王慶楠

（懷化學(xué)院 物電與智能制造學(xué)院，湖南 懷化 418000）

引言

機械設(shè)計課程是高等院校機械類專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)技術(shù)必修課，該課程起到從理論基礎(chǔ)到設(shè)計實踐的承前啟后作用。該課程以通用零件為學(xué)習(xí)對象，培養(yǎng)學(xué)生掌握機械零件的設(shè)計方法和規(guī)律，能夠初步具備機械系統(tǒng)的分析和設(shè)計能力，為從事機械工程設(shè)計工作打下基礎(chǔ)。該課程一般是行業(yè)性工科高校和重點綜合性高校開設(shè)，是與實踐聯(lián)系比較緊密的設(shè)計課程，兼具理論性和實踐性。

部分地方普通高校由師范、醫(yī)學(xué)或農(nóng)業(yè)等非工科院校建設(shè)發(fā)展而來，在工科課程的教學(xué)思路上處于逐步成熟的階段。對于機械設(shè)計課程的教學(xué)常存在不同的觀點。有些按照研究型大學(xué)的方法實施教學(xué)，容易忽視地方院校實際水平和應(yīng)用型高校的屬性[1]。有些強調(diào)技能培訓(xùn)，容易忽視完整知識體系的教育和學(xué)習(xí)，沒有很好區(qū)分應(yīng)用型本科高校和高職教育的差異。因此，在機械設(shè)計的實際教學(xué)活動存在一些不足之處。筆者以在地方普通高校從事機械設(shè)計課程教學(xué)的經(jīng)驗，就課程教學(xué)開展探索性的改革實踐和研究。

一、地方普通高校機械設(shè)計課程的特點

地方普通高校定位為應(yīng)用型高校，服務(wù)地方區(qū)域經(jīng)濟和社會發(fā)展[2]，對學(xué)科門類進行擴展，推動了工科專業(yè)的發(fā)展。但是，一些地方普通高校在課程的定位上往往以重點高校為參照，走學(xué)術(shù)型的精英教育，強調(diào)理論型知識的傳授，并且有的地方普通高校的前身并不是工科院校，在教學(xué)上也會慣性地沿用文理科的思維慣性，類比數(shù)學(xué)、物理和力學(xué)。在授課方式和教學(xué)內(nèi)容上，一些地方普通高校以傳統(tǒng)的講授授課為主，教學(xué)過程中把注意力集中在公式推導(dǎo)和演算，而且以此作為期末考試的重點進行考核。這缺少知識應(yīng)用的工程情境，單純地講授基本原理，使得課程抽象、內(nèi)容單一。而部分地方普通高校學(xué)生的邏輯思維和數(shù)學(xué)抽象能力不夠強，學(xué)生對知識的實踐應(yīng)用價值不了解[3]，難以掌握機械設(shè)計課程內(nèi)容的重難點。比如脫離軸系和傳動系統(tǒng)，單純講軸的設(shè)計，將成為純粹的數(shù)學(xué)解析，會導(dǎo)致學(xué)生將高中的學(xué)習(xí)方法套用在機械設(shè)計課程上，關(guān)注理論計算和公式推導(dǎo)的模板式的學(xué)習(xí)，而忽視實際應(yīng)用的問題[4]。有的理科課程可以進行單純的理論研究，而機械設(shè)計課程很多內(nèi)容是直接聯(lián)系工程應(yīng)用場景。重點高校之所以可以偏重于理論研究和教學(xué)，得益于工科基礎(chǔ)的積累和行業(yè)背景，可以為其提供科研教學(xué)支撐和補充。所以，應(yīng)當(dāng)厘清機械設(shè)計課程的內(nèi)涵邏輯，不能忽略機械設(shè)計課程的工程性和實踐性，更不能將設(shè)計性的課程虛化為理論性課程。

