美国《机械零件设计》教材的特色与启示

刘　莹　吴宗泽

摘要：教材建设是提高我国高等教育质量的一个重要内容。本文以近年来出版的3部具有一定代表性的美国《机械零件设计》教材为对象，阐明了这些教材以人为本的理念和注重启发性、工程实践性、学科之间的关联性、学科新发展等特色，为我国编写出更多有中国特色、符合我国高等机械工程教育特点的优秀教材提供借鉴。

关键词：美国教材特色；机械设计；教材建设

教材作为学生学习的重要工具，如何提高质量，体现学科的基本要求和发展，将实用性与前瞻性结合起来，并且有特色或独创性是我们每一个高等教育工作者需要深入思考的问题。

机械设计课程作为高等院校机械工程专业的基础课有着极其广大的学生受众群体，在机械工程专业的机械基础系列课程中占有重要的地位。因此，机械设计课程教材的编写质量在一定程度上直接影响到高等机械工程人才培养的质量。编写具有中国特色、符合我国经济建设人才需求的机械设计教材是一项重要的工作。作者近年来结合双语教学的实践及主编北京市高等教育精品教材、“十一五国家级规划”教材工作，阅读、缩编和翻译了若干本美国近期出版的机械设计相关教材及专著，对于这些教材编写中以人为本的理念和注重工程实践性、启发性等特色有了更深刻的认识，为我国机械设计类教材的编写提供了有益的启示。

本文以三本具有代表性的美国《机械零件设计》教材，即Robert L，Mott编写的Machine Elements in Mechanical Design第4版(后称教材1)、Bernard J.Hamrock,Steven R.Schmid和Bo Jacobson编写的Fundamental D，MachineElements第2版(后称教材2)及M.F.Spotts，T.E.Shoup和L.E.Hornberger编写的DesignD，MachineElements第8版(后称教材3)为对象，阐述其编写的主要特色。

一、以读者的视角进行启发性学习导读，培养学生提出问题、分析问题的能力

现代教育的理念倡导学生为主体，教师为主导。即，在教学的过程中应该使学生从“要我学”的被动地位转化为“我要学”的主动学习状态。机械设计课程由于知识面的广泛及其深厚的实际工程背景，往往使我们的学生难以尽快进入角色，在心理上逐渐失去学习的兴趣。如何通过教材提高学习兴趣，引导学生进入学习状态，把自己作为主角?如何提高学生提出问题、分析问题的主动性和能力?教材1在这方面体现出独有的特色。表现在以下两个方面：

1每个章节的开篇以第二人称的表述方式，通过“概览(The Big Picture)”的形式，引导学生进入本章节的学习情景

“概览”一般包括：“讨论导引(Discussion Map)”和“(如果)你是一个设计师(You arc the designer)”两个部分。在“讨论导引”中围绕本章的主要对象(零部件)引导学生去观察、发现其工作特点；提出设计一个安全可靠方案需要考虑和解决的问题；然后将学生(读者)设想成设计者，即“(如果)你是一名设计师”引出本章节学习的目标和主要内容。以第9章“直齿圆柱齿轮设计”为例：首先，将直齿圆柱齿轮传动的几何特点进行了回顾(教材第8章介绍了齿轮啮合的原理)；随后在“发现”中，请学生观察和描述直齿圆柱齿轮的啮合运动、应力特征及其影响因素：结合“发现”提出的观察内容，在下文中进一步提出类似的一些思考题：“考虑在齿轮啮合过程中以及整个齿面上，什么位置齿轮所受应力最大?”；“原动机对齿轮传动有何影响?采用电动机和采用以汽油为燃料的发电机作为动力对设计有什么不同吗?”等。经过以上的过程，引导学生从观察现象中发现问题，分析问题解决的方法，将学生吸引到齿轮传动设计所要考虑的主要问题上，进入到设计的准备状态。在第二部分的“(如果)你是一名设计师”中完全将学生置于一个设计主角当中，通过“你如何完成一个齿轮传动设计?”的提问，引出了齿轮传动设计的主要内容。

以上教材的编写形式使得作者如导演一般将演员(学生)按照剧情逐渐引入到角色中，阅读教材的过程也如同读剧本一样有非常生动的画面。这种效果比起教材刻板的介绍或概述，对于读者更具有亲和力、感染力和启发性。更有助于培养学生发现问题、分析问题的主动性和能力。

2章节后大量的与内容呼应的分类习题，帮助学生由浅至深、从简到繁地熟悉和掌握章节主要的知识点

仍以第9章为例，书后共有习题83个：编者按照本章的内容编排，将习题分成专题：齿轮传动的受力分析(6个)、齿轮制造与质量管理(10个)、齿轮材料(19个)、轮齿的弯曲应力分析(6个)、许用弯曲应力的计算(6个)、(轮齿)疲劳点蚀失效分析(6个)、许用接触应力的计算(6个)、(综合)设计问题(11个)、齿轮传递功率的能力分析(3个)、双级齿轮减速传动的设计(6个)和塑料齿轮设计(4个)。习题的编排覆盖了直齿圆柱齿轮设计的全部内容，通过一定量的习题练习不仅使学生对齿轮设计的全面知识进行了训练，而且能够体会齿轮传动设计需要考虑的主要问题和一般步骤，有助于学生掌握机械设计的一般方法。习题的设计反映出编者对于课程基本内容和教学要求研究透彻。这值得我国教材在习题的设计方面借鉴。

