机械专业复杂工程问题教学案例剖析

陈永琴+朱敏波+段清娟+张国渊

（西安电子科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710071）

摘要：本文结合专业认证的需求，探讨为培养学生的创新能力和实践动手能力而开展的实践教学课程——《机械综合实践项目》课程，分别从课程教学设计、课程组织实施以及课程实施情况等几个方面进行论述，以期达到培养学生解决复杂工程问题的能力。

关键词：综合实验项目；课程教学设计；课程组织实施

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）18-0151-03

根据工程教育认证标准，机械设计制造及其自动化专业的学生应该具备解决“复杂工程问题”的能力，标准中所提到的“复杂工程问题”必须具备下述特征（1），同时具备下述特征（2）—（7）的部分或全部：

（1）必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决。

（2）涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突。

（3）需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性。

（4）不是仅靠常用方法就可以完全解决的。

（5）问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中。

（6）问题相关各方利益不完全一致。

（7）具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。

为了更好地培养学生解决复杂工程问题的能力，我校在原有实践课程的基础上又开设了《机械综合实践项目》课程。

一、《机械综合实践项目》课程的性质

《机械综合实践项目》是我校机械设计制造及其自动化专业全部学生必修的实习实践类课程，是培养学生解决复杂工程问题能力的综合性实践能力提升课程，采用“方案设计+技术设计+实物制作”的实践教学内容，以能力提升为主线，将基础课程内容与设计任务相结合，重在培养学生灵活运用理论知识解决实际问题的能力，培养大学生机械创新设计能力、制造工艺能力、实际动手操作能力、工程管理能力和团队合作能力。

设计题目结合机械创新设计大赛和大学生综合能力竞赛的主题，设计问题涉及机、电、控制、计算机等技术领域以及经济、社会多个层面，整个项目周期分为三个阶段，第一阶段为系统方案设计阶段，安排在第五学期，第一阶段结束后要求每组学生提交方案设计报告一份，并进行集中答辩；第二阶段为技术设计阶段，安排在第六学期，这一阶段结束后要求提交系统装配图或主要零件的二维工程图及设计计算说明书一份；第三阶段为实物制作阶段，安排在第七学期，要求完成实物制作，进行实物展示，并完成教师或学生对实物的问辩，最后提交书面总结报告一份。项目以团队形式开展，每组成员为3—6人，指导老师由一组教师和工训中心老师组成。

为加强培养学生解决“复杂工程问题”的能力，本专业编写了“机械综合实践项目”教学大纲，进行了针对性的教学设计、组织实施和达成情况评价。

二、课程教学设计

期望通过《机械综合实践项目》课程的理论教学和实践训练，使学生具备教学目标期望的几方面能力。

1.学生初步具有拟定机械传动系统方案的能力，掌握并使用各种技术、技能和现代化工程工具的能力，培养学生机械系统方案创新设计的思维方式和方法，及自主学习的能力，为解决复杂工程问题提供技术支持和指导。

2.使学生掌握机械系统运动、动力分析和设计的基本理论和基本方法，能够针对机械系统的运动、动力分析和设计问题建立数学模型，并对模型正确性进行严谨推理，给出解答。

3.具有文献检索、分析归纳的能力以及撰写分析报告的能力。

4.培养学生理论联系实际的设计思想，能正确计算零件的工作能力，并确定其尺寸、形状、结构及材料，考虑制造工艺、使用、维护、经济和安全等问题，完成具体结构设计。

5.掌握三维模型到工程图生成和模型数据交换，会应用CAD/CAM软件完成三维零件到二维图的转换和输出，能完成简单零件的加工，培养学生的动手能力。

6.培养学生的责任感和职业道德，并使学生具备一定的组织管理能力、较强的表达能力和人际交往能力，以及在团队中发挥作用的能力，初步具备交流、競争与合作能力。

以上述教学目标为基础，分析相应教学环节具体体现复杂工程问题的对应特征点及对毕业要求的支撑情况，对其教学过程进行设计（如图1所示）。

三、课程组织实施

1.系统方案设计。通过指导老师的辅导和相关文献的检索，学生以实现项目的功能要求为目标，以机械总体设计为出发点，采用系统分析的方法，拟定机械系统传动方案，完成各执行机构的创新设计。要求每组学生提出3种系统传动方案，从功能、技术、经济、环保等方面进行分析和比较，决策出最优方案，绘制出机构运动简图或者三维模型原理图，并对主执行机构进行尺度综合和运动分析。