但是，機械設(shè)計課程也并不是純粹地學(xué)習(xí)實踐操作方面的技能培訓(xùn)課，課程教學(xué)不能脫離理論知識的支撐，只談實踐技能的培養(yǎng)。如果過多強調(diào)對新技術(shù)和新方法的掌握，學(xué)生的設(shè)計將是缺乏依據(jù)的，零部件的選型和設(shè)計隨意性較大，弱化為重復(fù)工作。比如讓沒有足夠理論知識支撐的本科學(xué)生學(xué)習(xí)有限元軟件的使用，在現(xiàn)有教學(xué)課時有限、學(xué)生水平各異的情況下，較難在理論層面將有限元技術(shù)與機械設(shè)計的課程知識聯(lián)系起來。學(xué)生具體面對軸的計算分析，就會產(chǎn)生計算法則采用平均應(yīng)力還是最大剪切應(yīng)力的困惑，有限元的計算結(jié)果也就不再具備實際意義。地方本科院校立足于地方發(fā)展，學(xué)生畢業(yè)后主要在地方企業(yè)從事工程設(shè)計和技術(shù)管理工作[5]，地方企業(yè)需要的是兼具扎實理論知識和設(shè)計能力的工程人才[6]，彌補在高學(xué)歷科研人員和技術(shù)工人之間的空缺，能夠在工程應(yīng)用過程中完成從方案到產(chǎn)品的技術(shù)落地。所以，機械設(shè)計課程教學(xué)應(yīng)當(dāng)是向?qū)W生傳授專業(yè)知識為核心，應(yīng)用新技術(shù)和新方法是促進課程教學(xué)活動開展的工具和手段。

地方普通高校的機械設(shè)計課程應(yīng)當(dāng)立足于學(xué)?，F(xiàn)狀和學(xué)生現(xiàn)有的知識水平，注重應(yīng)用型的工程知識講解[7]，讓學(xué)生掌握機械零件工作原理、設(shè)計理論、設(shè)計步驟和計算方法等共性問題，要以培養(yǎng)學(xué)生的工程問題分析、機械設(shè)計能力為核心，對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和補充，同時加強學(xué)生工程意識的培養(yǎng)和實踐教學(xué)活動的開展。

二、機械設(shè)計課程教學(xué)改革的實施策略

（一）基礎(chǔ)知識前期導(dǎo)入

在每章節(jié)內(nèi)容前，增加必要的支撐知識內(nèi)容導(dǎo)入。機械設(shè)計課程在機械基礎(chǔ)理論到專業(yè)設(shè)計課之間起著承上啟下的作用，需要機械制圖、工程材料、材料力學(xué)、理論力學(xué)、機械原理等必修課程知識作為基礎(chǔ)。上述課程集中在大學(xué)一、二年級進行，其理論性強、內(nèi)容繁雜，部分地方普通高校學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不夠牢固、存在知識點遺忘的現(xiàn)象。部分學(xué)校使用濮良貴主編的《機械設(shè)計》作為課程教材[8]，該教材編撰嚴(yán)謹(jǐn)合理，但是因為篇幅限制和重點高校學(xué)生對前期知識掌握度高的考慮，該教材在各章節(jié)涉及上述前續(xù)課程知識時，默認(rèn)學(xué)生已知而沒有介紹。部分地方普通高校學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性較差[9]，導(dǎo)致對本課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容無法透徹理解、處于被動學(xué)習(xí)的狀態(tài)。所以，在實施教學(xué)的過程中，有必要加入前述課程相關(guān)知識進行適當(dāng)講解作為支撐。比如，在理論性較強的“疲勞強度計算”教學(xué)中，應(yīng)先介紹材料力學(xué)的變應(yīng)力概念，讓學(xué)生在理解不同變應(yīng)力循環(huán)特性的基礎(chǔ)上，再展開講授本課程疲勞曲線、等壽命曲線、等疲勞強度方面的知識內(nèi)容，這樣循序漸進地將先修知識對接課程內(nèi)容，更有利于學(xué)生對課程的理解和掌握。

