劉　瑩　吳宗澤

摘要：教材建設(shè)是提高我國(guó)高等教育質(zhì)量的一個(gè)重要內(nèi)容。本文以近年來(lái)出版的3部具有一定代表性的美國(guó)《機(jī)械零件設(shè)計(jì)》教材為對(duì)象，闡明了這些教材以人為本的理念和注重啟發(fā)性、工程實(shí)踐性、學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)性、學(xué)科新發(fā)展等特色，為我國(guó)編寫(xiě)出更多有中國(guó)特色、符合我國(guó)高等機(jī)械工程教育特點(diǎn)的優(yōu)秀教材提供借鑒。

關(guān)鍵詞：美國(guó)教材特色；機(jī)械設(shè)計(jì)；教材建設(shè)

教材作為學(xué)生學(xué)習(xí)的重要工具，如何提高質(zhì)量，體現(xiàn)學(xué)科的基本要求和發(fā)展，將實(shí)用性與前瞻性結(jié)合起來(lái)，并且有特色或獨(dú)創(chuàng)性是我們每一個(gè)高等教育工作者需要深入思考的問(wèn)題。

機(jī)械設(shè)計(jì)課程作為高等院校機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課有著極其廣大的學(xué)生受眾群體，在機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的機(jī)械基礎(chǔ)系列課程中占有重要的地位。因此，機(jī)械設(shè)計(jì)課程教材的編寫(xiě)質(zhì)量在一定程度上直接影響到高等機(jī)械工程人才培養(yǎng)的質(zhì)量。編寫(xiě)具有中國(guó)特色、符合我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)人才需求的機(jī)械設(shè)計(jì)教材是一項(xiàng)重要的工作。作者近年來(lái)結(jié)合雙語(yǔ)教學(xué)的實(shí)踐及主編北京市高等教育精品教材、“十一五國(guó)家級(jí)規(guī)劃”教材工作，閱讀、縮編和翻譯了若干本美國(guó)近期出版的機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)教材及專(zhuān)著，對(duì)于這些教材編寫(xiě)中以人為本的理念和注重工程實(shí)踐性、啟發(fā)性等特色有了更深刻的認(rèn)識(shí)，為我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)類(lèi)教材的編寫(xiě)提供了有益的啟示。

本文以三本具有代表性的美國(guó)《機(jī)械零件設(shè)計(jì)》教材，即Robert L，Mott編寫(xiě)的Machine Elements in Mechanical Design第4版(后稱(chēng)教材1)、Bernard J.Hamrock,Steven R.Schmid和Bo Jacobson編寫(xiě)的Fundamental D，MachineElements第2版(后稱(chēng)教材2)及M.F.Spotts，T.E.Shoup和L.E.Hornberger編寫(xiě)的DesignD，MachineElements第8版(后稱(chēng)教材3)為對(duì)象，闡述其編寫(xiě)的主要特色。

一、以讀者的視角進(jìn)行啟發(fā)性學(xué)習(xí)導(dǎo)讀，培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力

現(xiàn)代教育的理念倡導(dǎo)學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)。即，在教學(xué)的過(guò)程中應(yīng)該使學(xué)生從“要我學(xué)”的被動(dòng)地位轉(zhuǎn)化為“我要學(xué)”的主動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)。機(jī)械設(shè)計(jì)課程由于知識(shí)面的廣泛及其深厚的實(shí)際工程背景，往往使我們的學(xué)生難以盡快進(jìn)入角色，在心理上逐漸失去學(xué)習(xí)的興趣。如何通過(guò)教材提高學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，把自己作為主角?如何提高學(xué)生提出問(wèn)題、分析問(wèn)題的主動(dòng)性和能力?教材1在這方面體現(xiàn)出獨(dú)有的特色。表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1每個(gè)章節(jié)的開(kāi)篇以第二人稱(chēng)的表述方式，通過(guò)“概覽(The Big Picture)”的形式，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入本章節(jié)的學(xué)習(xí)情景