2.技术设计。在教师的指导下，学生根据系统传动方案的功能参数要求，如传递的功率、速度、负载等，应用相关基础知识，提出传动方案，确定总传动比、分配各级传动比和电机型号，进行关键零部件的结构设计和工作能力计算，并考虑零件的结构工艺性和安装的合理性及安全性，对装置总体进行设计，最后对传动系统建立三维模型，并完成主要零件的二维工程图绘制。

3.实物制作。针对具体的方案进行工艺过程设计，进行优选方案后的成本分析及工程管理技能等的提高训练，对特定主题的实物加工制造并装配调试。

四、课程达成评价

本课程分三个阶段进行，最终考核的成绩分布比例是第一阶段“系统方案设计”占40%，第二阶段“技术设计”占30%，第三阶段“实物制作”占30%。在每阶段结束时，根据相应的考评环节评价该课程对毕业要求的达成情况。

系统方案设计阶段的考评环节有团队协作、系统方案、设计报告及答辩。

技术设计阶段的考评环节有团队协作、建模图纸及设计计算说明书。

实物制作阶段的考评环节有团队协作、实物作品及结题报告。

团队协作考核標准是“能够倾听他人意见，胜任团队中的角色，并完成相应的职责。”

设计报告考核内容有“总体方案的分析、比较，并给出最优方案；对执行机构进行尺度综合、运动分析。”

答辩环节要求“与同学、老师进行有效沟通和交流，表达清晰，有理有据回答相关提问。”

建模绘图要求“完成技术设计，并绘制图纸或三维建模。”

实物制作要求“制作实物并展示”。

结题报告要求写出结题报告及心得体会。

在最后达成评价时针对每一评分环节给出相应的评分标准（评分标准略）。

五、课程实施情况

我校机械设计制造及其自动化专业从2013级开始开设《机械综合实践项目》课程，给定的题目是以当年创新大赛和综合能力竞赛的主题（或学生自定的题目）为主要研究对象，要求从机器功能要求出发，拟定机械系统传动方案，完成各执行机构的结构设计和运动分析，在学期结束后，每组提交方案设计报告一份，并进行集中答辩。

从团队协作、系统方案、提交的方案设计报告及答辩表现等方面评价《机械综合实践项目》第一阶段课程教学目标的达成情况。从评价结果来看，大部分同学能够在团队中分担任务，并承担相应的责任；从系统方案设计和提交的设计报告来看，学生具有拟定机械系统方案的能力，能够针对机械系统的设计问题建立合理的数学模型，并能把自己的设计思想进行较完善的文字描述；从评价结果反映出同学们的答辩表现不佳（目标值是5分，但评价值只有3.87分），问题主要表现在两个方面，一方面是答辩PPT制作没有经验，背景混乱，主次不明显；另一方面是有些学生公开发言没有信心，不能有条不紊地讲述出自己的设计思想，也不能准确回答答辩老师提出的问题，导致答辩成绩不理想，这是后续教学环节需要加强改进的地方。

参考文献：

[1]中国工程教育专业认证协会.工程教育认证一点通[M].北京：教育科学出版社，北京，2015.

[2]中国工程教育专业认证协会秘书处.工程教育认证工作指南[Z].2015-3.

收稿日期：2016-11-30

基金项目：西安电子科技大学教改项目

作者简介：陈永琴（1971-），女，陕西石泉人，西安电子科技大学机电工程学院副教授。