“卓越计划”背景下的机械原理与机械设计课程设计教学改革探索

张 俊，包家汉

（安徽工业大学 机械工程学院，安徽 马鞍山243032）

过程控制专业（原冶金机械专业）作为我校率先启动“卓越计划”的专业之一，旨在培养高素质应用型“卓越机械工程师”。为适应“卓越机械工程师”的培养要求，学校专门成立了“卓越机械工程师”试点班，并对相关课程进行了改革。其中，机械原理与机械设计两门专业基础课程在整个专业培养体系中占据着承上启下的重要地位。而与之配套的课程设计作为重要的实践教学环节，在培养学生的创新思维和工程能力（包括资料搜集与运用、数据处理、设计计算及材料选择能力等）方面发挥着重要作用。［1－4］考虑到机械原理与机械设计间的紧密联系，笔者在开展上述两门课程的教学改革时，将两门课程的实践教学环节打通，即将与二者配套的课程设计合并，以形成较为系统的设计过程训练。同时，为加强设计题目的实践性和多样性，将课程设计的内容与教师的实际科研项目结合，或直接将相关科研成果作为课程设计的对象。其目的是使学生在设计过程中能够切实感受到科学研究及成果对生产实践的指导与推动作用，更深刻地理解“科学技术是第一生产力”的理念；同时，通过贴近科研项目实训的方式，培养学生的工程创新意识，并使其养成良好的工程设计习惯。以下将围绕设计选题、组织实施与效果评估三个方面对机械原理与机械设计课程设计教学改革进行初步探讨。

一、设计选题

课程设计作为教学体系中的环节，首先应满足教学要求，即为学生提供可将其所学理论知识综合应用的设计环境。相关设计内容应能涵盖本门课程中的主要知识，从而使学生能在较短时间内得到较为系统的设计过程的训练。因此，课程设计的选题内容必须与本科生的知识储备水平相适应，对涉及到的少量提高性内容，也应是在学生的接受能力范围之内。

相比之下，教师的科研项目一般来源于学科前沿探索或实际工程需求，其涉及的相关理论和技术都较为复杂。如何将教师的科研项目提炼成具有较强工程背景并适合本科生开展的课程设计题目，使之与学生的现有水平匹配，让学生既能熟练掌握具体的设计流程和关联知识，得到充分训练以完成教学要求，又能开拓眼界，切实触及相关的科技前沿，是一件既具有相当难度但又很有收益的事情，值得高等教育者深入研究。传统的课程设计选题，一般将适应教学要求、完成对学生的训练作为唯一目的，而将科研项目作为课程设计的选题内容，除满足教学需要之外，还有在课程设计中反映实际研究成果的要求。这就要求教师对科研项目的内容进行提炼，找准其与课程设计融合的切入点。如单纯为了适应相对水平较低的教学要求而将科研内容抽取过度，则很容易失去设计内容源自实际研究的意义，无法使学生感受到题目的真实性；而若将实际研究内容保留过多，则又难免会因设计内容过于艰深而使学生产生畏难情绪，无法完成教学要求。

经过对“少齿差行星传动”相关研究成果的系统总结与反复推敲，笔者决定在机械原理与机械设计课程设计部分尝试，开发出课程设计题目“少齿差星轮减速器的运动学综合与结构设计”。在该题目中，根据少齿差星轮减速器的运动特性将其简化为齿轮连杆组合机构，并基于机构变异给出内平动两种传动构型及相关的工况参数，要求学生根据给定参数完成其中一种少齿差星轮减速器的运动学综合与结构设计，提交包括数学建模、Matlab编程、计算结果等内容的课程设计说明书。

二、组织实施

考虑到传统的机械原理与机械设计课程仅对普通的2K－H 行星轮系及标准渐开线齿轮设计作一般讲解，而对少齿差星轮减速器所涉及的少齿差传动原理、短齿制渐开线齿轮设计方法往往不作介绍，学生对此类知识的掌握不多。因此，在机械原理与机械设计课程讲授时，指导教师在轮系和齿轮机构两个章节中有意识地补充上述两方面的内容，一方面拓展学生的知识面，另一方面也为此次的课程设计作铺垫。