“概覽”一般包括：“討論導(dǎo)引(Discussion Map)”和“(如果)你是一個(gè)設(shè)計(jì)師(You arc the designer)”兩個(gè)部分。在“討論導(dǎo)引”中圍繞本章的主要對(duì)象(零部件)引導(dǎo)學(xué)生去觀察、發(fā)現(xiàn)其工作特點(diǎn)；提出設(shè)計(jì)一個(gè)安全可靠方案需要考慮和解決的問(wèn)題；然后將學(xué)生(讀者)設(shè)想成設(shè)計(jì)者，即“(如果)你是一名設(shè)計(jì)師”引出本章節(jié)學(xué)習(xí)的目標(biāo)和主要內(nèi)容。以第9章“直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)”為例：首先，將直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的幾何特點(diǎn)進(jìn)行了回顧(教材第8章介紹了齒輪嚙合的原理)；隨后在“發(fā)現(xiàn)”中，請(qǐng)學(xué)生觀察和描述直齒圓柱齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)、應(yīng)力特征及其影響因素：結(jié)合“發(fā)現(xiàn)”提出的觀察內(nèi)容，在下文中進(jìn)一步提出類(lèi)似的一些思考題：“考慮在齒輪嚙合過(guò)程中以及整個(gè)齒面上，什么位置齒輪所受應(yīng)力最大?”；“原動(dòng)機(jī)對(duì)齒輪傳動(dòng)有何影響?采用電動(dòng)機(jī)和采用以汽油為燃料的發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力對(duì)設(shè)計(jì)有什么不同嗎?”等。經(jīng)過(guò)以上的過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生從觀察現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題解決的方法，將學(xué)生吸引到齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)所要考慮的主要問(wèn)題上，進(jìn)入到設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備狀態(tài)。在第二部分的“(如果)你是一名設(shè)計(jì)師”中完全將學(xué)生置于一個(gè)設(shè)計(jì)主角當(dāng)中，通過(guò)“你如何完成一個(gè)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)?”的提問(wèn)，引出了齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

以上教材的編寫(xiě)形式使得作者如導(dǎo)演一般將演員(學(xué)生)按照劇情逐漸引入到角色中，閱讀教材的過(guò)程也如同讀劇本一樣有非常生動(dòng)的畫(huà)面。這種效果比起教材刻板的介紹或概述，對(duì)于讀者更具有親和力、感染力和啟發(fā)性。更有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題的主動(dòng)性和能力。

2章節(jié)后大量的與內(nèi)容呼應(yīng)的分類(lèi)習(xí)題，幫助學(xué)生由淺至深、從簡(jiǎn)到繁地熟悉和掌握章節(jié)主要的知識(shí)點(diǎn)

仍以第9章為例，書(shū)后共有習(xí)題83個(gè)：編者按照本章的內(nèi)容編排，將習(xí)題分成專(zhuān)題：齒輪傳動(dòng)的受力分析(6個(gè))、齒輪制造與質(zhì)量管理(10個(gè))、齒輪材料(19個(gè))、輪齒的彎曲應(yīng)力分析(6個(gè))、許用彎曲應(yīng)力的計(jì)算(6個(gè))、(輪齒)疲勞點(diǎn)蝕失效分析(6個(gè))、許用接觸應(yīng)力的計(jì)算(6個(gè))、(綜合)設(shè)計(jì)問(wèn)題(11個(gè))、齒輪傳遞功率的能力分析(3個(gè))、雙級(jí)齒輪減速傳動(dòng)的設(shè)計(jì)(6個(gè))和塑料齒輪設(shè)計(jì)(4個(gè))。習(xí)題的編排覆蓋了直齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容，通過(guò)一定量的習(xí)題練習(xí)不僅使學(xué)生對(duì)齒輪設(shè)計(jì)的全面知識(shí)進(jìn)行了訓(xùn)練，而且能夠體會(huì)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)需要考慮的主要問(wèn)題和一般步驟，有助于學(xué)生掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般方法。習(xí)題的設(shè)計(jì)反映出編者對(duì)于課程基本內(nèi)容和教學(xué)要求研究透徹。這值得我國(guó)教材在習(xí)題的設(shè)計(jì)方面借鑒。

二、與工程背景和日常生活緊密聯(lián)系，通

過(guò)大量的應(yīng)用實(shí)例將知識(shí)與技術(shù)很好

地結(jié)合起來(lái)

