机械设计课程设计中引入创新设计的实践与探讨

孙建芳 黄 平 刘小康 胡广华

华南理工大学机械与汽车工程学院 广东广州 501640



机械设计课程设计中引入创新设计的实践与探讨

孙建芳 黄 平 刘小康 胡广华

华南理工大学机械与汽车工程学院 广东广州 501640

摘 要：为了解决机械设计课程设计教学中存在的问题，提出在机械设计课程设计实践教学中引入创新设计，研究了基于统筹工程概念构建机械设计课程设计题目库、采用“化整为零”教学模式、引入现代工程设计方法和手段以及采用合理的成绩评定方法等教学实践方法，并取得了较好的效果。

关键词：机械设计；课程设计；创新设计

机械设计课程设计作为机械类专业和非机械类专业的一门公共基础课程，既是机械设计基础课重要的实践性教学环节，也是专业技术基础课与专业课知识学习的交接点。通过课程设计，可以把机械设计基础、机械制图、机械制造基础、工程力学、工程材料、互换性与测量技术等所修课程的知识进行综合运用，是对学生进行设计兴趣培养和设计能力锻炼的重要途径。因此，以提高本科生应用型和研究型人才培养质量为目的，提出在机械设计课程设计实践教学中引入创新设计［1，2］，将有助于培养学生自主创新设计能力和独立思考能力，也为其他学科课程设计的教学实践提供有效途径和科学方法。

1　机械设计课程设计中存在问题

对于机械设计课程设计，一直以来都是以一级或二级圆柱齿轮减速器作为设计题目。减速器是一种比较典型的机械传动装置，包含了齿轮、轴、轴承、键、联轴器及箱体等大部分通用零件。目前的机械设计课程设计中存在以下问题。

首先，机械设计课程设计命题单一。现有的减速器课程设计指导书详细讲解了减速器设计各个步骤，学生只要按部就班、照猫画虎即可；减速器早已有系列标准，并由专业厂家生产。从这种意义上讲，以减速器为课程设计的内容，很容易使学生形成思维定式，不利于培养学生的创造性思维。

其次，课程设计中存在设计内容多而时间紧的矛盾。通常课程设计的时间安排是在理论教学完成以后统一布置题目，然后要求学生在两周的时间内完成设计。时间安排较为紧张，学生只能完成“减速器”的命题设计，无法安排创新设计的环节。

再次，学生对先修课程的综合应用能力较差。机械设计课程设计是对机械制图、工程力学和互换性与测量技术等先修课程结合工程实际的综合应用，在教学实践中发现学生的这一环节较为薄弱，主要表现为：不能很好地应用材料力学知识对在复合外载荷作用下的轴进行精确强度校核；在零件工作图上，不能正确应用工程制图基本知识，绘制零件的形状，结合工程实际的公差标注掌握得较差，尤其是轴零件图中几何公差和齿轮零件图中各项齿轮公差的标注更为欠缺。

最后，课程设计中缺乏应用现代工程设计方法和手段。现阶段课程设计学生多选用手工绘图或选用传统二维设计软件AutoCAD绘制工程图，难以全面地想象出减速器的三维实体模型，导致学生对自己设计的减速器结构似懂非懂，影响了设计质量。

2　引入创新设计的教学实践

2.1基于统筹工程概念构建机械设计课程设计题目库

将 机械原理课程设计和机械设计课程设计相结合，从产品设计的全过程出发，编排课程设计的内容。采用多种途径搜集课程设计题目，构建机械设计课程设计题目库，使得课程设计具有完整性、系统性和综合性，以满足不同学生要求，使得设计由模仿型变为思考型，并便于学生根据自身的兴趣灵活选题，从而培养学生自主创新设计的能力。搜集课程设计题目的途径包括校企合作研究项目、学生研究计划项目（SRP）、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛和全国大学生机械创新设计大赛等。

