基于项目设计的“机械设计”研究型教学实践

段巍　范孝良

摘 要 “机械设计”是机械类专业本科生重要的专业技术基础课。本文根据该课程的特点，提出了基于项目设计的研究型教学，探讨了研究型教学的内涵、项目设计作业的选择、教学内容的组织和规划，并运用主体式教学模式和研讨式教学模式开展了实践。实践结果表明，基于项目设计的“机械设计”研究型教学在培养学生的主体意识、个性发展及创新能力方面起到了积极的促进作用。

关键词 机械设计 项目设计 研究型教学 教学模式

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.06.052

"Mechanical Design" Research Teaching

Practice Based on Project Design

DUAN Wei， FAN Xiaoliang

（Department of Mechanical Engineering， North China Electric Power University， Baoding， Hebei 071003）

Abstract "Mechanical design" Mechanical undergraduate important professional technical courses. Based on the characteristics of the course， the proposed research teaching based on project design， to explore the meaning of research-based teaching and choose the project design work， organization and planning of teaching content， and the use of the main teaching mode and teaching mode to carry out research practice. Practice results show that the "mechanical design" research teaching project design culture consciousness of students， personality development and innovation has played a positive role in promoting.

Key words mechanical design; project design; research teaching; teaching mode

0 引言

“机械设计”是机械系专业技术基础课程，也是平台建设的核心课程之一，主要讲授机械设计的共性问题和典型零件设计的基本理论和方法。授课对象为机械工程及自动化专业本科学生（每年共有9个班），授课时间为学生入学后第四学期。教学内容主要包括：总论部分、连接部分、传动部分、轴系部分和其它部分等。该课程的特点是：内容繁杂、概念多、公式多，工程背景很强，每一章各成体系，具有一定的独立性，但在实际工程应用中，各章又紧密相连，相辅相成。

为了有效利用各种现代教育资源和教学手段，调动学生学习的积极性和主动性，将学生置于教育教学系统的核心，开展研究型教学，探讨教学组织和教学方式的改革成为必要。笔者根据所授课程的性质和特点，针对本校2012级机械工程及其自动化专业学生，在自己课堂上开展了基于项目设计的机械设计研究型教学实践。

1 研究型教学的内涵

研究型教学也称研讨式教学模式，起源于美国著名心理学家杜威创立的“问题教学法”，成熟于克伯屈的“设计教学法”。①②它是一种以“学生为中心”，以课程内容和学生的学识积累为基础，引导学生自主地发现问题、研究问题和解决问题，从而在研究讨论中积累知识、培养能力和锻炼思维的一种教学模式。

针对机械设计课程的特点，即：以不同零件划分的各篇章在内容上各自独立，但在实际工程运用中又紧密联系，相辅相成，如何通过一条主线把各章节彼此相连，让学生系统地、主动地掌握各零件的设计理论和设计方法？选择与工程紧密联系的项目设计作业，采用主体式教学和研讨式教学方法，将课程主要章节内容贯穿到项目设计作业的训练上，成为一条有效的解决途径。

