段巍 范孝良
摘 要 “機(jī)械設(shè)計(jì)”是機(jī)械類專業(yè)本科生重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。本文根據(jù)該課程的特點(diǎn),提出了基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的研究型教學(xué),探討了研究型教學(xué)的內(nèi)涵、項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)的選擇、教學(xué)內(nèi)容的組織和規(guī)劃,并運(yùn)用主體式教學(xué)模式和研討式教學(xué)模式開展了實(shí)踐。實(shí)踐結(jié)果表明,基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的“機(jī)械設(shè)計(jì)”研究型教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的主體意識(shí)、個(gè)性發(fā)展及創(chuàng)新能力方面起到了積極的促進(jìn)作用。
關(guān)鍵詞 機(jī)械設(shè)計(jì) 項(xiàng)目設(shè)計(jì) 研究型教學(xué) 教學(xué)模式
中圖分類號(hào):G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI:10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.06.052
"Mechanical Design" Research Teaching
Practice Based on Project Design
DUAN Wei, FAN Xiaoliang
(Department of Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003)
Abstract "Mechanical design" Mechanical undergraduate important professional technical courses. Based on the characteristics of the course, the proposed research teaching based on project design, to explore the meaning of research-based teaching and choose the project design work, organization and planning of teaching content, and the use of the main teaching mode and teaching mode to carry out research practice. Practice results show that the "mechanical design" research teaching project design culture consciousness of students, personality development and innovation has played a positive role in promoting.
Key words mechanical design; project design; research teaching; teaching mode
0 引言
“機(jī)械設(shè)計(jì)”是機(jī)械系專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程,也是平臺(tái)建設(shè)的核心課程之一,主要講授機(jī)械設(shè)計(jì)的共性問題和典型零件設(shè)計(jì)的基本理論和方法。授課對(duì)象為機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)本科學(xué)生(每年共有9個(gè)班),授課時(shí)間為學(xué)生入學(xué)后第四學(xué)期。教學(xué)內(nèi)容主要包括:總論部分、連接部分、傳動(dòng)部分、軸系部分和其它部分等。該課程的特點(diǎn)是:內(nèi)容繁雜、概念多、公式多,工程背景很強(qiáng),每一章各成體系,具有一定的獨(dú)立性,但在實(shí)際工程應(yīng)用中,各章又緊密相連,相輔相成。
為了有效利用各種現(xiàn)代教育資源和教學(xué)手段,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,將學(xué)生置于教育教學(xué)系統(tǒng)的核心,開展研究型教學(xué),探討教學(xué)組織和教學(xué)方式的改革成為必要。筆者根據(jù)所授課程的性質(zhì)和特點(diǎn),針對(duì)本校2012級(jí)機(jī)械工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生,在自己課堂上開展了基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)計(jì)研究型教學(xué)實(shí)踐。
1 研究型教學(xué)的內(nèi)涵
研究型教學(xué)也稱研討式教學(xué)模式,起源于美國(guó)著名心理學(xué)家杜威創(chuàng)立的“問題教學(xué)法”,成熟于克伯屈的“設(shè)計(jì)教學(xué)法”。①②它是一種以“學(xué)生為中心”,以課程內(nèi)容和學(xué)生的學(xué)識(shí)積累為基礎(chǔ),引導(dǎo)學(xué)生自主地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題和解決問題,從而在研究討論中積累知識(shí)、培養(yǎng)能力和鍛煉思維的一種教學(xué)模式。
針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn),即:以不同零件劃分的各篇章在內(nèi)容上各自獨(dú)立,但在實(shí)際工程運(yùn)用中又緊密聯(lián)系,相輔相成,如何通過一條主線把各章節(jié)彼此相連,讓學(xué)生系統(tǒng)地、主動(dòng)地掌握各零件的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法?選擇與工程緊密聯(lián)系的項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè),采用主體式教學(xué)和研討式教學(xué)方法,將課程主要章節(jié)內(nèi)容貫穿到項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)的訓(xùn)練上,成為一條有效的解決途徑。
