“机械设计”课程设计的新教学模式探索

李 勇，雷福祥，范修文，张 宏（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆　阿拉尔　843300）

“机械设计”课程设计的新教学模式探索

李 勇，雷福祥，范修文，张 宏※
（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300）

信息技术、工业设计与制造技术的发展，推动高校实践课程的进步。针对“机械设计”课程设计现有教学模式的不足，提出了新的课程设计模式。为提升学生实践能力、创新思维，新课程设计引入3D绘图、模型加工两设计环节，探索理论计算、设计绘图、加工制造相融合教学模式。实践证明，新模式下教学效果突出。

机械设计；课程设计；新模式；探索

“机械设计”课程设计以培养应用型人才为目标的机械类高校实践教学中发挥着重要作用［1］。“机械设计”课程融合了机械设计基础、机械制图、机械制造基础、极限配合与测量技术等课程的知识，是机械类专业培养学生机械设计能力与创新能力的实践教学环节［2］。当前，“机械设计”课程设计仍以减速器的理论设计计算为主，辅以二维图纸表达，致使实践性课程缺乏足够的实践环节。在1979年，北京科技大学“机械设计制图”课程教学团队对非机械类机械基础系列课程进行了改革试验，把“画法几何及机械制图”、“机械原理”、“机械零件”三门课程有机地整合为一门课，在教学内容、教学模式和教学方法上进行了改革创新［3］。舒宏等提出在制图课程中融入形体、零件三维建模，部件的装配与驱动关系，直观地理解零件的形状、配合、部件的工作原理等［4］。三维CAD教学从产品设计的角度，以三维产品设计到二维工程图为主线。机械制图、三维实体设计、机械设计三门课程的内容相互联系紧密，国内外诸多教育工作者试图将此三门课程融合为一体。而此三门课程内容在机械设计课程的设计内容中得到综合体现与应用，将设计与加工制造结合可使设计思维正确与否得到准确的验证。为提高学生实践能力与创新思维能力，故探索将模型3D绘图与加工制造引入机械设计课程中，探索理论计算、设计绘图、加工制造相融合的新教学模式。

1　传统教学模式

传统教学模式将“机械设计”课程的教学目标设定为着重培养学生机械制造与设计的系统化设计思维，其是在机械原理与机械设计课程中机械零部件设计方法的基础上设计机械装置，进行机械机构选择与方案设计、总体布置、总装配图设计、主要零件设计及设计计算说明书编写等训练［5，6］。

“机械设计”课程选择最具代表性的机械装置“减速器”作为设计题目，其课程学习要求包括以下几点：（1）要求学生熟悉减速器的工作原理、各零部件装配关系和箱体类结构设计等知识与技能；（2）着重要求学生掌握齿轮机构、轴、螺栓组件、轴承、键、销等零部件的设计计算与选择；（3）要求学生熟练应用标准、规范、手册、图表和设计资料。

在课程设计期间，要求每一位同学独立完成二级减速机或蜗轮蜗杆减速器全部理论设计计算，并绘制相应的2维图（装配图和零件图）。每位同学在为期3周的课程设计期间，做相同设计题目下不同设计参数的设计任务，参照设计手册、图册、说明书等资料撰写设计说明书（此过程设计内容、设计步骤和设计图样基本一致，不同学生间仅数据差异。）。在课程设计期间，指导教师仅对学生做简单指导，引导学生按部就班完成设计任务。

在课程设计中，学生对减速器的设计仅停留在方案构思、机械零部件和机械总成的结构布置与设计，均属理论设计与绘图。此教学模式下学生以完成作业任务式的心态对待课程设计，导致课程设计抄袭现象，亦无法达到课程设计原本的教学要求。该模式下无法体现出设计创新与实践教学，对培养学生自主创新能力作用不显著。

2　新教学模式

为提高学生实践能力与创新思维能力，我院开展了“机械设计”课程新模式研究与探索。新“机械设计”课程的教学目标设定为着重培养学生机械设计的系统化设计与加工方法应用能力，其是在机械设计与机械制造理论基础上减少理论计算量，简化了装配体设计过程，侧重于学生应用绘图工具绘制模型，再用微型加工机床加工所设计模型。