機(jī)械設(shè)計(jì)是一門(mén)工程應(yīng)用背景非常突出的技術(shù)基礎(chǔ)性課程，不僅包括了機(jī)械設(shè)計(jì)的基本知識(shí)、基礎(chǔ)理論、基本方法，更重要的是還包括了機(jī)械設(shè)計(jì)的基本技能。教材2采用“案例學(xué)習(xí)(Case Study)”作為例題的補(bǔ)充形式，通過(guò)提煉工程實(shí)際和日常生活中機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例，使學(xué)生了解機(jī)械設(shè)計(jì)方法如何在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用。例如，在介紹了齒輪及蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)方法后，以食品混合機(jī)械中的傳動(dòng)鏈部分為例對(duì)真實(shí)的工程設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。通過(guò)案例學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解實(shí)際問(wèn)題中原動(dòng)力、齒輪初始的參數(shù)，如齒數(shù)、傳動(dòng)比、齒輪材料等選擇的方法和約束條件，特別是工程問(wèn)題答案的可行性和不惟一性特征等。再例如，教材2在講述機(jī)械設(shè)計(jì)中的安全性考慮時(shí)，通過(guò)一個(gè)農(nóng)婦因丈夫在修理拖拉機(jī)鏈條時(shí)受到飛出的金屬碎片致殘而與拖拉機(jī)制造商打官司的事例，說(shuō)明在機(jī)械設(shè)計(jì)中不僅在設(shè)計(jì)階段，而且在使用維護(hù)階段均要考慮安全性，這非常重要。在闡述機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)最終產(chǎn)品成本的影響時(shí)，教材2中給出了一個(gè)擺動(dòng)式動(dòng)力鋸前后兩個(gè)設(shè)計(jì)方案，從初步方案中41個(gè)零件，安裝時(shí)間6，37分鐘；到改進(jìn)設(shè)計(jì)后只有29個(gè)零件，裝配時(shí)間縮短到2，58分鐘。通過(guò)具體的數(shù)據(jù)使學(xué)生深刻直觀地理解了“產(chǎn)品的成本往往在設(shè)計(jì)階段就決定了”這一理念。案例教學(xué)的方法的積極作用已經(jīng)在教學(xué)中取得共識(shí)。我國(guó)一部分同類(lèi)教材在此方面也進(jìn)行了積極的

嘗試，并在教學(xué)實(shí)踐中取得良好的效果。

另外，機(jī)械設(shè)計(jì)課程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的一個(gè)重要組成部分。教材1、2、3通過(guò)大量制作精美、結(jié)構(gòu)詳盡的照片或插圖(包括軸測(cè)圖、工程圖、實(shí)物圖片)等，介紹了工程和生活實(shí)際應(yīng)用的典型結(jié)構(gòu)，使學(xué)生對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)有更加直觀的認(rèn)識(shí)和理解，也是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的很實(shí)用的參考資料。

三、注重機(jī)械設(shè)計(jì)與材料科學(xué)、機(jī)械制造

學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)性，使學(xué)生正確認(rèn)識(shí)

設(shè)計(jì)與工藝的關(guān)系，從而提高解決機(jī)

械設(shè)計(jì)問(wèn)題的綜合設(shè)計(jì)能力

機(jī)械設(shè)計(jì)是多學(xué)科交叉的科學(xué)，其中和材料學(xué)與機(jī)械制造更是有著密不可分的聯(lián)系。教材1、2、3均將與機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)的材料內(nèi)容，如：主要類(lèi)型、機(jī)械性能、應(yīng)用場(chǎng)合以及應(yīng)用實(shí)例，獨(dú)立成章加以介紹，使學(xué)生能夠?qū)Σ牧线x擇有整體的概念。加工制造方法在零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有重要的指導(dǎo)作用。上述教材通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)物圖片將在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)才可以了解到的制造知識(shí)介紹給學(xué)生。如：齒輪的制造中不僅介紹了常用方法、典型刀具、常用設(shè)備、檢驗(yàn)技術(shù)、質(zhì)量控制等實(shí)用技術(shù)，還對(duì)制造技術(shù)發(fā)展，如精密磨削設(shè)備、加工中心等加以簡(jiǎn)述，使學(xué)生更深刻理解齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要素和注意的問(wèn)題，有助于提高學(xué)生解決實(shí)際工程設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，綜合分析問(wèn)題的能力。

