邊宇樞，張玉茹，畢樹生

摘 要：機械設計綜合實踐課是機械設計系列課的一門重要后續(xù)實踐課程。然而，多年來該課程逐漸被邊緣化，致使學生的綜合設計能力無法得到有效培養(yǎng)。文章依托機械設計綜合實踐課，重點對培養(yǎng)學生的綜合設計能力進行了教學探索。首先，對機械設計學科的綜合設計能力內涵進行了挖掘，提出了綜合設計能力的三層模型。在此基礎上，以培養(yǎng)學生的綜合設計能力為目標，擴充了機構學基本理論知識，設計了面向機構創(chuàng)新的實訓項目，并且將現(xiàn)代設計方法與先進計算機輔助設計手段相融合，有效推動了學生設計能力與科研素質的培養(yǎng)，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：機械設計；綜合實踐；綜合設計能力；教學改革

中圖分類號：C961 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）21-0076-04

Abstract： Comprehensive practice course of mechanical design is an important practice course. However， this course is somewhat neglected in recent years. As a result， students' comprehensive design ability cannot be effectively trained. This paper aims to explore how to cultivate students' comprehensive design ability based on the comprehensive practice course of mechanical design. Firstly， the meaning of comprehensive design ability of the mechanical design subject is revealed， and the three-layer model of comprehensive design ability is put forward. Then， in order to train students' comprehensive design ability， fundamental knowledge of the theory of mechanism is introduced and new training projects for mechanism innovation are designed. By integrating modern design methods and advanced computer aided design technology， students' design ability and scientific quality are effectively enhanced. And satisfactory educational results have been gained.

Keywords： mechanical design； comprehensive practice； comprehensive design ability； teaching reform

機械設計系列課是高等工科院校機械類專業(yè)的重要基礎課程，主要包括：機械制圖、機械原理、機械設計等。學生在學完這些課程之后，還需要學習一門重要的后續(xù)課程，即：機械設計綜合實踐課（原名：機械設計綜合課程設計）。

與機械設計系列課有所不同，機械設計綜合實踐課是一門重要實踐環(huán)節(jié)課程[1]。它不僅擔負著融會貫通機械設計系列課程知識的任務，更是拓展學生視野、培養(yǎng)綜合設計能力、鍛煉科研素質的重要平臺。然而，多年來這門課程一直不被重視，逐漸被邊緣化。在此狀況下，學生既不能有效掌握系統(tǒng)的設計理論與分析方法，又不能熟練運用各種計算機輔助設計工具，綜合設計能力十分薄弱。

當前，機械設計學科正在發(fā)生深刻變革[2-4]。各種新的設計理論與分析方法層出不窮，各種計算機輔助設計工具大量涌現(xiàn)。新形勢對機械設計綜合實踐課建設提出了新要求。因此，有必要重新審視機械設計綜合實踐課的地位和作用，開展新的教學探索。

目前，機械設計綜合實踐課的教學改革方興未艾[5-12]，尚有很多工作需要去做。為此，本文依托機械設計綜合實踐課，重點對培養(yǎng)學生的綜合設計能力進行了教學探索，取得了良好的教學效果。