另外，少齿差星轮型减速器不同于普通的平行轴齿轮减速器和行星减速器，其内部存在较强的过约束，采用传统的刚体力学方法无法求解其受力，因而也无法正确进行齿轮、轴承等零部件的强度校核。因此，在课程设计开展前，先对学生进行有关过约束传动机构受力分析的强化辅导，同时结合案例教学将Matlab编程的相关技术予以集中介绍，从而使得学生能够掌握星轮减速器的力学建模方法与Matlab数值仿真技能。

不仅如此，为强化“卓越机械工程师”的培养效果，在此轮课程设计中，要求学生在绘制星轮减速器装配图及零件图的基础上，能够运用三维设计软件建立传动的三维实体装配模型，并对其进行运动学仿真。

由于此次课程设计涉及的知识点较多、实践性较强、工作量也较大，因此在具体实施时，采取小组协同设计和指导教师全程参与指导的方式。即将试点班32名学生按4人一组，分成8个小组，每个小组完成一种给定工况参数的星轮减速器设计；同时，加强课程设计过程中的答疑指导，指导教师全程跟踪，每天定时解答学生遇到的问题。

由于组织有力、措施得当，学生很快从起始的无所适从状态进入到有条不紊的设计过程。经过每个小组中的4名学生通力合作，协同分工，发挥各自的特长，历经4周努力，最终顺利完成既定设计任务。

三、效果评估

在指导教师与学生的共同努力下，结合教师科研成果的机械原理与机械设计课程设计教学试点工作顺利推进。参加设计的学生大部分能够按照设计要求，相继建立星轮减速器的运动学与准静态力学分析的数学模型，通过Matlab编程绘制出减速器各环节的受力曲线，完成了少齿差内啮合副的几何计算，完成了减速器的结构设计，并采用三维软件实现了传动的实体建模与运动仿真。

通过对此轮课程设计教学改革的总结，笔者认为以下几点经验可供借鉴：

一是将源自教师科研项目且具有鲜明工程背景的设计内容引入课程设计中，可极大地激发学生的学习热情和创新意识，辅之以教师的适当引导，可使学生在完成设计内容后产生强烈的责任感和成就感。于此同时，设计过程中采取协同合作又分工明确的小组形式，有助于培养学生协作互助的团队精神。

二是将科研项目的提高性内容引入到课程设计中后，为保证设计的顺利推进，需要指导教师较以往付出更多的指导精力，即不仅要掌握科研成果中相关的设计理论与分析方法，还应将其整理成学生能接受并可消化的设计题目。对设计中涉及到的提高性内容，要采取集中强化或对应分解到相关课程章节中提前讲授。

三是由于学生掌握课程设计中的提高性内容需要一定的时间，因此在整体时间安排方面建议采取更加灵活的措施，或在前期的机械原理与机械设计课程教学中有计划地加入相关内容，或在课程设计开始之前先行布置等。此次试点工作在时间安排上略显紧张，后续计划让学生有更多的时间来熟悉设计任务和设计方法，可望取得更好的教学效果。

“卓越机械工程师”试点班的实践表明，将源自教师科研项目的内容及成果引入课程设计中，使学生在本科阶段就能接触并以近乎实战的方式参与到具有浓厚工程背景的科研项目中，进而了解现代机械产品和系统的功能、构成要素和研发流程，初步掌握机械产品研发常用的分析与设计方法。上述举措，对于学生知识体系构建、工程实践能力及创新能力的培养都有着极大的促进作用，是机械类基础课程实践教学环节改革适应“卓越工程师”培养新形势的有益尝试。

［1］ 王涛，张艳华．“机械原理”课程设计新模式的探索与实践［J］．中国电力教育，2010（1）：155－156．

［2］ 王立存，张国进，徐元，等．机械基础课程教学内容与课程体系综合设计研究与应用［J］．重庆工商大学学报（自然科学版），2013（6）：79－82．

［3］ 许爱瑾，陈富强，涂德浴．提高机械设计课程设计教学质量的措施［J］．安徽工业大学学报（社会科学版），2010（3）：130－131．

［4］ 陈海波．机械设计类课程创新型实践教学模式的研究［J］．实验室科学，2010（1）：31－32．