“包装机械设计”课程设计教学的改革探讨

2013-01-25 18:24李晓刚
中国林业教育 2013年2期
关键词:机械设计课程设计机械

李晓刚

(北京林业大学材料学院,北京 100083)

“包装机械设计”是包装工程专业课程体系中的一个专业主干课,主要介绍用于完成全部或部分包装过程的机械分类、结构组成、工作原理及其设计与应用等内容。它区别于“机械设计基础”课程。“机械设计基础”注重的是了解机械的通用零部件和机构的组成元素,了解这些通用零部件和机构的设计与应用,而“包装机械设计”的重点是围绕不同功能的包装机械展开的,从整体的角度了解机械的设计与应用。由于包装机械种类繁多,结构复杂,因此“包装机械设计”课程的教学内容多、抽象,涉及面广、理论性强。为了使学生能更好地掌握包装机械设计的理论知识,提高学生分析、解决工程问题的能力,“包装机械设计”课程就必须配备一定的实践环节,课程设计是“包装机械设计”的重要实践教学环节,必须给予足够的重视[1]。

笔者通过对“包装机械设计”课程设计教学现状的分析,从课程设计题目的选择与规划、教学方法与手段以及评价考核体系等方面,就如何提高教学质量,培养学生解决实际工程问题的能力,提出了一些改革思路和措施。

一、“包装机械设计”课程设计教学现状分析

(一)课程设计周期短

目前,我国大多数高校设置的包装工程专业属于非机械类专业,学生学习的机械类课程主要有“工程制图”“机械设计基础”和“包装机械设计”等。“机械设计基础”和“包装机械设计”的理论课结束之后,均有一周的课程设计,“包装机械设计”课程设计的内容是从包装机械所完成功能的角度出发,设计一台典型包装机械,要区别于“机械设计基础”课程设计的减速器。因此,“包装机械设计”的课程设计更具有针对性,更能考察学生解决实际工程问题的能力和创新性。由于非机械类的包装工程专业安排的机械类课程学时少,内容浅,造成了学生学习兴趣低下,没有积极性,同时,仅一周的学时,无法对课程进行循序渐进地系统设计,从而导致学生思考问题不认真、不周全,照搬照抄,计算绘图盲目仓促,难以达到课程设计所设置的目的要求。

(二)设计题目一成不变

“包装机械设计”课程中涉及的包装机械根据功能可以分为12大类,按道理说,课程设计可选用的题目很多,但由于大多数包装机械结构复杂,实际设计周期较长,设计周期较短的或者实际操作性好的题目较少。所以,“包装机械设计”课程的设计题目往往是某一类包装机的设计,如枕型包装机横封装置设计,近几年来基本未变,学生只要直接照搬照抄往届的课程设计,就可以完成本课程设计,严重制约了学生创新设计能力和创造性思维的发挥。

(三)学生的整体工程意识薄弱

课程设计的目的是从工程设计角度出发,考察学生解决实际工程问题的能力,因此,好的机械设计在保证机械结构和加工工艺合理、成本低的同时,还要保证机械工作的安全可靠,实现安全性和经济性的统一。由于学生接触实际工程设计的机会较少,无法了解实际工程中会遇到什么样的问题,因此,在课程设计的过程中,学生只能片面地考虑机械结构和外观的美观,而忽略了加工工艺合理性和机械设计的总体经济性,整体工程意识较为薄弱。

(四)教学方法单一落后

“包装机械设计”的课程设计题目和内容的布置通常是在“包装机械设计”理论课结束后进行,前后间隔较长,学生对相关内容记忆已经比较模糊,只能重新进行自学。在学生自学的过程中难免存在个别不明白、不理解的地方,这样势必会影响后续课程设计的准确性。在课程设计过程中,学生通常采用人工计算和绘图的方式,一旦参数选择不合理或计算错误,必须重新返工,费时费力,学生精神压力大,严重影响了课程设计的进程和效果。以往课程设计最终成果就是学生提交课程设计说明书和手绘工程图纸,整个课程设计过程没有指导教师的监督,而且教师与学生之间的交流、讨论甚少,极易造成学生思考问题不够周全、设计不合理、计算、绘图出现错误,甚至会产生思维惰性、照搬照抄等不良现象。

教师对课程设计的考核方式也过于简单。教师只凭印象批阅说明书和图纸,自行决断,确定最终得分。整个课程设计过程前期组织动员工作准备不充分,缺乏师生的交流与互动,对学生的监督与管理不严,教学方法落后,形式单一,考核缺乏标准性和透明度,助长了懒惰学生抄袭的不良风气,影响了勤奋好学学生的积极性,严重违背了课程设计教学的初衷。