一、問題與現(xiàn)狀

隨著機械設計學科的發(fā)展，原有機械設計綜合實踐課教學已無法適應新形勢的要求，逐漸暴露出一系列問題。以我校為例，主要表現(xiàn)為：

1. 設計對象以減速器為主，偏傳統(tǒng)、少新意，學生積極性不高。

2. 實訓項目陳舊，其設計思路和實施步驟均有現(xiàn)成答案可供參考，難度低，學生熱情不高。

3. 教學內容側重于機械零部件的結構設計，缺少對執(zhí)行機構進行設計與分析的內容。

4. 在教學模式上以教師授課為主，學生的主觀能動性不足。

5. 教學重點在于回顧機械設計系列課中的重要知識點，自身內容不具備完整性，缺乏對設計過程中所需要的機構運動學與動力學領域重要概念和知識的輸入。

6. 學生只見樹木不見森林，不能獲得比較系統(tǒng)完整的機械設計步驟與流程的訓練。

7. 學生主要依賴手工繪圖，設計手段落后，缺乏運用計算機輔助分析設計工具進行機械設計的訓練。

上述問題不僅嚴重影響了教學質量，更使學生喪失了培養(yǎng)綜合設計能力的寶貴機會。

二、綜合設計能力的內涵

在高等工科院校的相關專業(yè)中設置機械設計系列課的主要目的在于培養(yǎng)學生的綜合設計能力。但是，這種能力并非僅通過知識的學習即可實現(xiàn)，更有賴于后期的實踐訓練予以培養(yǎng)和鍛煉。

我們經(jīng)過一系列教學探索，認為這種綜合設計能力主要包含三個層次，如圖1所示。

第一層次是培養(yǎng)學生具備扎實完備的基礎知識功底。所謂“基礎知識”，并非狹義地指“機械制圖”“機械原理”和“機械設計”等機械設計系列課程知識。這些知識固然對學生從事機械設計非常必要，但并不充分。還需要適當擴展引入構型綜合、運動學與動力學分析、強度設計與校核、優(yōu)化設計等機構學基礎知識和重要概念。在這些重要知識欠缺的情況下，學生不具備扎實完備的基礎知識，也就不可能開展高水平的機械設計和分析。

第二層次是培養(yǎng)學生使用現(xiàn)代設計方法與先進計算機輔助設計手段進行設計和分析的能力。雖然具備扎實的基礎知識十分重要，但是若不掌握恰當?shù)脑O計方法與設計手段，仍將事倍功半。當前，機械設計學科正在經(jīng)歷深刻變革。各種新的設計方法層出不窮，為機械創(chuàng)新設計注入了新活力；各種計算機輔助設計工具大量涌現(xiàn)，為機械產(chǎn)品研發(fā)提供了強大動力。在新的形式下，將現(xiàn)代設計方法與計算機輔助設計手段相融合實現(xiàn)創(chuàng)新設計——這是對新一代機械工程技術人才提出的新要求。

第三層次是培養(yǎng)學生創(chuàng)造性構思的設計能力。一般而言，機械產(chǎn)品的設計從創(chuàng)新性上可以分為三層。最低層是“從有到有”，即：選型設計，重點在于根據(jù)設計要求進行產(chǎn)品選型。第二層是“從有到新”，即：類比設計，重點在于借鑒他人成果解決自己問題。最高層是“從無到有”，即：原創(chuàng)設計，重點在于概念設計。對于機械設計綜合實踐課而言，在學生具備了扎實的基礎知識、有效的設計方法和嫻熟的設計技能基礎上，重點引導學生從低層次的選型設計過渡到更高層次的類比設計，即：培養(yǎng)學生創(chuàng)造性構思的設計能力和總體上把握設計方案的能力，為原創(chuàng)設計奠定基礎。這是對學生綜合設計能力的更高層次要求，需要通過精心設計實訓項目予以訓練。

三、教學探索

為培養(yǎng)學生的上述三層次綜合設計能力，我們開展了一系列的教學探索。

（一）擴充機構學基本理論知識

在教學內容上，打破原有課程的封閉性。針對實訓項目，適當引入構型綜合、運動學與動力學分析、強度設計與校核、優(yōu)化設計等機構學基礎知識，擴充學生的知識面。引導學生初步學會運用這些知識實現(xiàn)機構的分析與綜合。

在引入新知識的過程中，堅持“夠用即可”的原則，注重在難度和廣度上進行控制，避免分散學生的精力。在教改思路上，強化“設計”、弱化“分析”。使學生重點掌握在何時何地把這些知識如何有效運用于設計過程中以解決問題，而非過度關注這些知識的內在細節(jié)，從而在宏觀上建立起正確的機械設計思路與分析流程。

