基于卓越工程师培养目标下机械设计基础课程教学的改革

田君 韩立发

(东莞理工学院 机械工程学院，广东东莞 523808)

一直以来，国内高等教育注重对学生的基础理论教学，而轻视对他们的实践能力培养，造成了学生的动手能力较差的现状。随着我国现代化经济建设的发展，不但要求学生具有较好的理论基础知识，而且更为重要的是要求他们具有较好的实践能力，才能设计出符合社会需求的好产品，才能设计出具有国际竞争力的好产品。针对目前我国高校的学生培养模式与社会需求不协调的现状，2009年10月开始，教育部先后召开了3次研讨会，并确定实施“卓越工程师教育培养计划”，试点开展工程师培养模式改革，在校期间工科学生需要到企业学习一整年［1］。2010年6月，广东省内除华南理工大学、汕头大学外，东莞理工学院作为地方院校也进入了教育部“卓越工程师培养计划”名单。卓越工程师应该具备21世纪新型工程师的基本品质，包括:1)超强的工程分析能力;2)较好的动手能力;3)较好的创新意识和设计能力;4)较高的伦理道德标准以及职业素养;5)较好的应用和更新知识的能力;6)持之以恒的学习能力;7)较好的商务与管理技能;8)一定的领导才能;9)良好的沟通能力［2］。还应该兼具以下特质:1)正确理念的坚持或自我否定的勇气;2)对局部或整体工程价值的科学判断力;3)对权威工程学术或工程技术独到的批判力;4)优秀民族工程文化传承与世界先进工程文化吸收的责任感［3］。只有具备了以上品质特征的工程师，才能称得上是真正的卓越工程师。因此，形成能够进行自我调整和更新的、面向卓越工程师培养体系的教学改革是值得研究的重要课题。机械设计基础作为机械或近机械类专业的一门重要的专业基础课程，针对其目前的教学现状，根据“卓越工程师教育培养计划”的要求，围绕着培养具有一定的实践能力和创新设计理念的应用型本科人才的目标，从教学内容、教学方法和手段、设计成果展现形式等方面进行了教学改革和探讨，指导学生从工程应用的角度，结合创新设计思维，应用先进的现代设计方法及设计手段去解决工程实际问题，考虑相关的工程技术要求，逐步树立正确的设计思想，增强设计创新意识和竞争意识。

1 机械设计基础课程教学的现状

机械设计基础课程本身所涉及的知识面广，理论性强，与实践结合紧密。它不但要求综合运用材料力学、理论理学、工程材料、机械制图、机械原理、机械设计等相关知识来进行产品设计，更为重要的要具有产品创新能力和解决生产实践问题的能力［4－5］，这也是“卓越工程师教育培养计划”所要求的。因而在机械设计基础教学中，如何培养学生的创新意识是我们首先要解决的问题，如何将理论与实践知识有效地融合起来也是我们必须要解决的重要课题。要解决这两大问题，笔者认为，第一，对现有机械设计基础教材进行修改。目前我们所用教材的知识内容体系创新性不够，教学内容偏重理论推导，没有体现“卓越工程师教育培养计划”中所要求的“创新和实践能力”主线，与生产实际要求的课程内容或知识点的编排存在一定的差距。因而要重点进行教材更新，这可能需要更多的优秀工程师与机械设计理论专家共同编写能体现出“创新和实践能力”的机械设计基础教材。第二，对现在的机械设计基础的教学模式和教学方法进行改革。目前我们在知识点的选择和安排上没有脱离传统的教学理念，我们的教学方法和教学手段比较单一，不注意采用先进的教学手段来充实自己的教学活动，忽视案例教学、问题教学等方式的运用，导致教学信息量太小，无法传授更多的知识。课程教学中只是理论知识的简单讲解，没有结合工程实际进行教学。因而不利于学生学习主动性和积极性的充分发挥，学生应用所学的知识解决实际问题的能力较差。我们的实验教学内容简单，而且大都以演示性实验为主，缺乏创意性和设计性，学生参与动手操作的机会较少，不利于学生创新能力的培养和教学质量的提高，因而开发有利于提高学生创新能力和动手能力的综合性实验势在必行。机械设计基础课程设计是机械设计课程体系中的一个重要的实践教学环节，它是工科院校机械类专业学生进行的第一次较全面、较系统、工程设计性很强的综合性设计训练［6］，长期以来我校将减速器作为机械设计基础课程设计的题目，当然组成减速器的零部件覆盖了机械设计基础课程的绝大部分内容，便于学生在设计实践中应用所学的知识，实现理论和实践的结合。然而，每年我校的工业工程专业、工业设计专业、热能等专业的学生都在重复同样的设计内容，势必会影响教师的创新设计积极性。另外，我校制图课的测绘练习也选择减速器，这就使得学生缺乏新奇感，势必会影响学生的创新设计积极性，影响设计成果。当然，卓越工程师的核心就是创新能力，要提高学生的创新能力，就必须结合学生所学的相关专业和学生对本门课的掌握程度，适当地拓宽课程设计的选题。显然，传统的机械设计基础课程在教学模式上与“卓越工程师教育培养计划”的目标不协调，机械设计基础课程教学模式改革势在必行。