2 基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的研究型教學(xué)具體實(shí)踐過程
2.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)選擇原則及布置
“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”是機(jī)械設(shè)計(jì)課程的一個(gè)重要教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié),也是機(jī)械類各專業(yè)第一次較全面的綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練,單獨(dú)設(shè)置學(xué)分。由于減速器中所包含的零件覆蓋了機(jī)械設(shè)計(jì)課程中大部分章節(jié)的知識(shí)內(nèi)容,且減速器的類型不同,原始數(shù)據(jù)有所區(qū)別,有利于學(xué)生分組進(jìn)行,且能保證每個(gè)同學(xué)具有不同的數(shù)據(jù),所以通常將二級(jí)圓柱齒輪減速器作為課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)對(duì)象。以往“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”是在機(jī)械設(shè)計(jì)課程結(jié)束后進(jìn)行,通過課程設(shè)計(jì)將課程中所講授的內(nèi)容系統(tǒng)地運(yùn)用到設(shè)計(jì)實(shí)踐中去,是一個(gè)從理論到實(shí)踐的過程。而在進(jìn)行課程研究型教學(xué)實(shí)踐中,能夠貫徹各章節(jié)內(nèi)容的項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)正好可與課程設(shè)計(jì)相吻合,因此在給學(xué)生選擇項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)時(shí),既要考慮與后續(xù)課程設(shè)計(jì)在題目上的一致性,還要考慮內(nèi)容上的步進(jìn)性及工作量的適宜性,同時(shí)還要使學(xué)生既能獨(dú)立思考,不抄襲別人的設(shè)計(jì)成果,還能在討論交流的過程中得到提高和創(chuàng)新。為此我們根據(jù)工程實(shí)際,針對(duì)火電廠燃料輸送系統(tǒng)中不同工作機(jī)械中的傳動(dòng)裝置,如:保定熱電廠葉輪給煤機(jī)中的行走裝置、北京高井電廠橋式螺旋卸煤機(jī)中螺旋升降機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)裝置、石景山發(fā)電廠翻車機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置,以及油田抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng),布置了相關(guān)的四個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)課題,要求4~5人為一組,選擇其中的一個(gè)項(xiàng)目,設(shè)計(jì)不同的傳動(dòng)方案,并對(duì)傳動(dòng)方案中的減速器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析。為了使學(xué)生在獨(dú)立思考的同時(shí)還能進(jìn)行有效交流,我們對(duì)同一個(gè)項(xiàng)目課題,又設(shè)置出不同組數(shù)據(jù),做到每人一組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。這樣做的好處是:同一組同學(xué)在方案設(shè)計(jì)階段、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段可以進(jìn)行廣泛討論,一旦傳動(dòng)方案確定,具體在零部件設(shè)計(jì)和計(jì)算過程中,由于數(shù)據(jù)不同,每個(gè)人設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇和計(jì)算結(jié)果就會(huì)不同,這樣又可使每個(gè)學(xué)生能夠獨(dú)立地完成相關(guān)的計(jì)算。endprint
2.2 教學(xué)內(nèi)容的組織和優(yōu)化
機(jī)械設(shè)計(jì)具有內(nèi)容繁雜、概念多、公式多、工程背景強(qiáng)、各章內(nèi)容又相對(duì)獨(dú)立的特點(diǎn)。為了配合項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)的順利進(jìn)行,對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重新組織和優(yōu)化,將與項(xiàng)目作業(yè)內(nèi)容緊密相關(guān)的零件的設(shè)計(jì)理論及方法往前安排,即將帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、滾動(dòng)軸承、軸、聯(lián)軸器、鍵等內(nèi)容依次安排在了螺紋聯(lián)接及蝸桿傳動(dòng)之前。當(dāng)講完總論(4h)和帶傳動(dòng)(4h)后,即在開課的第三周將項(xiàng)目作業(yè)題目布置給學(xué)生,同時(shí)用1學(xué)時(shí)左右的時(shí)間給學(xué)生簡(jiǎn)單介紹傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì),包括減速器的類型、電動(dòng)機(jī)的選擇、傳動(dòng)比的分配及傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算等內(nèi)容。