婁秀華 杜為民 姚海蓉

1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 100083

2.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100083

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是筆者所在學(xué)校的農(nóng)業(yè)機(jī)械化專業(yè)、工業(yè)設(shè)計(jì)和農(nóng)業(yè)工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。課程內(nèi)容多而雜，學(xué)生不僅要掌握常用機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)動特性、設(shè)計(jì)思路和功能特點(diǎn)，也要掌握通用零部件的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)計(jì)算方法等基本知識。當(dāng)今社會要求學(xué)生能夠具備較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力以及分析和解決工程實(shí)踐問題的能力。改革教學(xué)內(nèi)容和創(chuàng)新教學(xué)方法是高校一直關(guān)注的問題。筆者曾經(jīng)在美國普渡大學(xué)訪問學(xué)習(xí)，調(diào)研了國外的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)類課程的授課方式和方法，其專業(yè)基礎(chǔ)課設(shè)置了大量的實(shí)踐性輔助課程，并多以小組團(tuán)隊(duì)的形式討論工程實(shí)際問題，不僅培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識，學(xué)生還能在團(tuán)隊(duì)合作中互相學(xué)習(xí)，在分析求解和專業(yè)問題論證的過程中，學(xué)生表達(dá)能力、專業(yè)理論知識和專業(yè)技能得到了很大的提高。國外多層次和全方位培養(yǎng)人才的方式使該課程迫切需要改革教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法?？v觀國內(nèi)在課程授課內(nèi)容上工程應(yīng)用特點(diǎn)不突出，獨(dú)立思考解決實(shí)際工程問題能力培養(yǎng)上過于局限。雖然高校極力強(qiáng)調(diào)知識的系統(tǒng)性、學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的重要性，但在課程實(shí)施中還是以往的思維模式。本文結(jié)合筆者近20年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和國外的人才培養(yǎng)模式，改革機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新型教學(xué)方法，以培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)思維能力為目的，并在實(shí)踐中逐步完善和成熟。

1 課程教學(xué)內(nèi)容改革

深入了解社會對專業(yè)人才能力的需求，以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為目標(biāo)安排教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合現(xiàn)代教育技術(shù)手段和方法，改革優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

1.1 工程實(shí)踐性內(nèi)容融入課程

例如課程《緒論》一章，講授課程研究的對象、研究內(nèi)容、作用和意義時，結(jié)合大量的工程實(shí)踐中的錄像讓學(xué)生認(rèn)識到學(xué)習(xí)本課程的重要性，激發(fā)學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的欲望。課程中主要以農(nóng)用車輛發(fā)動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)或洗衣機(jī)為例，針對不同的專業(yè)列舉的研究對象有所不同。課程授課中講解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理、性能要求和設(shè)計(jì)的全過程，同時給出通用零件和專用零件、機(jī)構(gòu)的概念和常見機(jī)器的組成及機(jī)器與機(jī)構(gòu)的區(qū)別和聯(lián)系；以實(shí)驗(yàn)室的料斗提升機(jī)為例，動畫展示工作過程，介紹機(jī)械傳動裝置包括哪些主要的零部件、機(jī)器的設(shè)計(jì)要求，工作過程中出現(xiàn)的主要失效形式和強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，從工程實(shí)際問題出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。并引導(dǎo)學(xué)生采用其他傳動方案，培養(yǎng)他們學(xué)習(xí)本課程的興趣。

《機(jī)械原理部分的平面機(jī)構(gòu)自由度和速度分析》一章，介紹繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的意義，同時以大量的動畫為例，如凸輪機(jī)構(gòu)及齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，詳細(xì)講解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副、約束和機(jī)構(gòu)自由度等概念及平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制方法和過程。又如小型壓力機(jī)，介紹其運(yùn)動簡圖的繪制方法和自由度的計(jì)算方法等。

《平面連桿機(jī)構(gòu)》一章，列舉大量的工程實(shí)例，如公共汽車的車門開關(guān)機(jī)構(gòu)、縫紉機(jī)的腳踏機(jī)構(gòu)、雷達(dá)天線和慣性篩機(jī)構(gòu)，結(jié)合這些實(shí)例，學(xué)生不僅有感性認(rèn)識，也意識到學(xué)習(xí)這些知識的重要性。又如在教學(xué)《內(nèi)燃機(jī)》一章時，播放其運(yùn)動視頻，講解其中的典型曲柄連桿機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的條件，講解在不同的工作條件下如何設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)。

機(jī)械設(shè)計(jì)部分在講解《滾動軸承》一章時，結(jié)合播放滾動軸承組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錄像片，展示軸承如何裝配和拆卸及軸系的幾種安裝方式等，課程中學(xué)生對這段視頻的播放表現(xiàn)出極大的興趣，收到了很好的教學(xué)效果。