2 基于项目设计的研究型教学具体实践过程

2.1 项目设计作业选择原则及布置

“机械设计课程设计”是机械设计课程的一个重要教学实践环节，也是机械类各专业第一次较全面的综合设计训练，单独设置学分。由于减速器中所包含的零件覆盖了机械设计课程中大部分章节的知识内容，且减速器的类型不同，原始数据有所区别，有利于学生分组进行，且能保证每个同学具有不同的数据，所以通常将二级圆柱齿轮减速器作为课程设计的设计对象。以往“机械设计课程设计”是在机械设计课程结束后进行，通过课程设计将课程中所讲授的内容系统地运用到设计实践中去，是一个从理论到实践的过程。而在进行课程研究型教学实践中，能够贯彻各章节内容的项目设计作业正好可与课程设计相吻合，因此在给学生选择项目设计作业时，既要考虑与后续课程设计在题目上的一致性，还要考虑内容上的步进性及工作量的适宜性，同时还要使学生既能独立思考，不抄袭别人的设计成果，还能在讨论交流的过程中得到提高和创新。为此我们根据工程实际，针对火电厂燃料输送系统中不同工作机械中的传动装置，如：保定热电厂叶轮给煤机中的行走装置、北京高井电厂桥式螺旋卸煤机中螺旋升降机构中的传动装置、石景山发电厂翻车机的驱动装置，以及油田抽油机传动系统，布置了相关的四个项目设计作业课题，要求4～5人为一组，选择其中的一个项目，设计不同的传动方案，并对传动方案中的减速器进行结构设计和计算分析。为了使学生在独立思考的同时还能进行有效交流，我们对同一个项目课题，又设置出不同组数据，做到每人一组设计数据。这样做的好处是：同一组同学在方案设计阶段、结构设计阶段可以进行广泛讨论，一旦传动方案确定，具体在零部件设计和计算过程中，由于数据不同，每个人设计参数的选择和计算结果就会不同，这样又可使每个学生能够独立地完成相关的计算。endprint

2.2 教学内容的组织和优化

机械设计具有内容繁杂、概念多、公式多、工程背景强、各章内容又相对独立的特点。为了配合项目设计作业的顺利进行，对教学内容进行了重新组织和优化，将与项目作业内容紧密相关的零件的设计理论及方法往前安排，即将带传动、齿轮传动、滚动轴承、轴、联轴器、键等内容依次安排在了螺纹联接及蜗杆传动之前。当讲完总论（4h）和带传动（4h）后，即在开课的第三周将项目作业题目布置给学生，同时用1学时左右的时间给学生简单介绍传动装置的总体设计，包括减速器的类型、电动机的选择、传动比的分配及传动装置运动和动力参数的计算等内容。这样学生在已知设计参数的情况下，减速器内、外零件的设计计算会随着课程内容的不断进展而逐步完成。在讲滚动轴承寿命计算及轴的结构设计时，直接针对项目设计作业中二级减速箱中具有代表性的高速输入轴，将轴的结构设计、强度计算及轴承的寿命计算等教学内容贯穿在该实例中，这样的调整既可以完成规定的教学任务，又结合了项目作业的具体内容，使学生不仅掌握了轴结构设计及强度计算中应该注意的问题，也为其它两根轴（中间轴和低速轴）的设计提供了很好的借鉴。

此外，在每章的教学过程中，具体零件虽然不同，但教学的基本思路始终遵循着一条主线，即：零件的工作情况分析→失效形式分析→确定设计准则→设计计算（参数的选择）→结构设计，让学生发现并找出课程系统性和规律性的知识。同时在讲课的过程中要求同学们多对比，找共性，比如，同是能够完成运动和动力的传动，带传动、链传动和齿轮传动的共性和各自的特点、运用范围和环境是什么？定性地分析斜齿轮传动为什么比直齿轮传动更适合高速重载？有了直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮，为什么还要有蜗杆传动和锥齿轮传动，它们的特点及应用场合是什么？通过引出问题，让学生在学习过程中进行思考，帮助他们更深刻地掌握本课程的基本知识和基本理论。

2.3 教学模式的探索

2.3.1 主体式教学

主体式教学让学生尽可能真正作为主体参与教学活动的各个环节，以兴趣、问题为导向，启发、激励学生的主动实践意识，注重学生质疑力、观察力等素质的培养，增加使学生获得创新成果的机会。③为了充分发挥学生的主动性，我们将项目设计作业分成三个阶段，即：方案设计阶段、减速器内、外传动零件设计阶段、轴系组合设计阶段。其中方案设计阶段是最具有原始创新的阶段，这一阶段要求学生充分运用网络、书刊等资料，提出自己的设计方案并在小组内进行交流、对比和总结，画出传动方案简图，并对方案的优缺点进行评价。在项目设计作业布置后的一周，我们在课堂上安排了方案设计阶段的讨论，每组同学选派代表进行报告，发表本组的设计思路和观点。通过这样的学习，使学生实现了由“学习者”到“研究者”角色的转换。