四、注重機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)科新的理念和發(fā)展介

紹，以幫助學(xué)生樹(shù)立機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)科的

專(zhuān)業(yè)志向

《禮記》學(xué)記中有這樣一句話：“善歌者，使人繼其聲。善教者，使人繼其志。”機(jī)械設(shè)計(jì)雖然是一門(mén)古老的學(xué)科，但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們物質(zhì)文化生活需求的提高，仍然存在許多亟待解決的問(wèn)題。如何使機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)課程，從一個(gè)側(cè)面了解機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展和重要性，從而啟發(fā)和激勵(lì)學(xué)生樹(shù)立正確的專(zhuān)業(yè)理想，是在編寫(xiě)教材中面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。我國(guó)的絕大部分教材考慮到機(jī)械課程本身的學(xué)時(shí)約束，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的新方法和新發(fā)展，常采用避實(shí)就虛的做法，一般僅在緒論中有一些簡(jiǎn)述。但美國(guó)的三部教材都不約而同地采用了一定篇幅，甚至是整章的篇幅向?qū)W生介紹新的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法。如：教材2在緒論中，以獨(dú)立一節(jié)的內(nèi)容介紹了計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。通過(guò)無(wú)影畸齒矯正牙套的設(shè)計(jì)與制造案例，簡(jiǎn)明地闡述了計(jì)算機(jī)技術(shù)在形狀設(shè)計(jì)、應(yīng)力分析、產(chǎn)品制造等環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，使學(xué)生了解到計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展給機(jī)械設(shè)計(jì)帶來(lái)的巨大影響，以及相互促進(jìn)的關(guān)系。第20章緊密結(jié)合微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，介紹了MEMS(Elements of micro-electro mechanical system)中的零件設(shè)計(jì)方法；教材3中，第13章介紹了形態(tài)綜合(Form synthesis)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。以上這些內(nèi)容擴(kuò)展了學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的理解，也使學(xué)生能夠了解到新興學(xué)科與傳統(tǒng)學(xué)科之間的聯(lián)系，從而能夠根據(jù)自己的興趣和長(zhǎng)處選擇專(zhuān)業(yè)志向。

以上分析了美國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)教材的四個(gè)方面的主要特色，從中可以得到以下的幾點(diǎn)啟示：

首先，教材作者需要加強(qiáng)對(duì)具有我國(guó)學(xué)生學(xué)習(xí)本門(mén)課程的規(guī)律的研究。我國(guó)絕大部分機(jī)械工程類(lèi)的學(xué)生在工程實(shí)踐背景和能力方面較薄弱，只有在摸清學(xué)生對(duì)于實(shí)踐性較強(qiáng)的課程的學(xué)習(xí)規(guī)律，才能夠有的放矢地進(jìn)行啟發(fā)式、循序漸進(jìn)式的內(nèi)容組織。

其次，教材作者要根據(jù)機(jī)械課程本身的性質(zhì)、內(nèi)涵和教學(xué)目的，深入研究教材編寫(xiě)中如何體現(xiàn)工程實(shí)踐能力、綜合解決問(wèn)題等能力的培養(yǎng)問(wèn)題，使我們的教材既體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)理論體系的完整性，又能夠更好地在培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐能力上提高教材的實(shí)用性。以上美國(guó)的教材以密切聯(lián)系實(shí)際的描述或舉例，不僅拉近了機(jī)械設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用的距離，在一定程度上消除了課程的神秘感，增強(qiáng)了課程的實(shí)用功能，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。目前，國(guó)內(nèi)已有一些教材增加了章節(jié)的重點(diǎn)、難點(diǎn)和知識(shí)拓展、參考書(shū)目等；這些都對(duì)于學(xué)生的自學(xué)和進(jìn)一步研究提供了幫助，值得提倡。

第三，教材的作者(一般是從事高等教育的教師)，需要積極主動(dòng)地投身到機(jī)械設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐和科學(xué)研究工作中，從中開(kāi)闊眼界、汲取和更新知識(shí)，有助于在教材編寫(xiě)中游刃有余地將機(jī)械設(shè)計(jì)的基本理論與技術(shù)方法、傳統(tǒng)的知識(shí)與現(xiàn)代的發(fā)展聯(lián)系起來(lái)，使教材內(nèi)容增強(qiáng)實(shí)用性的同時(shí)，又具有前瞻性。

責(zé)任編輯文和平