這樣學(xué)生在已知設(shè)計(jì)參數(shù)的情況下,減速器內(nèi)、外零件的設(shè)計(jì)計(jì)算會(huì)隨著課程內(nèi)容的不斷進(jìn)展而逐步完成。在講滾動(dòng)軸承壽命計(jì)算及軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),直接針對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)中二級(jí)減速箱中具有代表性的高速輸入軸,將軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算及軸承的壽命計(jì)算等教學(xué)內(nèi)容貫穿在該實(shí)例中,這樣的調(diào)整既可以完成規(guī)定的教學(xué)任務(wù),又結(jié)合了項(xiàng)目作業(yè)的具體內(nèi)容,使學(xué)生不僅掌握了軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算中應(yīng)該注意的問題,也為其它兩根軸(中間軸和低速軸)的設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。
此外,在每章的教學(xué)過程中,具體零件雖然不同,但教學(xué)的基本思路始終遵循著一條主線,即:零件的工作情況分析→失效形式分析→確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則→設(shè)計(jì)計(jì)算(參數(shù)的選擇)→結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)并找出課程系統(tǒng)性和規(guī)律性的知識(shí)。同時(shí)在講課的過程中要求同學(xué)們多對(duì)比,找共性,比如,同是能夠完成運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳動(dòng),帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的共性和各自的特點(diǎn)、運(yùn)用范圍和環(huán)境是什么?定性地分析斜齒輪傳動(dòng)為什么比直齒輪傳動(dòng)更適合高速重載?有了直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪,為什么還要有蝸桿傳動(dòng)和錐齒輪傳動(dòng),它們的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合是什么?通過引出問題,讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行思考,幫助他們更深刻地掌握本課程的基本知識(shí)和基本理論。
2.3 教學(xué)模式的探索
2.3.1 主體式教學(xué)
主體式教學(xué)讓學(xué)生盡可能真正作為主體參與教學(xué)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié),以興趣、問題為導(dǎo)向,啟發(fā)、激勵(lì)學(xué)生的主動(dòng)實(shí)踐意識(shí),注重學(xué)生質(zhì)疑力、觀察力等素質(zhì)的培養(yǎng),增加使學(xué)生獲得創(chuàng)新成果的機(jī)會(huì)。③為了充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性,我們將項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)分成三個(gè)階段,即:方案設(shè)計(jì)階段、減速器內(nèi)、外傳動(dòng)零件設(shè)計(jì)階段、軸系組合設(shè)計(jì)階段。其中方案設(shè)計(jì)階段是最具有原始創(chuàng)新的階段,這一階段要求學(xué)生充分運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)、書刊等資料,提出自己的設(shè)計(jì)方案并在小組內(nèi)進(jìn)行交流、對(duì)比和總結(jié),畫出傳動(dòng)方案簡(jiǎn)圖,并對(duì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)布置后的一周,我們?cè)谡n堂上安排了方案設(shè)計(jì)階段的討論,每組同學(xué)選派代表進(jìn)行報(bào)告,發(fā)表本組的設(shè)計(jì)思路和觀點(diǎn)。通過這樣的學(xué)習(xí),使學(xué)生實(shí)現(xiàn)了由“學(xué)習(xí)者”到“研究者”角色的轉(zhuǎn)換。
2.3.2 研討式教學(xué)
項(xiàng)目作業(yè)的第二、三階段,我們采用的是研討式教學(xué)。第二階段的主要任務(wù)是每組同學(xué)根據(jù)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案,開展傳動(dòng)系統(tǒng)中傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算,完成時(shí)間為三周。雖然課堂中的教學(xué)內(nèi)容與該階段所運(yùn)用的主要知識(shí)點(diǎn)相呼應(yīng),但學(xué)生還必須通過課外查閱相關(guān)資料、手冊(cè)、圖冊(cè)等技術(shù)資料和文獻(xiàn)方可完成相關(guān)的設(shè)計(jì),因此學(xué)生在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容的同時(shí),探索和研究與自己項(xiàng)目設(shè)計(jì)課題相關(guān)的解決問題的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)過程。在第二階段結(jié)束后,組織了第二次課堂討論,由老師及同學(xué)進(jìn)行點(diǎn)評(píng),及時(shí)解決設(shè)計(jì)中存在的問題,比如:在齒輪材料選擇過程中,是否考慮到了做成齒輪軸后齒輪與軸材料保持一致性?傳動(dòng)比分配是否合適,不造成中間大齒輪和低速軸的干涉?