新机械设计课程选择“减速器”作为设计题目，其课程学习要求包括以下几点：（1）要求学生熟悉减速器的工作原理、各零部件装配装配关系和箱体类结构设计等知识与技能；（2）要求学生掌握齿轮、轴、轴承的设计计算，熟悉螺栓组件、键、销等零部件的选型；（3）要求学生熟练应用绘图软件绘制二维、三维图；（4）熟练操作微型机床加工制作零部件并完成组装。

在课程设计期间，学生以小组（每小组6～8人）为单位完成一级圆柱减速器理论设计计算、绘制、模型加工与组装。在三周的课程设计期间，每位同学按不同设计参数设计一款一级圆柱齿轮减速器，参照设计手册、图册、说明书等资料撰写设计说明书，绘制一级减速器二维图；结合微加工机床特点，小组内评选出最易于加工制造的设计参数，小组成员依照最佳的设计说明书分工绘制减速器各零件三维图，分工加工制作出各零件模型，最后调试、组装。指导教师除自身应具备更为扎实的专业知识外，需熟练掌握二维、三维绘图软件的应用，还应熟练操作各类微型加工机床以及丰富实践加工技能。在课程设计期间，指导教师需时时关注学生小组进度，并针对各设计阶段给出较为正确的设计加工制造方法，引导学生按时顺利完成设计任务。

新课程设计模式重点突出绘图技能与加工制造能力的培养，有望提升学生的创新意识与技能。

3　新旧模式设计内容对比

就实现“机械设计”课程教学模式而言，新教学模式的课程设计步骤做出了相应的调整。新旧教学模式下“机械设计”课程设计步骤对比表，如表1。

表1　新旧课程设计步骤

旧模式下，各设计步骤的设计内容简述如下：

（1）设计准备。认真阅读设计任务书，明确设计要求、工作条件、内容和步骤；阅读设计手册、图册等有关资料；拆装实物或模型，了解设计对象零部件结构与装配关系；拟定设计计划等。

（2）传动装置的总体设计。确定传动装置的传动方案；计算电动机的功率、转速，选择电动机的型号；计算传动装置的运动和动力参数（确定总传动比；分配各级传动比，计算各轴的转速、功率和转矩等）。

（3）传动零件的设计计算。减速器（二级减速器或蜗轮蜗杆减速器）内部的传动零件设计计算（如齿轮传动等）；减速器以外的传动零件设计计算（如带传动）。

（4）减速器装配草图设计。绘制减速器装配草图，选择联轴器，初定轴径；选择轴承类型并设计轴承组合的结构；定出轴上受力点的位置和轴承支点间的跨距；校核轴及轮毂联接的强度；校核轴承寿命；箱体和附件的结构设计。

（5）工作图设计。零件（轴、齿轮等）、装配体工作图设计（为加强学生基本功底，零件图和装配图均采用手工绘制）。

（6）整理、撰写设计计算说明书。整理撰写设计计算说明书。

（7）答辩。参加班级课程设计答辩，指导教师对设计内容提问质疑。

新模式与旧模式的设计内容相比较，主要是在设计计算阶段进行了简化，降低设计计算难度与工作量，同时增加了三维图绘制和模型加工环节。在三维模型设计环节，需采用UG、SOLIDWORKS软件绘制三维模型图，减速器模型所需各常用件、标准件和设计零件均设计绘制，再由软件合成装配图。减速器模型零件采用优耐美、谢兰微型模具加工机床加工制造，加工环节需重新检验实验室内现有材料在微型机床的可加工性，并据此来修正设计内容。待修正完毕后，将全部待加工零件的二维图用CAD软件绘制出图，再依据图纸采用机床切、削、铣、磨、粘结出各零部件，完成装配。