二、“包装机械设计”课程设计教学的改革措施

现代高等教育强调“以人为本,以学生为中心”的教育理念,这正好符合建构主义学习理论的中心思想:以学生为中心,强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构,学生在探索问题的过程中寻找问题的解决方法[2]。因此,以建构主义学习理论为指导思想,摒弃单向的、灌输式的、封闭的传统教学模式,以学生为中心,以教师为引导者,致力于激发学生的学习兴趣和积极性,增强师生的互动性,提高学生的参与意识、创新意识和团队意识,对“包装机械设计”的课程设计各环节,进行了系统地改革。

(一)设计题目的选择和规划

为了调动学生的学习兴趣和积极性,激发学生的创新思维,培养学生的创新能力,教师应鼓励学生自主规划设计题目和内容,即教师在讲授理论课时,要求学生主动收集和查阅相关文献资料,分析现有包装机械或者其某个机构的研究现状及发展历史,发现存在的不足或问题,并编写研究报告,经过教师的整理和筛选,确定若干个具有一定针对性的包装机械创新设计或改进设计题目,然后构建包装机械课程设计题目库,最后由老师指导学生编写课程设计任务书。教师要参考工作量大小、难易程度,设置设计的难度系数,使设计题目具有一定的挑战性,能满足不同学生的需求。包装机械课程设计题目的多样性、挑战性必须以综合性为前提,设计题目和内容必须涉及“机械设计基础”中的基础内容,在掌握基本设计能力的同时,培养学生的创新意识和能力。

学生自主规划设计题目和内容,可以把理论课的课堂教学与课程设计紧密结合在一起,有利于学生充分发挥创新思维,调动了学生主动学习的兴趣和积极性,培养了学生的团队意识,缓解了设计时间紧、任务重的问题。同时丰富的课程设计题目的类型和数量,可以使学生根据自身的学习情况,自由选择,避免了大多数学生因时间问题而全盘抄袭的现象。

(二)教学方法与手段的改革

1.分散布置、分组设计模式的探索

传统的“包装机械设计”的课程设计采取的是在1~2周内完成的集中设计模式,与课堂教学结合在一起之后,就转变为贯穿整个课程教学的分散式设计模式。教师可以将课程设计进程分为前期准备、初期设计和后期设计3个阶段。在每个阶段中,以学生为主体,教师采用不同的方法与手段,调动学生学习的主动性,使其理解相关内容,并掌握学习方法和技巧。在前期准备阶段中,教师应采用形式多样的教学手段,如图片、视频、机械实物等介绍包装机械的结构组成与工作原理,组织学生以自愿形式组成设计小组,小组人数一般为3~5人,每组选出一名小组长。教师指导学生查阅文献综述,组织小组同学分析讨论文献中反映出的研究现状和发展趋势以及存在的不足,并指导学生如何撰写文献综述或研究报告以及课程设计任务书。在后2个阶段中,教师要求小组长自行主持小组的工作,负责监督小组成员的工作进度与表现,并及时向教师汇报。在初期设计阶段,按照机械设计的一般流程需要完成以下任务:①传动方案设计;②典型结构的分析与综合;③绘制机器运动循环图;④确定最佳方案。后期设计阶段实质就是具体的设计计算阶段,需要完成以下任务:①传动系统的运动设计计算;②结构设计计算和动力计算;③传动零部件的选用以及强度校核;④绘制零部件工程图和装配图;⑤编写课程设计说明书;⑥准备答辩。

分散的设计模式将课程设计内容与课堂教学紧密联系起来,避免了传统的集中模式因时间间隔太长而导致记忆模糊的缺点,给予学生充分的时间主动探索知识、构建信息和解决问题。设计小组的模式有助于学生之间的交流、沟通,有利于培养学生的团队协作精神。

2.计算机技术的应用

在初期设计和后期设计阶段中,学生作为设计主体,需完成所有设计任务,教师以辅导者的身份对学生进行设计指导。学生在这个阶段主要完成计算、绘图等工作。由于工作量很大,为了提高工作效率和准确度,教师应鼓励学生使用Matlab等计算机语言,自己编程,进行传动系统的运动和动力、轴系零部件的强度和寿命等复杂参数的合理选取和计算,满足包装机械中各个执行构件之间较高的运动精度和准确的动作配合关系,从而改善机械动力学性能,达到优化机构的目的[3]。由于包装机械结构复杂、多样,设计制作样机不太可能实现,因此,学生必须借助常用的计算机辅助软件,如AutoCAD、Pro/E、Solidworks等参数化的三维CAD/CAM 软件,这些软件具有零部件的三维造型功能、装配设计功能、工程图功能以及有限元分析功能等,可以实现包装机械虚拟样机的建模、装配、调试、运动模拟及仿真分析。其中借助于有限元分析模块,可以完成包装机械结构的静、动力强度等技术参数的分析计算,精确地预测出包装机械的技术性能,从而缩短设计周期、降低设计成本,增加产品的可靠性,降低设备材料的消耗或成本,为解决实际工程问题提供了有效的途径。这些软件的应用不仅让学生深刻体会到实际工程中可靠性和经济性必须兼具的重要性,也培养了学生的工程意识。同时这些分析软件功能强大、操作简便,包装工程专业课程体系中也配备有相应的CAD课程,因此,教师只需要在初期设计开始阶段进行短期的训练,学生就能快速掌握并熟练地应用。借助于计算机技术,不仅可以激发学生自主学习的动力,提高学习兴趣,学生的设计能力也得到了全面的锻炼和提升。