2.2 与理论教学同步 采用“化整为零”方法进行机械设计课程设计的教学模式

采用 “化整为零”的教学方式，将课程设计贯穿到理论教学的整个过程，从而解决设计内容多而时间紧的矛盾；并在理论教学中，引导学生综合应用机械制图、机械制造基础、工程力学、工程材料、互换性与测量技术等先修课程知识，以便学生有充分的时间发挥设计的创新性和学习的主动性与积极性，同时指导教师通过监督和指导，能及时发现问题或不合理的设计并督促学生及时改正。将机械设计的理论教学教材和课程设计教材合二为一［3］，这样便于将课程设计的内容贯穿到理论教学中，图1是“螺纹连接与螺旋传动”的理论教学中涉及典型减速器的螺纹连接类型。

图1　典型减速器的螺纹连接类型

2.3现代工程设计方法和手段在机械设计课程设计中的应用

鼓励学生采用Pro/E，Solidwork和UG等三维设计软件，先进行三维实体设计，再形成二维投影，符合一般人的思维习惯，有利于培养学生设计能力和创新意识，并使设计手段与现代企业要求接轨。另外，鼓励学生在三维实体设计的基础上，将三维图形模型直接调入有限元软件，进行CAE分析，从而拓宽学生创造设计能力的培养。

2.4机械设计课程设计成绩评定方法

对于学生的成绩评定，组成答辩小组的教师制定详细的成绩评定标准，在学生正式答辩之前要先审阅学生的设计说明书和图纸， 审核通过之后， 再让学生分组参加答辩，答辩时通过学生间、师生间相互交流，对暴露出来的共性问题进行一次集中答疑，这样有利于保证设计的质量和提高答辩效果并且有助于培养学生的团队。课程设计评分标准如表1所示。

基于以上创新设计的教学实践方法，在某学生研究计划项目基础上，课程设计中选题“智能化宠物自动喂食喂水机”，运用Pro/E或Solidwork完成实体造型和CAE分析，并将设计成果申请了实用新型专利，

学生既掌握了机械设计中机构设计、传动设计、零件的强度设计和标准件选取等基本理论知识，又充分发挥了其积极主动性，并通过分组完成课程设计，增强了学生的团队合作精神。图2是“智能化宠物自动喂食喂水机”三维结构简图。

表1　课程设计评分标准

图2　智能化宠物自动喂食喂水机

3　结束语

本校机械电子、机械设计及自动化和过控（轻机）专业的机械设计课程设计中引入创新设计的教学实践，学生根据自身的兴趣灵活选题，课程设计质量有明显提高，并极大地发挥了学生的创造设计能力。总之，机械设计课程设计实践教学中引入创新设计，对提高教学质量，激发学生对本课程的学习兴趣，增强学生的团队合作精神，都有较大程度的促进作用。今后需要在非机械专业的课程设计中如何引入创新设计做进一步的研究。

参考文献

［1］ 吕仲文.机械创新设计［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［2］ 徐起贺.机械创新设计［M］.北京：机械工业出版社，2015.

［3］ 黄平，朱文坚.机械设计基础-理论、方法与标准［M］. 北京：清华大学出版社，2012.

［4］ 朱玉.CDIO工程教育模式下“机械设计课程设计”教改的探讨［J］.中国电力教育，2010（19）：98-99.

收稿日期：2015-11-24

作者简介：孙建芳，博士，副教授。黄平，博士，教授。刘小康，教授。胡广华，博士，副教授。

基金项目：2013教育部《机械设计基础》资源共享课建设（编号：x2jqN6140870）；2015华南理工大学本科教研教改项目（编号：x2jqY1151140）。

Exploration and Practice on Curriculum Design of Machine Design with Innovation Design

Sun Jianfang， Huang Ping， Liu Xiaokang， Hu Guanghua
School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou， 510640， China

Abstract：In order to solve the problem in the teaching practice of curriculum design of Machine Design， innovation design has been present in this paper. Construction of subject library based on over-all engineering concept， instructional model of breaking up the whole into parts，modern design method and reasonable grading policy have been discussed. And good results have been achieved by the teaching practice with innovation design.

Key words：machine design； curriculum design； innovation design