2.3.2 研讨式教学

项目作业的第二、三阶段，我们采用的是研讨式教学。第二阶段的主要任务是每组同学根据设计的传动方案，开展传动系统中传动零件的设计计算，完成时间为三周。虽然课堂中的教学内容与该阶段所运用的主要知识点相呼应，但学生还必须通过课外查阅相关资料、手册、图册等技术资料和文献方可完成相关的设计，因此学生在学习课程内容的同时，探索和研究与自己项目设计课题相关的解决问题的设计方法和设计过程。在第二阶段结束后，组织了第二次课堂讨论，由老师及同学进行点评，及时解决设计中存在的问题，比如：在齿轮材料选择过程中，是否考虑到了做成齿轮轴后齿轮与轴材料保持一致性？传动比分配是否合适，不造成中间大齿轮和低速轴的干涉？

第三阶段的主要任务是轴系的组合设计，也是减速器结构设计的重要阶段，兼顾工作量和后续课程设计的连续性，在项目设计作业中只要求学生对高速轴进行结构设计，中间轴及低速轴的设计及装配图的绘制和零件图的绘制放在了课程设计阶段。第三阶段完成时间为三周，与课堂理论教学同步进行，结束后安排了第三次课堂讨论和报告。由于轴系结构设计没有统一标准，却有统一的设计原则，既要考虑轴上零件的安装、加工，也要考虑其可靠定位。因此，在这次课堂讨论过程中，同学表现非常活跃，同学们不断发现问题，提出轴系结构设计的不合理之处，并说明原因，提出改进方案。在讨论中，学生对轴系组合结构的设计进一步巩固，在发现别人错误的同时，也改进和提高了自己的设计。本次课堂讨论的结果使学生在减速器装配图绘制中，在结构设计方面的错误率大大低于往届学生，教学效果非常显著。

2.4 评价考核

由于项目设计作业贯穿在整个教学过程中，因此对于学生最后成绩的评定，我们采取加大平时成绩，弱化最后期末考试成绩的办法，将评价贯穿于机械设计课程的全过程。成绩分配比例为：项目设计作业20%，到课率及平时作业为10%，最后闭卷考试成绩占70%。

3 几点思考

（1）研究型教学成败的关键在于教师的投入，教师主导的好坏会直接影响到学生主体性的表现，因此教师需要付出更多的时间去组织教学内容，去选择适合的项目设计作业，去组织课堂讨论并评价学生的研究成果（包括讨论过程中的点评及课下项目设计作业的批改）。实践表明，研讨式的教学模式，可以激发学生的创新思维，培养对课程内容的兴趣，在交流、研讨的过程中，加深对知识的理解和运用，同时可多角度地运用设计思想进行客观分析和辩证思考，逐步养成敢于质疑的良好思维品质。

（2）“机械设计”研究型教学在实践过程中，将项目设计作业，理论授课和课程设计有机结合在一起，使学生在探讨、学习、实践的过程中逐步掌握理论知识，项目设计作业和理论授课同步进行，课程设计在项目作业的基础上进一步深入和升华，从而使机械设计的学习成为“理论—实践（下转第120页）（上接第106页）—再实践”的过程。学生在这样的培养过程中，有利于形成科学的学习态度和创新品格，形成良好的责任心和专业事业心。

（3）研究型教学更适合于以班级为单位或人数较小的课堂开展。由于本次所授课堂学生数量较大（共计114人），远远超过预期的数量，在规定的课内学时讨论中，无法保证所有组学生到讲台上展示他们的研究成果。如果小班授课，遵循同样的研究思路，将会取得更显著的效果。

基金项目：河北省教学改革项目（2012GJJG126）

注释

① 林健.面向“卓越工程师”培养的研究性学习.高等工程教育研究，2011（6）：5-15.

② 郭海涛，王晓明，张丙芳.加强研究型教学，培养创新型人才.山西医科大学学报：基础医学教育版，2010.5（12）：481-482.

③ 张文娜，熊飞丽.研究型教学模式实践与探讨——基于《传感器与测试技术》.当代教育论坛，2011.3：50-52.endprint