為此，在教學內容的編排上，適當增加執(zhí)行機構的設計內容，相應減少零部件結構設計內容。鑒于減速器具有十分典型的機械特征而值得初學者學習，因此予以保留。但是將以往的二級減速器結構設計精簡為單級減速器結構設計。既保留原有精華，又減少重復性勞動。這為新內容的引入節(jié)省出大量時間，從而使學生有精力去掌握更加完備的基礎知識。

（二）現(xiàn)代設計方法與先進計算機設計手段相融合

在構型綜合、運動學與動力學分析、強度設計與校核、優(yōu)化設計等環(huán)節(jié)中，全面引入ADAMS、SolidWorks、ProE、AutoCAD等多種計算機輔助設計工具，培養(yǎng)學生將現(xiàn)代設計方法與計算機輔助設計手段相融合實現(xiàn)創(chuàng)新設計的能力。其中，利用ADAMS軟件進行機構的創(chuàng)新設計、運動學與動力學分析、強度設計與校核、優(yōu)化設計；利用SolidWorks、ProE等軟件進行減速器的三維結構設計；利用SolidWorks、ProE等軟件的二維投射功能或者AutoCAD軟件，進行減速器的二維裝配圖和二維零件圖的設計。上述做法有效提升了學生的綜合設計技能。

（三）設計面向機構創(chuàng)新的實訓項目

實訓項目是學生在機械設計綜合實踐課上需要完成的設計任務，是教學要求與培養(yǎng)目標的實施載體。實訓項目的水平在很大程度上決定了學生的培養(yǎng)水平。因此，實訓項目的設計十分重要。

一方面，實訓項目應滿足教學大綱要求，即：包含原動機、傳動裝置、工作機（執(zhí)行機構）三部分，并且能夠對機械原理與機械設計等主要課程內容進行訓練。另一方面，改變只針對減速器進行設計的做法，擴大選題范圍。鑒于授課教師具有深厚的科研背景和豐富的工程經(jīng)驗，直接從他們的科研項目以及工程實際中提煉一些難度適中、具有一定實用價值和挑戰(zhàn)性的實訓項目，例如：力反饋裝置、眼外科手術器械、艙門機構等，如圖2～圖4所示。將設計對象從經(jīng)典的鉸鏈四桿機構等擴展到并聯(lián)機構、遠程運動中心（RCM）機構等，從減速器等傳統(tǒng)領域擴展到前沿的人機交互、微創(chuàng)手術、空間機構等領域。這不僅擴展了視野，又提升了設計過程的挑戰(zhàn)性，對于提高學生的科研素質和創(chuàng)新精神具有極為重要的意義。

（四）樹立以學生為中心的啟發(fā)互動教學模式

在以往課堂教學時，教師會不厭其煩地講授每個設計細節(jié)。其結果雖然降低了難度，但是沒有為學生留下充分的自由想象空間，最終也無益于能力的鍛煉。

為此，我們改變“教師為主、學生為輔”的教學模式。在課堂教學中，采用啟發(fā)式、互動式授課方法。一方面，充分發(fā)揮教師的引導作用，側重幫助學生理解并掌握機械設計的正確思路以及現(xiàn)代機械設計方法與流程，然后放手讓學生自主開展工作。另一方面，根據(jù)實訓項目，將學生分成若干小組。在機構的方案設計與論證階段，以學生為主體，圍繞設計任務自行開展資料收集、方案提出、方案優(yōu)化、方案論證的工作。然后，每個小組制作PPT，在規(guī)定時間內闡述自己團隊的最終方案，并且回答老師和其他同學的提問。通過上述做法，強化學生自主學習和自主攻關，鍛煉學生解決實際問題的能力。

此外，為每個班級配備相關專業(yè)的研究生作為助教，在計算機輔助設計工具的使用方面給予輔導，大大降低學生使用計算機輔助設計工具進行機械設計的難度。

（五）建立全面的評價體系

原有的評價體系并不完善，側重于檢查學生對基礎知識，尤其是對繪圖知識的掌握，無法全面反映學生的綜合設計水平。為此，改為在專業(yè)基礎知識、計算機輔助設計技能、機構創(chuàng)新設計能力三個層面綜合評價學生。每個評價層面又由多項評價指標組成，從而建立起比較完整的評價體系，實現(xiàn)對學生綜合設計能力的全面評價。