(三)评价及考核方式的改革

为了遏制抄袭现象,考察学生的创新能力、文献查阅能力、分析及解决问题的能力、设计计算的能力和语言表达能力,课程设计的考核必须有一个透明的评价标准,对学生在整个课程设计过程中的表现进行考核。

1.评价标准

课程设计总体目标是使学生了解、熟悉和掌握机械设计的基本方法和步骤,设计出符合实际要求的合理方案;培养学生理论联系实际的设计思想;训练学生分析和解决工程实际问题的能力以及答辩陈述的语言表达和论述能力。因此,评价学生课程设计的综合能力,应从思想素质、知识掌握和能力培养3个方面着手[4]。

思想素质主要包括学习态度、课程设计进度和出勤;知识掌握主要包括基本知识、图纸质量和设计说明书质量;能力培养主要包括一般机械设计的能力、创新能力、计算、CAD制图以及运用设计资料的能力、虚拟样机建模、装配、修改的能力、考核时语言表达能力、问题论述能力等。

以上3个方面中的每项评价分为优、良、中、及格和不及格5个等级,每个等级设定相应的评价标准。由于不同小组、不同设计题目之间存在工作量和难易程度的区别,因此教师应在所有项目评价结果权重的基础上,适当考虑工作量比例系数和难度系数,确定课程设计的最终成绩。

2.考核方式

为了全面评价学生在整个课程设计周期内的表现,考核分为中期检查和最终考核2个阶段进行[5]。

中期检查是在初期设计阶段结束之后进行,主要考察学生对设计课题相关基本知识的理解和熟悉程度、学生查阅和整理文献资料的能力以及分析问题的能力、传动方案是否可行、总体设计方案是否具有创新性。在课程设计进行过程中,可以采用小组分散讨论的形式,由组长组织小组讨论会,通过交流、讨论和汇报,考察小组成员的设计进度和情况。首先,由小组长总结课程设计中期进度情况,撰写中期总结报告;中间检查时,采用集中陈述的形式,教师组织小组集中陈述会,每个小组的组长作为代表陈述7~10分钟,汇报小组设计进度和内容,教师要求其余小组积极地出谋划策,指出小组设计中存在的问题,提出修改意见,并为其进行打分。

最终考核在课程设计结束之后进行,主要考核学生的语言表达能力、问题论述能力以及创新设计能力。考核采用答辩的形式,同一设计小组的成员依次进行陈述,小组长做最后总结陈述,最终考核不仅注重小组整体表现,也兼顾个人能力。教师和其余小组依据评价标准,对该小组成员的综合能力和整体表现进行打分,结合中期检查分数,确定最终的成绩。这种分阶段、分组的考核方式有助于加强小组成员之间以及小组之间的沟通、交流,调动学生的学习兴趣,发挥其主动能动性,培养团队协作能力和团队意识。

为了适应21世纪人才发展需要,“包装机械设计”的课程设计教学应摒弃传统教学模式中落后的、不合理、单一的方法、手段和形式,基于建构主义学习论思想,从课程设计教学的各个环节、各个方面进行改革,旨在激发学生的学习兴趣,调动学生学习的积极性,加强学生之间、师生之间的互动,注重学生自主设计能力、自学能力、创新意识以及团队协作能力等综合素质的培养。在新的课程设计教学模式中,教师是引导者、咨询者和评价者,而学生成为课程设计教学过程中的主导者,不再被动地接收知识,而是主动探索问题、分析问题、构建知识和解决问题[5]。实践证明,改革后的“包装机械设计”的课程设计教学体系调动了学生自主学习的积极性,学生的团队协作能力和团队意识、工程意识、机械设计水平,学生的语言表达能力也有明显提高。学生普遍反映课程设计教学效果较以往有一定提高。

[1]董俊华,张及瑞,高炳军.“化工设备机械基础”课程设计教学改革的研究与实践[J].广州化工,2011,39(14):152-156.

[2]刘东南,黎小兰.基于建构主义的工科类高等数学课程教学改革[J].湖南工业大学学报,2012,24(2):58-60.

[3]吴若梅,黄源江,陈莘莘,等.基于MATLAB的包装机械课程设计应用[J].株洲工学院学报,2004,18(5):97-99.

[4]赵生莲,张健,起雪梅.论“机械设计”课程设计评价标准及选题指南[J].郑州铁路职业技术学院学报,2011,23(1):54-61.

[5]王砚军,李长春,王玉增.“机械原理与机械设计课程设计”的改革探索——基于 CDIO 教育理念[J].中国电力教育,2011(23):95-96.

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