第三階段的主要任務(wù)是軸系的組合設(shè)計(jì),也是減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要階段,兼顧工作量和后續(xù)課程設(shè)計(jì)的連續(xù)性,在項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)中只要求學(xué)生對(duì)高速軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),中間軸及低速軸的設(shè)計(jì)及裝配圖的繪制和零件圖的繪制放在了課程設(shè)計(jì)階段。第三階段完成時(shí)間為三周,與課堂理論教學(xué)同步進(jìn)行,結(jié)束后安排了第三次課堂討論和報(bào)告。由于軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),卻有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)原則,既要考慮軸上零件的安裝、加工,也要考慮其可靠定位。因此,在這次課堂討論過程中,同學(xué)表現(xiàn)非?;钴S,同學(xué)們不斷發(fā)現(xiàn)問題,提出軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理之處,并說(shuō)明原因,提出改進(jìn)方案。在討論中,學(xué)生對(duì)軸系組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)一步鞏固,在發(fā)現(xiàn)別人錯(cuò)誤的同時(shí),也改進(jìn)和提高了自己的設(shè)計(jì)。本次課堂討論的結(jié)果使學(xué)生在減速器裝配圖繪制中,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的錯(cuò)誤率大大低于往屆學(xué)生,教學(xué)效果非常顯著。
2.4 評(píng)價(jià)考核
由于項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)貫穿在整個(gè)教學(xué)過程中,因此對(duì)于學(xué)生最后成績(jī)的評(píng)定,我們采取加大平時(shí)成績(jī),弱化最后期末考試成績(jī)的辦法,將評(píng)價(jià)貫穿于機(jī)械設(shè)計(jì)課程的全過程。成績(jī)分配比例為:項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)20%,到課率及平時(shí)作業(yè)為10%,最后閉卷考試成績(jī)占70%。
3 幾點(diǎn)思考
(1)研究型教學(xué)成敗的關(guān)鍵在于教師的投入,教師主導(dǎo)的好壞會(huì)直接影響到學(xué)生主體性的表現(xiàn),因此教師需要付出更多的時(shí)間去組織教學(xué)內(nèi)容,去選擇適合的項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè),去組織課堂討論并評(píng)價(jià)學(xué)生的研究成果(包括討論過程中的點(diǎn)評(píng)及課下項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)的批改)。實(shí)踐表明,研討式的教學(xué)模式,可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,培養(yǎng)對(duì)課程內(nèi)容的興趣,在交流、研討的過程中,加深對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用,同時(shí)可多角度地運(yùn)用設(shè)計(jì)思想進(jìn)行客觀分析和辯證思考,逐步養(yǎng)成敢于質(zhì)疑的良好思維品質(zhì)。
(2)“機(jī)械設(shè)計(jì)”研究型教學(xué)在實(shí)踐過程中,將項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè),理論授課和課程設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合在一起,使學(xué)生在探討、學(xué)習(xí)、實(shí)踐的過程中逐步掌握理論知識(shí),項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)和理論授課同步進(jìn)行,課程設(shè)計(jì)在項(xiàng)目作業(yè)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入和升華,從而使機(jī)械設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)成為“理論—實(shí)踐(下轉(zhuǎn)第120頁(yè))(上接第106頁(yè))—再實(shí)踐”的過程。學(xué)生在這樣的培養(yǎng)過程中,有利于形成科學(xué)的學(xué)習(xí)態(tài)度和創(chuàng)新品格,形成良好的責(zé)任心和專業(yè)事業(yè)心。
(3)研究型教學(xué)更適合于以班級(jí)為單位或人數(shù)較小的課堂開展。由于本次所授課堂學(xué)生數(shù)量較大(共計(jì)114人),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期的數(shù)量,在規(guī)定的課內(nèi)學(xué)時(shí)討論中,無(wú)法保證所有組學(xué)生到講臺(tái)上展示他們的研究成果。如果小班授課,遵循同樣的研究思路,將會(huì)取得更顯著的效果。
基金項(xiàng)目:河北省教學(xué)改革項(xiàng)目(2012GJJG126)
注釋
① 林健.面向“卓越工程師”培養(yǎng)的研究性學(xué)習(xí).高等工程教育研究,2011(6):5-15.
② 郭海濤,王曉明,張丙芳.加強(qiáng)研究型教學(xué),培養(yǎng)創(chuàng)新型人才.山西醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào):基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育版,2010.5(12):481-482.
③ 張文娜,熊飛麗.研究型教學(xué)模式實(shí)踐與探討——基于《傳感器與測(cè)試技術(shù)》.當(dāng)代教育論壇,2011.3:50-52.endprint