1.2 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)性和深入性

課程內(nèi)容不僅完整而且自身要形成一種合理的體系結(jié)構(gòu)。內(nèi)容補(bǔ)充工程材料的知識、鋼的熱處理和制造工藝等方面的技術(shù)內(nèi)容，這些內(nèi)容雖然在以往的課程中學(xué)過，但如何與本課程結(jié)合起來，例如齒輪通過哪些熱處理方式可以增加其表面硬度和芯部的韌性，這樣處理的目的和意義，在工作中又會出現(xiàn)哪些失效形式，強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足哪些性能要求等?！段仐U傳動》一章，介紹各種蝸桿的加工工藝特點(diǎn)和加工局限，講解其出現(xiàn)的主要失效形式與工藝加工方法之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)蝸桿傳動要注意哪些問題，針對哪些強(qiáng)度設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)方法?！痘瑒虞S承》一章，其材料是比較特殊的，與其他零部件的材料之間有什么不同及材料經(jīng)過熱處理后的性能、有什么工程應(yīng)用意義等。

每章的內(nèi)容講解中，要引導(dǎo)學(xué)生對一些知識點(diǎn)深入理解。例如書中的圖表不是簡單的數(shù)字羅列，要引導(dǎo)他們分析數(shù)據(jù)的變化趨勢，如何更好地選擇數(shù)據(jù)等?！稁鲃印芬徽?，基本額定功率的大小是在一定的實(shí)驗(yàn)條件下得到的數(shù)據(jù)，如果帶長度不是特定長度，數(shù)據(jù)隨著帶長度的增加，系數(shù)怎樣變化，對強(qiáng)度有什么影響，要分析數(shù)據(jù)變化的原因等。

1.3 增加課堂討論內(nèi)容專題

課堂討論專題大都采用的是學(xué)生提前準(zhǔn)備討論的內(nèi)容，在課堂上講解出問題的提出、解決的方案、設(shè)計(jì)的過程等，學(xué)生互相討論，最后教師做總結(jié)。討論專題對促進(jìn)學(xué)生和學(xué)生之間互相學(xué)習(xí)、學(xué)生與教師之間的交流溝通是非常重要的。學(xué)生不僅有機(jī)會發(fā)表不同的觀點(diǎn)，聽取不同的意見，大膽突破和創(chuàng)新，同時在討論中創(chuàng)造包容和平等的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)質(zhì)疑、被質(zhì)疑的環(huán)境，對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)有著非常重要的作用。高校都在努力達(dá)到很好的效果，但真正做到卻不是容易的事情，主要集中在討論內(nèi)容的深度不夠和廣度存在局限性。建議教師拿出具體的實(shí)施方案，高校教務(wù)部門給有思想有能力的教師空間和研究經(jīng)費(fèi)，真正達(dá)到課堂討論的目的。例如，《帶傳動》一章，就彈性滑動現(xiàn)象，讓學(xué)生以見到的生活中的實(shí)例為例，以小組討論的方式讓學(xué)生真正理解彈性滑動現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，提出設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。目前，我們采用的是將科研中遇到的問題提出來，學(xué)生去解決，如2017年底結(jié)題的科研項(xiàng)目“溫室大棚中的電動拖拉機(jī)變速箱設(shè)計(jì)”，提出設(shè)計(jì)問題，學(xué)生給出解決的方案。在整個準(zhǔn)備和討論過程中，學(xué)生提出了非常有價(jià)值的方案。

總之，依托專業(yè)機(jī)械作為教學(xué)背景，課程內(nèi)容中列舉大量的工程實(shí)例，注重課程與相關(guān)專業(yè)課之間的聯(lián)系。針對不同的工程問題，采用不同的處理方法，把理論教學(xué)和專業(yè)實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生的工程實(shí)踐能力和解決實(shí)際問題的綜合能力也得到了很好的培養(yǎng)，同時也為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 課堂教學(xué)中融入多種現(xiàn)代化教學(xué)手段和全方位創(chuàng)新型教學(xué)方法

根據(jù)筆者的上課特色和教學(xué)思路組織新穎多樣化的教學(xué)內(nèi)容，不同的教學(xué)內(nèi)容采用不同的授課方法，學(xué)生就不會有課堂聽課疲勞的現(xiàn)象。在授課課堂上，基本做到每位學(xué)生緊跟課程授課思路，積極回答問題，而且經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有個別同學(xué)搬動活動座椅到第一排聽課，因?yàn)檫@樣會收到比較好的聽課效果。這也為幾年的教學(xué)改革給予了極大的肯定。

教學(xué)方法是高等院校一直探討的問題。對每位教師而言應(yīng)該采取不同的教學(xué)方法，將多種教學(xué)方法結(jié)合起來，并形成一套可行的教學(xué)方法是非常重要的。典型工程實(shí)際案例、歸納總結(jié)和對比、虛擬環(huán)境演示教學(xué)、現(xiàn)場教學(xué)、虛實(shí)結(jié)合教學(xué)及翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式，合理地將這些豐富多彩的教學(xué)方法結(jié)合起來，并恰當(dāng)?shù)厝谌虢虒W(xué)中是非常重要的。目前在教學(xué)中得到了學(xué)院和學(xué)生們的認(rèn)可，并收到了很好的授課效果。