2 机械设计基础理论教学的改革

机械设计基础理论课程教学目标主要是培养学生机械系统方案设计的能力。教师以自己制定的教学目标为导向，在整个教学过程中围绕教学目标与学生一起展开教学活动，并以此来激发学生的学习兴趣与积极性，激励学生为实现教学目标而努力学习。在教学过程中，笔者认为采取导趣、导疑、导思、导行等教学方法和手段，并且每次围绕课程的教学目标进行认真的教学设计，就能较好地培养学生的专业兴趣和创新发展的能力。

导趣就是激发学生的专业学习兴趣，这是相当重要的，没有激发起学生的学习兴趣，教师尽管付出了很多的劳动，收效却甚微，有些学生不但不能认真学习，反而厌学甚至逃学。因而教师必须想办法激发学生的学习热情和兴趣，有了兴趣就有学习动力。比如在序言章节就可以从机械技术的发展讲起，从而引发学生的好奇性。机械技术的运用自古就有，木牛流马，就是三国时期蜀汉丞相诸葛亮发明的一种运输工具，它是典型的机械齿轮传动装置的应用，如何设计出木牛流马，就是我们这门课程所要研究的问题。而任何现代产业和工程领域都需要应用机械，就是人们的日常生活，也越来越多地应用各种机械了，如汽车、自行车、钟表、照相机、洗衣机、冰箱、空调机、吸尘器，等等，而这一切都离不开机械技术。让学生对专业学习充满希望，这是产生兴趣的第一站。例如在讲授“机构自由度”的内容时，首先向学生说明学习机构自由度在实际工作中的意义，并在本章最后给出关于牛头刨床的机构设计错误的例子，让学生通过计算机构自由度予以改正，以此来激发学生的学习兴趣与积极性，充分发挥学生的主观能动性，训练他们的创造性思维。

选用适当的教学媒介和教学方法就能进一步激发学生的学习热情和兴趣，学生觉得自己学懂了，理解了，有收获了，就会不自觉地深入学习下去。保持学生对机械设计基础这门课程的持续学习热情和兴趣，就变得尤其重要。因而，在专业授课过程中，要能让学生较好和较快地理解所学知识，就必须尽可能让学生“感同身受”，让他们看得见、摸得着、动得起来。最便捷的方法就是利用教学模型。一方面，因为模型直观，学生获取的知识最直接;另一方面，模型动起来后，能极大地调动学生的学习热情。例如，讲“铰链四杆机构的类型”时，笔者带领学生用硬纸板或细木条自制不同类型的铰链四杆机构，再通过演示、讲解、小组讨论等教学活动，充分发挥学生的“主体性”，让学生真正参与到课堂中来，这样就能持续不断地激发起学生的学习热情和兴趣，收到事半功倍的效果。另一种方法就是利用计算机强大的多媒体表现与信息交互功能，通过现代信息技术的应用，把过去传统的、静态的书本教材形式转变为由声音、文本、视频、动画构成的动态教材，这当然要求教师具有制作多媒体课件的能力，如果教师没有这个能力，不妨去购买现成的多媒体课件，这就需要学校的财政支持了。通过多媒体集成、动画模拟仿真和丰富的图像信息将会极大地扩展学生认知深度与广度，也使教师摆脱了时间和空间对讲授内容的束缚，如清楚地显示某些复杂机械传动过程，动态地显示出轴系零件装配过程等，这更有利于激发学生的观察力、发现力、想象力、逻辑联想力，有利于认知思维的深化与发展，有利于增强工程设计能力。从而真正提高教学效率和教学质量。