（二）整合構(gòu)建課程內(nèi)容

梳理課程知識點的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)合工程化實踐的例子，將碎片化的課程章節(jié)沿著設(shè)計主線串聯(lián)起來，合理安排課程難點重點。機械設(shè)計課程涉及面廣、知識點多，各章節(jié)的內(nèi)容相對獨立缺乏關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)致部分從未接觸設(shè)計課程的學(xué)生較難連貫地學(xué)習(xí)理解。課程內(nèi)容可以模塊化劃分為四個，依次是設(shè)計準(zhǔn)則和計算方法、傳動部分、連接部分、軸系部分，各部分之間相互聯(lián)系。首先，課程內(nèi)所有的零件設(shè)計都遵循第二章正向和反向計算法的流程（設(shè)計計算和校核計算）。第三章講述疲勞強度和接觸強度，實質(zhì)上就是零件的整體疲勞強度和表面疲勞強度，結(jié)合靜強度計算，可以涵蓋課程所有章節(jié)的強度計算問題。前三章的設(shè)計準(zhǔn)則和計算方法實際上構(gòu)成理論基礎(chǔ)，是貫穿機械設(shè)計的總體規(guī)律和規(guī)則，之后的各章則是在這個總的理論框架下對具體零件的解析設(shè)計問題。這樣梳理出從機械設(shè)計一般理性的規(guī)律到感性具化實例的關(guān)系，學(xué)生就有一個從理論概念到應(yīng)用知識的學(xué)習(xí)過程，將碎片化課程章節(jié)內(nèi)容整理建構(gòu)成完整的知識體系。比如零件的面接觸是低副接觸，表面強度是擠壓強度，其潤滑對應(yīng)流體動力潤滑，這樣就將滑動軸承、流體動力潤滑、擠壓強度、鍵連接等分散在三個模塊的知識串聯(lián)起來。零件的線接觸是高副接觸，表面強度是接觸強度、屬于彈性力學(xué)范疇，則其潤滑對應(yīng)彈性流體動力潤滑，這樣就將齒輪、滾動軸承、接觸強度、彈性流體動力潤滑、表面疲勞點蝕等分散在四個模塊的知識點串聯(lián)起來。第三強度理論對應(yīng)軸強度計算，第四強度理論對應(yīng)螺栓強度計算；疲勞強度對應(yīng)零件的整體強度，將齒根強度、軸的強度、螺栓強度等分散在四個模塊的知識串聯(lián)起來；接觸強度對應(yīng)零件的表面強度，將齒面點蝕、軸承點蝕等分散在三個模塊的知識串聯(lián)起來。這樣各種零件設(shè)計的邏輯聯(lián)系和區(qū)別，可以構(gòu)成一個關(guān)系明確的體系，使得理論內(nèi)容不再難懂，讓學(xué)生清晰地理解課程各章內(nèi)容的知識脈絡(luò)。

在內(nèi)容的章節(jié)安排上，可以傳動系統(tǒng)為主線，將課程的所有知識點串聯(lián)起來。軸和軸上零件構(gòu)成軸系，包括安裝在軸上的軸承、聯(lián)軸器、離合器、帶輪、鏈輪和齒輪，這些零件又由螺栓、鍵或者過盈配合聯(lián)接。教學(xué)中進一步聯(lián)系工程實例擴展知識點，比如單向穩(wěn)態(tài)變應(yīng)力可以用轉(zhuǎn)軸、車輛彈簧、氣缸上的預(yù)緊螺栓，分別對應(yīng)說明循環(huán)特性為常數(shù)、平均應(yīng)力為常數(shù)和最小應(yīng)力為常數(shù)。螺紋連接重點在于強度計算，沒有接觸工程實踐的學(xué)生容易混淆不同類型螺栓和載荷的區(qū)別。所以，進一步拓展到螺紋連接的詳細(xì)工程背景，預(yù)緊、防松、材料、螺栓組形式和加工方式，延伸涵蓋加工、設(shè)計、制造、裝配、維護的全過程，突出在工程上的應(yīng)用性和實踐性，拓展學(xué)生的眼界和思路，啟發(fā)學(xué)生要有統(tǒng)籌全局的設(shè)計理念。

在教學(xué)時間分配上，由于當(dāng)前存在擴展科目、壓縮課時的情況，一般控制在56個學(xué)時以內(nèi)，所以要合理劃分教學(xué)內(nèi)容。側(cè)重講解齒輪傳動、蝸桿傳動、帶傳動、螺紋連接、軸、軸承，而鏈傳動、鍵連接、聯(lián)軸器、離合器、制動器和彈簧等內(nèi)容由學(xué)生自學(xué)。各章節(jié)的公式較為抽象復(fù)雜，在課程前期將疲勞強度和接觸強度講透徹，后繼章節(jié)具體零件的強度計算就不需要再贅述公式推導(dǎo)，只結(jié)合具體零件說明公式各參數(shù)的含意和用法。強化公式所涉及的參數(shù)與工程因素的聯(lián)系，讓學(xué)生能夠在設(shè)計場景中觸類旁通應(yīng)用計算公式。這樣，既明析了理論公式與實際設(shè)計的關(guān)系、減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，也更接近在企業(yè)工程項目上的實際設(shè)計方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用的設(shè)計能力。同時，傳動系統(tǒng)的各類零件可以結(jié)合課程設(shè)計，不必過于拘泥課程理論教學(xué)和課程設(shè)計在時間安排上的限制，以減速器為學(xué)習(xí)對象更直觀地介紹給學(xué)生，既降低了學(xué)習(xí)難度，又可以有效控制課程的學(xué)時。