二、与工程背景和日常生活紧密联系，通

过大量的应用实例将知识与技术很好

地结合起来

机械设计是一门工程应用背景非常突出的技术基础性课程，不仅包括了机械设计的基本知识、基础理论、基本方法，更重要的是还包括了机械设计的基本技能。教材2采用“案例学习(Case Study)”作为例题的补充形式，通过提炼工程实际和日常生活中机械设计的应用实例，使学生了解机械设计方法如何在生产实际中应用。例如，在介绍了齿轮及蜗杆传动设计方法后，以食品混合机械中的传动链部分为例对真实的工程设计过程进行了详细的阐述。通过案例学习，使学生了解实际问题中原动力、齿轮初始的参数，如齿数、传动比、齿轮材料等选择的方法和约束条件，特别是工程问题答案的可行性和不惟一性特征等。再例如，教材2在讲述机械设计中的安全性考虑时，通过一个农妇因丈夫在修理拖拉机链条时受到飞出的金属碎片致残而与拖拉机制造商打官司的事例，说明在机械设计中不仅在设计阶段，而且在使用维护阶段均要考虑安全性，这非常重要。在阐述机械设计对最终产品成本的影响时，教材2中给出了一个摆动式动力锯前后两个设计方案，从初步方案中41个零件，安装时间6，37分钟；到改进设计后只有29个零件，装配时间缩短到2，58分钟。通过具体的数据使学生深刻直观地理解了“产品的成本往往在设计阶段就决定了”这一理念。案例教学的方法的积极作用已经在教学中取得共识。我国一部分同类教材在此方面也进行了积极的

尝试，并在教学实践中取得良好的效果。

另外，机械设计课程中的结构设计方法是设计内容和设计能力培养的一个重要组成部分。教材1、2、3通过大量制作精美、结构详尽的照片或插图(包括轴测图、工程图、实物图片)等，介绍了工程和生活实际应用的典型结构，使学生对机械结构有更加直观的认识和理解，也是引导学生进行结构设计的很实用的参考资料。

三、注重机械设计与材料科学、机械制造

学科之间的关联性，使学生正确认识

设计与工艺的关系，从而提高解决机

械设计问题的综合设计能力

机械设计是多学科交叉的科学，其中和材料学与机械制造更是有着密不可分的联系。教材1、2、3均将与机械设计相关的材料内容，如：主要类型、机械性能、应用场合以及应用实例，独立成章加以介绍，使学生能够对材料选择有整体的概念。加工制造方法在零件的结构设计中有重要的指导作用。上述教材通过大量的现场和实物图片将在生产现场才可以了解到的制造知识介绍给学生。如：齿轮的制造中不仅介绍了常用方法、典型刀具、常用设备、检验技术、质量控制等实用技术，还对制造技术发展，如精密磨削设备、加工中心等加以简述，使学生更深刻理解齿轮结构设计的要素和注意的问题，有助于提高学生解决实际工程设计问题时，综合分析问题的能力。

四、注重机械设计学科新的理念和发展介

绍，以帮助学生树立机械设计学科的

专业志向

《礼记》学记中有这样一句话：“善歌者，使人继其声。善教者，使人继其志。”机械设计虽然是一门古老的学科，但是随着经济的发展和人们物质文化生活需求的提高，仍然存在许多亟待解决的问题。如何使机械工程专业的学生通过机械设计课程，从一个侧面了解机械设计的发展和重要性，从而启发和激励学生树立正确的专业理想，是在编写教材中面临的一个重要问题。我国的绝大部分教材考虑到机械课程本身的学时约束，对机械设计的新方法和新发展，常采用避实就虚的做法，一般仅在绪论中有一些简述。但美国的三部教材都不约而同地采用了一定篇幅，甚至是整章的篇幅向学生介绍新的设计理念、设计方法。如：教材2在绪论中，以独立一节的内容介绍了计算机技术在机械设计中的应用。通过无影畸齿矫正牙套的设计与制造案例，简明地阐述了计算机技术在形状设计、应力分析、产品制造等环节中的应用，使学生了解到计算机和信息技术的发展给机械设计带来的巨大影响，以及相互促进的关系。第20章紧密结合微机电系统的发展，介绍了MEMS(Elements of micro-electro mechanical system)中的零件设计方法；教材3中，第13章介绍了形态综合(Form synthesis)在机械设计中的具体应用。以上这些内容扩展了学生对机械设计的理解，也使学生能够了解到新兴学科与传统学科之间的联系，从而能够根据自己的兴趣和长处选择专业志向。

以上分析了美国机械设计教材的四个方面的主要特色，从中可以得到以下的几点启示：

首先，教材作者需要加强对具有我国学生学习本门课程的规律的研究。我国绝大部分机械工程类的学生在工程实践背景和能力方面较薄弱，只有在摸清学生对于实践性较强的课程的学习规律，才能够有的放矢地进行启发式、循序渐进式的内容组织。

其次，教材作者要根据机械课程本身的性质、内涵和教学目的，深入研究教材编写中如何体现工程实践能力、综合解决问题等能力的培养问题，使我们的教材既体现机械设计理论体系的完整性，又能够更好地在培养学生机械设计实践能力上提高教材的实用性。以上美国的教材以密切联系实际的描述或举例，不仅拉近了机械设计与实际应用的距离，在一定程度上消除了课程的神秘感，增强了课程的实用功能，调动了学生学习的主动性。目前，国内已有一些教材增加了章节的重点、难点和知识拓展、参考书目等；这些都对于学生的自学和进一步研究提供了帮助，值得提倡。

第三，教材的作者(一般是从事高等教育的教师)，需要积极主动地投身到机械设计的工程实践和科学研究工作中，从中开阔眼界、汲取和更新知识，有助于在教材编写中游刃有余地将机械设计的基本理论与技术方法、传统的知识与现代的发展联系起来，使教材内容增强实用性的同时，又具有前瞻性。

责任编辑文和平