导疑就是在课堂教学中积极创造条件，提出问题，促使学生带着问题思考学习。例如在讲授曲柄摇杆机构的急回特性时，可以先从牛头刨床的工作情况说起，为什么牛头刨床工作时慢，而空行程回来快?学生自然就有兴趣带着问题去思考学习。

导思就是让学生主动去“想”、去“探索”、去“发现”，从而有效解决心中的疑惑。例如在讲授机构死点位置的概念时，可引导学生从日常生活中所见到的缝纫机工作情况开始，在实际使用中，缝纫机有时会出现踏不动或倒车现象。让同学们去探索这个现象的原因。这时，同学们就会画出缝纫机的机构运动简图，分析出当连杆与曲柄共线时，连杆加给曲柄的力将经过铰链中心，此力对铰链中心不产生力矩，因此不能使曲柄转动。这实际上已分析清楚缝纫机工作时的死点位置，自然，同学们就会对死点位置的概念理解特别深刻。

导行就是引导学生形成良好的学习习惯和工程师素养。学习习惯一般包括课前预习、质疑、课堂笔记、课后复习、独立完成作业等自主学习行为。工程师素养包括分析能力、实践能力、创新意识和创新能力、较高的伦理道德标准以及职业素养等。而且还应该包括正确理念的坚持或自我否定的勇气、优秀民族工程文化传承与世界先进工程文化吸收的责任感等。在课堂教学中，教师要把握机会，指导这些行为、习惯的形成。好的行为习惯会使学生终身受益。

3 机械设计基础实验教学的改革

机械设计基础实验教学是本课程的一个重要实践环节，对实现课程教学目标起着不可或缺的关键作用。通过实验可以使学生加深对机械设计基础课程的基本概念、基本理论的理解，同时能够使学生对所学内容获得感性认识，是对课堂学习内容的补充和扩展，有助于提高学生分析和解决问题的能力、提高学生的创新能力和动手能力。笔者主要从以下两方面进行实验教学改革。

1)培养学生动手能力和创新意识。比如说机构简图测绘实验要求学生对照模型进行简图测绘并计算自由度，以此来检查机构设计的正确性。这个实验主要是课堂理论教学的一个补充。在此基础上，我们鼓励同学们在课后分成若干个设计小组，以实际生活中的机构为启发，设计一些简单的机构，在条件允许的情况下做出实物模型。依照自己的实物模型进行机构简图的测绘和自由度的计算来验证机构设计是否合理。并且与同学们一起，评出设计合理、模型漂亮的优秀小组，并给予适当奖励。这样不但激发了学生的创新和竞争意识，而且也大大提高同学们动手能力。

2)开发有利于提高学生创新能力和动手能力的综合性实验。以机械设计基础基本实验为根基，构建“综合、设计、开放、创新”为模式的多层次实验教学新体系，由验证性实验向认知性、综合性、创新性实验发展，常规设计方法与现代设计方法相结合［7］。如在单一的皮带传动实验中，我们可以利用机械系统设计、拼装及分析实验台，让学生根据负载形式，设计不同传动比、不同传动路径的传动系统方案，并按照自己设计的机械系统传动方案，安装系统。通过这样的一个综合实验，可以让同学们认识组成机械系统常用的零部件及安装方法，组合装配机械系统，利用检测系统，检测实际系统的传动比和效率，对系统输人输出的传动速度变化及系统效率变化进行分析，获得机械系统方案的正确设计。最后根据设备提供的零部件清单，找到装配系统所需的零部件，按照自己设计的机械系统传动方案，安装系统。第一安装动力部件，第二安装负载，第三安装中间传动部件。实验台利用测力传感器与光电传感器检测机械系统的输入及输出转速和转矩，通过数据采集箱进行采集处理，数据通过串口输入计算机，形成可视化的适时变化曲线。整个实验过程贯穿了“以学为主、以教为辅”的新理念，理论联系实践，充分发挥了学生的想象力、创造力，锻炼了学生的实际动手能力和创新能力。

