廣度起著決定性作用。在設置實驗內容時，既要考慮學生的實驗興趣和自主能動性，又要結合學校培養(yǎng)應用型人才的實際，所以在去除原有部分實驗內容的基礎上，應增加設置培養(yǎng)學生應用能力的實驗，此實驗是學生可以自行選擇主題的創(chuàng)新性實驗。結合“產學研”協同育人培養(yǎng)目標，聯系我校實際情況，此創(chuàng)新性實驗可以企業(yè)實際生產為主題。可利用校企合作平臺，與本地相關企業(yè)合作進而設置符合學生實際情況的創(chuàng)新性實驗課題，同時提高創(chuàng)新性實驗在本課程中的分值占比，對學生的考核應更注重對實驗過程的考核。

結合原有實驗學時和內容以及改革后實驗內容的設置，機械設計實驗學時需增加8個學時。在原有實驗內容的基礎上刪掉參觀機械構件展示柜和滾動軸承試驗，只保留帶傳動實驗和滑動軸承實驗。基于實驗教學培養(yǎng)的目標，帶傳動實驗和滑動軸承實驗共占2個學時，而創(chuàng)新性實驗占14個學時。創(chuàng)新性實驗內容的具體設置需要結合學校實際情況和本地企業(yè)實際情況，也可以讓學生自行選擇主題。

（二）優(yōu)化實驗教學內容

基于目前機械設計實驗教學內容的設置以及學生實驗效果反饋情況，機械設計實驗內容和教學手段急需改革。為充分發(fā)揮學生的自主性和創(chuàng)造性，對現有實驗內容進行刪減，同時增加創(chuàng)新性實驗內容，比如開放性作品設計制造，如此既能激發(fā)學生的創(chuàng)新性思維，又能讓學生對所學理論知識進行綜合運用。新增設的創(chuàng)新性實驗的內容，要結合理論內容中的常用通用傳動零件如直齒圓柱齒輪、普通V帶、蝸輪蝸桿等，常用支撐零件如直軸、曲軸、液體動（靜）壓滑動軸承、滾動軸承等，常用連接件如普通螺栓、銷釘、聯軸器、離合器等，常用驅動裝置如電動機、彈簧等，機械零部件的潤滑和密封，結構設計的要求、步驟、方法和準則等。

具體操作如下：對保留的帶傳動和滑動軸承實驗壓縮教學學時，教學內容不作調整；新增設的創(chuàng)新性實驗可以由教師根據合作企業(yè)的具體情況，設置開放性實驗主題（以某企業(yè)的實際應用為基礎），開放性作品主要是由學生采用團隊合作的方式完成，學生根據設置的主題進行組隊，3人一組，自行組隊，根據小組所選的主題來開展實驗。首先，進行原理方案設計，設計出原理方案圖；其次，進行結構方案設計，給出結構設計草圖等；最后，進行總體設計，根據原理方案、技術路線、實驗內容等設計并制造出能實現某種功能的機構或機器，同時給出設計說明書，說明其基本功能、基本構成、基本原理，并完成工程圖，做出實物圖。實物圖需能進行相應操作。為了保證所有的學生都能積極主動地參加，每組完成后都要制作PPT，每人都要詳細展示自己所設計和完成的那一部分內容，由小組組長對自己團隊所做出的實物進行演示。為了激發(fā)學生的實驗興趣和動力，教師和學院會邀請校內外專家來指導學生。學生們所完成的作品都會被相關專家點評和打分。所有作品按得分排序，得分最高的前5組的作品獲推薦參加省級及以上學科類或全科類競賽。

（三）優(yōu)化實驗考核方式

實驗結果的考核主要是考核學生對所學理論知識的掌握程度和應用其解決實際問題的能力。基于優(yōu)化后的驗證性和創(chuàng)新性實驗內容的設置，實驗考核方式也進行了相應的修改。優(yōu)化后的考核方式更注重對學生實驗過程的考核，實驗過程在所有得分設置項中占比最高。驗證性實驗占比20%，創(chuàng)新性實驗占比80%。其中，驗證性實驗的考核包括考勤（占比5%）、實驗過程（占比10%）、結果分析（占比5%）；創(chuàng)新性實驗的考核包括完成的作品工程圖、作品實物圖以及作品展示成績，實驗過程占比50%，小組自評占比10%，組間互評占比20%。實驗過程一項主要是對學生自主創(chuàng)作的考核；小組自評是指本組作品完成后，本組成員對自己完成的作品打分；組間互評是指每組作品都完成后，小組成員針對其他組的設計說明書、工程圖紙、實物圖和作品展示等給出分數。在所有作品都展示完后，教師會請相關專家對所有作品進行點評并給出分數，前五名可獲專家推薦參加省級及以上學科類或全科類競賽。獲專家推薦參加相關學科競賽并獲獎的作品，可讓團隊成員獲得滿分的成績。考核不及格的小組成員不再進行補考，而是下一學年再次考核。

三、結語

靈活性的教學是為了提升學生自主學習、自主思考的積極性。在智能制造背景下，教師更應積極探索教育教學新方法和新手段，將機械設計理論教學和實驗教學相結合，增強學生對所掌握的機械設計理論內容進行實踐應用的能力，為學生提供更自由的思維發(fā)散空間，進一步提升教學質量和教學效果。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 吳國興，范君艷，樊江玲. 智能制造背景下應用型本科機械類專業(yè)人才培養(yǎng)[J]. 教育與職業(yè)， 2017（16）：89-92.

[2] 周濟.智能制造：“中國制造2025”的主攻方向[J]. 中國機械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[3] 宋若冰，武立波，張文孝. 以創(chuàng)新為導向的機械基礎課程實踐教學研究[J].實驗室科學，2015，18（1）：106-107.

［責任編輯：周侯辰］