四、教學實踐

在教學探索的基礎上，以培養(yǎng)學生的綜合設計能力為目標，積極開展了教學實踐。教改后的機械設計綜合實踐課的主要教學過程分為以下五個階段。

（一）理解階段

在此階段，教師為學生分配實訓項目，并對學生進行分組。根據(jù)實訓項目內容，為學生講解相關背景、研究意義以及重要概念。

針對實訓項目，引導學生掌握理解實訓項目的方法，重點培養(yǎng)學生從實訓項目中提煉各種設計約束（如：尺寸約束、運動約束、動力約束等）的能力，并且建立起以“約束”作為設計的起點與歸宿的重要設計理念。

（二）機構設計階段

在此階段，教師針對具體的實訓項目，提供一些重要的參考文獻，引導學生查閱資料，尋找解決實訓任務的思路。在此基礎上，指引學生把思路逐步具體化，從而提出具體的機構構型方案。若存在多個方案，則進一步引導學生進行方案的比較、篩選與優(yōu)化，并且撰寫方案論證報告。然后，學生以小組為單位制作PPT，進行匯報并答辯。最終，確定方案。

（三）分析階段

首先，針對最終確定的執(zhí)行機構方案開展運動學分析。為此，利用虛擬樣機仿真分析工具ADAMS軟件分析執(zhí)行機構的運動性能。根據(jù)分析結果檢驗是否滿足實訓項目規(guī)定的尺寸約束和運動約束。如果不滿足，需要重新修改機構方案及其特性尺寸。通過多次反復，最終確定執(zhí)行機構的構型及特性尺寸。

在滿足運動學要求的基礎上，繼續(xù)進行動力學分析。為此，利用虛擬樣機仿真分析工具ADAMS軟件分析執(zhí)行機構的動力學性能。重點分析：驅動力（矩）、運動副阻力（矩）、工作載荷與速度（加速度）之間的定量關系等，檢驗能否滿足實訓項目規(guī)定的動力約束。如果不滿足，需要重新修改機構方案的動力學參數(shù)，直至滿足要求。在此基礎上，確定執(zhí)行機構工作時的實時功率與最大功率。

（四）結構設計階段

首先，根據(jù)執(zhí)行機構所需的最大功率確定原動機的輸出功率與額定功率。再根據(jù)執(zhí)行機構輸入端的運動要求，確定原動機（電動機）的額定轉速以及減速器的傳動比，并最終確定原動機的型號。

其次，確定減速器的傳動方案，例如：齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動。

接下來，利用SolidWorks、ProE等軟件進行減速器的三維結構設計；利用AutoCAD軟件，繪制減速器的二維裝配圖以及二維零件圖。

（五）總結與答辯階段

學生整理設計結果，打印圖紙，撰寫設計說明書。

學生參加答辯。教師針對學生的各設計環(huán)節(jié)進行提問，學生予以回答，以此檢驗教學效果。

五、結束語

本文依托機械設計綜合實踐課，對培養(yǎng)學生的綜合設計能力進行了教學探索。對綜合設計能力的內涵進行了挖掘，提出了綜合設計能力的三層模型。在此基礎上，以培養(yǎng)學生的綜合設計能力為目標，開展了教學探索與實踐。在教學內容上，擴充了機構學基本理論知識。為擴展學生視野，設計了面向機構創(chuàng)新的實訓題目，并將現(xiàn)代設計方法與先進計算機設計手段相融合。樹立了以學生為中心的啟發(fā)互動教學模式。建立了三層評價體系，比較全面地評價學生。這些教改探索有力推動了對學生綜合設計能力的培養(yǎng)，取得了良好的教學效果。

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