4 机械设计基础课程设计的改革

机械设计基础课程设计是该课程的最后一个重要教学环节，是培养学生运用所学知识分析、解决工程实际问题能力和创新能力的重要教学步骤，是学生第一次较全面的设计能力训练，在学生总体培养目标中占有极其重要的地位。结合目前的教学现状和卓越工程师的培养目标，从以下两方面进行改革。

1)力求课程设计选题的多样性。新增设的课程设计题目除了要符合机械设计基础课程设计的教学要求之外，还应尽可能结合学生所学专业的专业特点。如针对工业工程专业可选一级减速器的设计。而针对工业设计工程专业可选较为简单的产品进行创新设计，如日常生活中的剪刀，剪刀种类繁多，用途广泛，常见的有家用剪刀、花木剪刀、裁缝剪刀、钢铁剪刀、指甲剪刀、伸缩剪刀、笔形剪刀等。使用计算机绘出这些产品的三维电脑模型和平面结构图，绘出机构运动简图，分析它们的优点和存在的问题。针对现有产品存在的问题进行结构和外观创新设计。例如，生活中的剪刀虽然在一定程度上省力，但在剪很多东西或者较硬东西时，仍然感到吃力，同时，长期握剪刀导致手部的肌肉及神经出现“疲劳感”，而引起生理性震颤。那么改进后的新型剪刀在结构和外观设计上要能让大家用更小的力剪更多的东西，大大提高工作效率，同时也能让大家在使用产品过程中更加舒适，充分体会工业设计的力量，更加享受生活。另外，也可与毕业设计挂钩即从毕业设计题目中截选出一些合适的传动装置作为课程设计题目。因课程设计题目一般来于工程或生活实际，所以亦应鼓励学生根据自己的工程或生活实际自拟题目，以提高学生的兴趣，但其题目须经指导老师审定后方可使用。

2)将传统的集中式课程设计模式改为先分散后集中的课程设计模式。所谓先分散后集中的课程设计模式就是在开始讲述机械设计基础中机械设计部分内容时，就把课程设计任务布置给学生，让学生在机械设计基础理论教学过程中就以课外作业的形式完成课程设计中的设计计算如带传动、齿轮传动、轴的设计、轴承的选择、键和联轴器的选择及校核等。至于草图绘制、审查和修改，绘制装配图，绘制零件图，编写设计计算说明书和答辩等，则集中在课程设计专用周进行。由于这种先分散后集中的课程设计模式将课程设计中的设计计算基本放在机械设计基础理论教学期间，所以不仅可以充分发挥学生的学习主动性和积极性，使学生有充裕的时间较好地完成课程设计，同时也可使学生的基本设计能力通过这样一个循序渐进的过程得到扎实培养，有效地提高学生的设计能力和创新能力，获得良好教学效果。

5 结语

根据“卓越工程师教育培养计划”的要求，机械设计基础课程的教学需要建立科学的教学体系，切实提高大学生的工程实践能力，培养学生动手能力和创新思维能力。我校地处东莞这个世界制造业名城，可与生产不同产品的多个企业进行深度合作，能极大地加强学生与工程实际的联系。从而更好地提高学生的实践能力，增强学生的设计创新意识和竞争意识，以达到在校就能培养工程师的目标。

［1］王永东.“卓越工程师”培养目标下无机化学课程教学的思考［J］.东莞理工学院学报，2011(5):114－116.

［2］National Academies Press.Educating the Engineer of 2020:Adapting Engineering Education to the New Century［M］.Washington DC:The Nationl Academies Press，2005.

［3］王少怀，刘羽，黄培明，等.实施“卓越工程师教育培养计划”打造“双师型”教学团队［J］.中国地质教育，2010(4):63－65.

［4］孙建东，李春书.机械设计基础［M］.北京:清华大学出版社，2007.

［5］杨可桢，程光蕴，李仲生.机械设计基础［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［6］朱双霞，史新逸，李梁.机械设计基础课程设计［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2009.

［7］周琪.浅谈机械设计基础创新综合实验的实践［J］.太原理工大学学报:社会科学版，2005(12):157－158.