4　模型加工

4.1微型机床简介

模型作为设计理念的具体表达，具有三维直观、真实准确的特点，是产品设计最终的表达形式。对于机械设计专业的学生，模型制作不仅有助于分析和掌握产品的功能、结构、形态、材料、工艺等，还能够启发设计灵感，开拓设计思维。优耐美（奥地利进口）、谢兰（美国进口）微型模具加工机床是模具设计的创新平台，其安全、稳定的性能是培养动手能力的优良设备。一组零件可任意组装成六种不同功能的加工机器。微型模具加工机床采用模块式结构，12V直流电小型马达驱动，机体微型轻巧，组装、操作简单，由锯床、车床、磨床、钻床、铣床、铣齿床六大类机床组成，可对木质、软质金属、树脂胶板等材料进行切、削、磨、铣、钻等加工功能。

4.2模型加工方法

减速器的零件包括轴、齿轮、轴承、螺栓组件、箱体、箱盖、键、销、垫片、套筒等，其中轴、齿轮、箱体是主要机构零部件。实验室提供学生的耗材有压缩薄板、粗圆木棒、细圆木棒、圆铝棒、硬质PVC板、软质胶板、PVC胶管、轴承、砂纸、木工胶、铁丝、润滑脂等。基于微型机床的加工特点，轴的加工采用金属车床车铝棒制成阶梯轴，金属钻床在轴上开孔，金属铣床在轴上铣出键槽；齿轮的加工采用大木锯床将粗圆木棒锯成设计尺寸的圆木盘，金属钻床与立式铣床共同在圆木盘中心处开轴孔和键槽，金属铣齿床在圆盘边缘切出齿形，磨床对边角进行打磨制成齿轮；箱体采用锯床板材切割、粘结、组拼成箱体，部分连接为采用大头针连接。减速器轴承选用标准小型轴承或由金属环替代，螺栓组件由实验室提供，垫片采用硬纸片或胶板裁切制成，键、销采用金属或木棒边角料加工。

5　教学实践

在新教学模式下，课程各项内容均与模型加工紧密联系，零部件理论设计计算不再是单纯的搬套，装置二维或三维图形绘制亦无从过度复制粘贴，且多位同学协同完成一份实物、图形设计相匹配的设计。在机械设计制造及其自动化专业单班的课程设计中应用新的教学模式，课程设计期间学生认真、积极，改变了以往设计气氛差、涣散的现象，小组内分工协作效果较佳。经问卷调查表明，学生对新模式下的机械设计课程满意度极高。同时，机械设计课程的改革也为后期学生开展大学生创新试验与设计奠定了良好的基础。

［1］吴茵，龙春光，华熳煜.机械设计课程设计的改革探索［J］.长沙大学学报，20006，20（2）：98～99.

［2］燕晓红，刘芳，孟超平.在高职院校机械设计课程设计中引入创新设计的实践与探索［J］.内蒙古农业大学学报（社会科学版），2014，16（2）：39～42.

［3］杨光辉，曹彤，万静，等.《机械设计制图》新教学模式探究与实践［J］.图学学报，2013，34（6）：114～117.

［4］舒宏，高菲，陈霞.多学时制图课程融入三维CAD的教学探讨［J］.图学学报，2012，33（1）：103～106，67.

［5］尹凝霞，李广慧.机械设计课程设计教学改革探索［J］.廊坊师范学院学报（自然科学版），2009，9（2）：120～121，128.

［6］周先军.机械设计课程设计改革思考［J］.吉林省教育学院学报，2010，26（10）：140～141.

The Exploration of Teaching Modal in the Curricular Design of Machinery Design

LI Yong，LEI Fuxiang，FAN Xiuwen，ZHONG Hong※
（College of Mechanic and Electrical Engineering，Tarim University，Alar，Xinjiang 843300，China）

Developing the information technology，industrial design and manufacturing technology to promote the development of college practical curriculum.With the deficiency of current teaching model for the curricular design of machinery design，new teaching model based on 3D drawing and model machining is proposed for which inprove practical ability and creative thinking of student.New model which theoretical calculation，design drawing and manufacturing technique combine to one bady is explored.The practice shows that teaching effect is outstanding by using new teaching model for the curricular design ofmachinery design.

Machine design；Curricular design；New modal；Exploration

1007-7782（2015）06-0042-04

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2015.06.017

G420

A

2015-10-08

塔里木大学高教研究项目（TDGJ1436）；国家自然科学基金资助项目（31160196，31260469）；兵团科技攻关计划项目（2014BA014）

张 宏