2.1 虛擬樣機(jī)和實(shí)物模型相結(jié)合的教學(xué)方法在課程中的應(yīng)用

將ADAMS多體動力學(xué)軟件應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?！哆B桿機(jī)構(gòu)》一章，在講解時，可以現(xiàn)場建立連桿機(jī)構(gòu)的多體動力學(xué)模型，通過改變連桿的參數(shù)，分析連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動可執(zhí)行性的條件；應(yīng)用ADAMS建立凸輪機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，學(xué)生可以更直觀地了解凸輪機(jī)構(gòu)從動件的常用運(yùn)動規(guī)律，添加ADAMS傳感器，測量從動件的位移、速度和加速度，學(xué)生更容易理解 “反轉(zhuǎn)法”設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)凸輪廓線的設(shè)計(jì)能力，同時學(xué)生學(xué)會將先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段應(yīng)用到問題的分析中，增強(qiáng)學(xué)生的求知欲望。通過ADAMS建立常用機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)仿真模型，并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真分析，同時錄制成便于教學(xué)的視頻文件。在授課中為學(xué)生提供各種機(jī)構(gòu)的虛擬仿真演示系統(tǒng)，同時在設(shè)計(jì)中可以將自己的創(chuàng)意施展出來，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的不足，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識。

也可將ADAMS和ANSYS軟件結(jié)合起來應(yīng)用到課程中，對機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)以及后續(xù)課程學(xué)習(xí)起到了非常重要的作用。沒有開設(shè)實(shí)驗(yàn)課的專業(yè)，如工程力學(xué)專業(yè)的學(xué)生，除了每章理論學(xué)習(xí)的作業(yè)外，充分利用學(xué)生的課余時間開展分組討論的活動，建立各個機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)仿真產(chǎn)品，制作出創(chuàng)新作品，通過實(shí)踐指導(dǎo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，搭建實(shí)物模型，并給出相應(yīng)的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)特性分析過程，幫助學(xué)生理解所學(xué)內(nèi)容，加深對理論知識的理解和應(yīng)用。

2.2 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式融入教學(xué)中

翻轉(zhuǎn)課堂是目前高校提出應(yīng)用的教學(xué)模式。但其應(yīng)用還不夠普及，筆者所在的學(xué)校已經(jīng)將翻轉(zhuǎn)課堂融入課堂教學(xué)中。對于專業(yè)基礎(chǔ)課程，筆者認(rèn)為采用課堂教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂混合教學(xué)模式是比較實(shí)用的，同時側(cè)重于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、分析事物能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，通過學(xué)生集中討論，教師參與互動，共同消化吸收專業(yè)知識。這種結(jié)合方式在教學(xué)實(shí)踐中收到了很好的教學(xué)評價(jià)和教學(xué)效果[2]。

筆者在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)中設(shè)置了大量討論和實(shí)踐性專題課，在課程授課前為學(xué)生提供一些查閱的資料或需要討論完成的內(nèi)容，也鼓勵學(xué)生將相關(guān)領(lǐng)域的、感興趣知識內(nèi)容與大家共享，同時增加作業(yè)頻率，與網(wǎng)上完成討論答疑等多種方式結(jié)合起來，讓課程授課過程更活躍。實(shí)踐證明，兩種教學(xué)方式結(jié)合，取長補(bǔ)短，有著無可比擬的優(yōu)勢。注重將全方位、多層面的教學(xué)方法應(yīng)用于課程教學(xué)中。

2.3 在理論環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上增加實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)時量

筆者負(fù)責(zé)的農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)業(yè)機(jī)械化和工業(yè)設(shè)計(jì)3個專業(yè)的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程，增設(shè)了4個學(xué)時的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，與以往相比，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情高，同時在課程中融入了實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)時，學(xué)生因?yàn)橛辛藢C(jī)械總體的認(rèn)識，能夠積極主動地思考問題，學(xué)習(xí)熱情也高漲了。同時他們積極參與到課堂，經(jīng)常搜集一些資料或者把創(chuàng)新大賽的內(nèi)容和本課程結(jié)合起來，因此認(rèn)知能力總體提高了。

3 結(jié)語

上述為筆者機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容改革和實(shí)踐，同時在教學(xué)中巧妙地應(yīng)用多樣化的教學(xué)手段和方法。經(jīng)過3年的實(shí)踐，收到了很好的教學(xué)效果，學(xué)生總體評價(jià)很高，督導(dǎo)組多次聽課檢查，也給出了教學(xué)全優(yōu)的評價(jià)結(jié)果。在今后的教學(xué)中將繼續(xù)尋找更先進(jìn)的教學(xué)方法，培養(yǎng)出合格的專業(yè)技術(shù)人才。