（三）創(chuàng)新教學(xué)方法

傳統(tǒng)教學(xué)板書授課往往是公式推導(dǎo)和堆砌概念，比較枯燥且耗時多、效率不高，影響了教學(xué)效果。引入機械工程領(lǐng)域的新技術(shù)、新方法，能拓寬學(xué)生認(rèn)知視野，產(chǎn)生代入感加深理解工程應(yīng)用中的機械設(shè)計方法。課程教學(xué)采用先進設(shè)計方法打破傳統(tǒng)學(xué)科之間的壁壘，建立多尺度、多參數(shù)的物理模型虛擬鏡像[10]，映射仿真產(chǎn)品設(shè)計到生產(chǎn)過程的全過程。Matlab編程建立機械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進行理論技術(shù)分析，可以清晰表述抽象的公式和概念。采用參數(shù)化的CAD設(shè)計如AutoCad、Solidworks、Creo進行零部件建模和參數(shù)設(shè)置[11]，根據(jù)實際裝配關(guān)系虛擬裝配，驗證零件間的位置和運動關(guān)系的設(shè)計合理性。如減速器軸上鍵槽設(shè)計在同一母線、聯(lián)接鍵略長于輪轂寬度、軸肩小于軸承內(nèi)圈、余留裝配空間和防止運動副干涉等，可以解決傳統(tǒng)的講解和圖例難以直觀理解的問題。使用有限元軟件如Ansys、Abaqus對關(guān)鍵零部件進行強度分析以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)力分析的應(yīng)力分布圖可以解決應(yīng)力集中、應(yīng)力畸變等理論公式難以清晰反映的受力分析問題。通過虛擬仿真軟件如Adams進行動力學(xué)性能評估分析，直觀清晰地展示空間運動狀態(tài)，得到運動軌跡和速度、加速度、慣量等動力參數(shù)。結(jié)合Unity3D虛擬仿真實驗，體驗測試不同參數(shù)對輸出結(jié)果的影響，既能達(dá)到真實實驗的效果，同時又能避免由于高成本、臺數(shù)少和安全隱患導(dǎo)致的學(xué)生實驗不足、動手能力差的問題[12]。通過這些工程設(shè)計軟件的教學(xué)應(yīng)用，增加了授課信息量，課程形式也更為生動，有利于拓寬學(xué)生的知識面，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，也更符合學(xué)生的邏輯思維規(guī)律。

同時，通過信息技術(shù)在空間和時間上擴展課堂，課程內(nèi)容的分散性恰好可以通過線上教學(xué)，充分利用學(xué)生碎片化的時間，解決學(xué)時不足、部分課程內(nèi)容需要自學(xué)的問題。該校采用學(xué)習(xí)通作為線上教學(xué)平臺，根據(jù)機械設(shè)計的工程屬性，在線上以項目實例為載體，展開和推進工程情景化的教學(xué)活動。如以傳動系統(tǒng)為主線前后連貫減速器的各個零件，同時結(jié)合課程設(shè)計分散對應(yīng)課程的各個章節(jié)，讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)。平時線上就涉及到減速器各類零件的分析和設(shè)計，這樣也可以解決課程設(shè)計一般安排在學(xué)期末時間不足的問題。學(xué)習(xí)資料和課件、習(xí)題都上傳到網(wǎng)絡(luò)，便于學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后練習(xí)和線上討論，作業(yè)和任務(wù)在“學(xué)習(xí)通”上完成。這樣，教學(xué)過程的考核因素、考評方法、成績比重都重新設(shè)計，章節(jié)學(xué)習(xí)10%、論討10%、考勤20%、習(xí)題60%，適當(dāng)增多過程考核。線上自動批改、匯總成績、保留學(xué)習(xí)痕跡，從而全面地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)程度，及時發(fā)現(xiàn)調(diào)整薄弱點，實現(xiàn)教學(xué)活動的持續(xù)改進。

（四）工程素養(yǎng)的實踐培養(yǎng)

機械設(shè)計課程教學(xué)向?qū)W生傳授扎實專業(yè)理論知識的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)進一步培養(yǎng)學(xué)生解決實際設(shè)計問題的工程素養(yǎng)，達(dá)到為地方發(fā)展培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才的目標(biāo)。長期以來受通識教育基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)模式的影響，部分學(xué)生形成單人獨立的做題習(xí)慣，而工程應(yīng)用過程中有很多因素需要綜合考慮，很多計算公式也是基于實驗和經(jīng)驗的總結(jié)，計算參數(shù)往往是在一定范圍浮動，只有相對合理的解，而沒有唯一的絕對正確的解。機械設(shè)計課作為設(shè)計性課程，要讓學(xué)生明白工程上的設(shè)計任務(wù)是開放性的問題，在實踐中提煉核心設(shè)計對象，按規(guī)范流程分工協(xié)作完成設(shè)計任務(wù)。在教學(xué)活動中應(yīng)該營造特定的工程情景進行教學(xué)，在工程實踐的環(huán)境下讓學(xué)生完成從知識傳授到能力、素養(yǎng)培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變。與地方企業(yè)合作開展工程應(yīng)用教學(xué)是比較理想的途徑，但是依據(jù)近年的反饋來看效果一般。主要原因是機械行業(yè)在競爭的環(huán)境下，企業(yè)的設(shè)計和制造任務(wù)較多，缺少足夠的精力支持高校的教學(xué)活動。通常由企業(yè)工程管理或設(shè)計人員抽空開展方向性的介紹，往往是單一講解，只適合專業(yè)導(dǎo)論或講座之類的活動。由于部分地方普通高校缺乏行業(yè)支撐，因此，應(yīng)該立足學(xué)校自身的資源開展機械設(shè)計課程實踐教學(xué)活動，而課程設(shè)計和學(xué)科競賽是學(xué)校能力范圍內(nèi)切實可行的途徑。

地方普通高校應(yīng)該以課程設(shè)計為主要的實踐教學(xué)手段，依托項目任務(wù)為載體、以學(xué)生為執(zhí)行主體，在項目推進的過程中，引導(dǎo)學(xué)生掌握運用已學(xué)知識解決設(shè)計問題的能力。設(shè)置若干在機械工程的實際開發(fā)過程中將遇到的問題，讓學(xué)生先初定變量，進而計算得到中間變量，再綜合工況因素和結(jié)構(gòu)參數(shù)確定最后的零件尺寸，校核計算如果不達(dá)標(biāo)或者存在結(jié)構(gòu)干涉，就再多次返工重新修改調(diào)整，通過多次反復(fù)修正迭代設(shè)計才能達(dá)到性能要求。在教學(xué)中，讓學(xué)生認(rèn)識到機械設(shè)計不是簡單的做題，要遵循機械設(shè)計的規(guī)范和流程，以辯證科學(xué)的思維方式解決復(fù)雜工程問題。

在此基礎(chǔ)上挑選綜合能力較好的學(xué)生，參加更有挑戰(zhàn)性的學(xué)科競賽。這類比賽重視將專業(yè)知識與實踐應(yīng)用的結(jié)合，往往要求制作實物參賽，在機械范疇進行創(chuàng)新性的設(shè)計和制造。學(xué)生根據(jù)賽項分析問題、查閱文獻(xiàn)資料和擬定設(shè)計方案，除了全面考驗機械設(shè)計的專業(yè)知識和技能，還涉及賽程有限的時間和成本控制。所以，需要學(xué)生組合成團隊進行分工協(xié)作，涉及設(shè)計計算、圖紙繪制、技術(shù)文檔撰寫、加工制作、安裝調(diào)試等多個環(huán)節(jié)，符合企業(yè)實際工程項目的任務(wù)分配和輪崗位實際。教師側(cè)重指導(dǎo)學(xué)生觀察各個環(huán)節(jié)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，了解重要性能指標(biāo)、平衡整體的設(shè)計理念，利用專業(yè)知識和創(chuàng)新能力去解決工程實踐問題。

三、結(jié)語

針對地方普通高校在機械設(shè)計課程教學(xué)活動，本文結(jié)合筆者在該課程的教學(xué)實踐經(jīng)驗，從課程內(nèi)容、教學(xué)方法、工程素養(yǎng)等方面闡述了機械設(shè)計課程教學(xué)的改革路徑。使課程改革立足學(xué)校專業(yè)和地方發(fā)展的現(xiàn)狀，遵循應(yīng)用型技術(shù)人才的培養(yǎng)規(guī)律，明晰該課程是設(shè)計性課程的本質(zhì)，統(tǒng)籌理論知識和實踐技能的平衡。整合設(shè)計課程內(nèi)容和教學(xué)方法創(chuàng)新優(yōu)化，轉(zhuǎn)變學(xué)生思維慣性，培養(yǎng)學(xué)生具備機械設(shè)計的創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)。這既是辦好新建工科專業(yè)發(fā)展的內(nèi)在要求，也是為地方培養(yǎng)應(yīng)用型機械技術(shù)人才的客觀需要。