基于机械设计综合实践课的学生综合设计能力培养探索

边宇枢，张玉茹，毕树生

摘 要：机械设计综合实践课是机械设计系列课的一门重要后续实践课程。然而，多年来该课程逐渐被边缘化，致使学生的综合设计能力无法得到有效培养。文章依托机械设计综合实践课，重点对培养学生的综合设计能力进行了教学探索。首先，对机械设计学科的综合设计能力内涵进行了挖掘，提出了综合设计能力的三层模型。在此基础上，以培养学生的综合设计能力为目标，扩充了机构学基本理论知识，设计了面向机构创新的实训项目，并且将现代设计方法与先进计算机辅助设计手段相融合，有效推动了学生设计能力与科研素质的培养，取得了良好的教学效果。

关键词：机械设计；综合实践；综合设计能力；教学改革

中图分类号：C961 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）21-0076-04

Abstract： Comprehensive practice course of mechanical design is an important practice course. However， this course is somewhat neglected in recent years. As a result， students' comprehensive design ability cannot be effectively trained. This paper aims to explore how to cultivate students' comprehensive design ability based on the comprehensive practice course of mechanical design. Firstly， the meaning of comprehensive design ability of the mechanical design subject is revealed， and the three-layer model of comprehensive design ability is put forward. Then， in order to train students' comprehensive design ability， fundamental knowledge of the theory of mechanism is introduced and new training projects for mechanism innovation are designed. By integrating modern design methods and advanced computer aided design technology， students' design ability and scientific quality are effectively enhanced. And satisfactory educational results have been gained.

Keywords： mechanical design； comprehensive practice； comprehensive design ability； teaching reform

機械设计系列课是高等工科院校机械类专业的重要基础课程，主要包括：机械制图、机械原理、机械设计等。学生在学完这些课程之后，还需要学习一门重要的后续课程，即：机械设计综合实践课（原名：机械设计综合课程设计）。

与机械设计系列课有所不同，机械设计综合实践课是一门重要实践环节课程[1]。它不仅担负着融会贯通机械设计系列课程知识的任务，更是拓展学生视野、培养综合设计能力、锻炼科研素质的重要平台。然而，多年来这门课程一直不被重视，逐渐被边缘化。在此状况下，学生既不能有效掌握系统的设计理论与分析方法，又不能熟练运用各种计算机辅助设计工具，综合设计能力十分薄弱。

当前，机械设计学科正在发生深刻变革[2-4]。各种新的设计理论与分析方法层出不穷，各种计算机辅助设计工具大量涌现。新形势对机械设计综合实践课建设提出了新要求。因此，有必要重新审视机械设计综合实践课的地位和作用，开展新的教学探索。

目前，机械设计综合实践课的教学改革方兴未艾[5-12]，尚有很多工作需要去做。为此，本文依托机械设计综合实践课，重点对培养学生的综合设计能力进行了教学探索，取得了良好的教学效果。

一、问题与现状

随着机械设计学科的发展，原有机械设计综合实践课教学已无法适应新形势的要求，逐渐暴露出一系列问题。以我校为例，主要表现为：

1. 设计对象以减速器为主，偏传统、少新意，学生积极性不高。

2. 实训项目陈旧，其设计思路和实施步骤均有现成答案可供参考，难度低，学生热情不高。

3. 教学内容侧重于机械零部件的结构设计，缺少对执行机构进行设计与分析的内容。

4. 在教学模式上以教师授课为主，学生的主观能动性不足。

5. 教学重点在于回顾机械设计系列课中的重要知识点，自身内容不具备完整性，缺乏对设计过程中所需要的机构运动学与动力学领域重要概念和知识的输入。

6. 学生只见树木不见森林，不能获得比较系统完整的机械设计步骤与流程的训练。

7. 学生主要依赖手工绘图，设计手段落后，缺乏运用计算机辅助分析设计工具进行机械设计的训练。

上述问题不仅严重影响了教学质量，更使学生丧失了培养综合设计能力的宝贵机会。

二、综合设计能力的内涵

在高等工科院校的相关专业中设置机械设计系列课的主要目的在于培养学生的综合设计能力。但是，这种能力并非仅通过知识的学习即可实现，更有赖于后期的实践训练予以培养和锻炼。

我们经过一系列教学探索，认为这种综合设计能力主要包含三个层次，如图1所示。

第一层次是培养学生具备扎实完备的基础知识功底。所谓“基础知识”，并非狭义地指“机械制图”“机械原理”和“机械设计”等机械设计系列课程知识。这些知识固然对学生从事机械设计非常必要，但并不充分。还需要适当扩展引入构型综合、运动学与动力学分析、强度设计与校核、优化设计等机构学基础知识和重要概念。在这些重要知识欠缺的情况下，学生不具备扎实完备的基础知识，也就不可能开展高水平的机械设计和分析。

第二层次是培养学生使用现代设计方法与先进计算机辅助设计手段进行设计和分析的能力。虽然具备扎实的基础知识十分重要，但是若不掌握恰当的设计方法与设计手段，仍将事倍功半。当前，机械设计学科正在经历深刻变革。各种新的设计方法层出不穷，为机械创新设计注入了新活力；各种计算机辅助设计工具大量涌现，为机械产品研发提供了强大动力。在新的形式下，将现代设计方法与计算机辅助设计手段相融合实现创新设计——这是对新一代机械工程技术人才提出的新要求。

第三层次是培养学生创造性构思的设计能力。一般而言，机械产品的设计从创新性上可以分为三层。最低层是“从有到有”，即：选型设计，重点在于根据设计要求进行产品选型。第二层是“从有到新”，即：类比设计，重点在于借鉴他人成果解决自己问题。最高层是“从无到有”，即：原创设计，重点在于概念设计。对于机械设计综合实践课而言，在学生具备了扎实的基础知识、有效的设计方法和娴熟的设计技能基础上，重点引导学生从低层次的选型设计过渡到更高层次的类比设计，即：培养学生创造性构思的设计能力和总体上把握设计方案的能力，为原创设计奠定基础。这是对学生综合设计能力的更高层次要求，需要通过精心设计实训项目予以训练。

三、教学探索

为培养学生的上述三层次综合设计能力，我们开展了一系列的教学探索。

（一）扩充机构学基本理论知识

在教学内容上，打破原有课程的封闭性。针对实训项目，适当引入构型综合、运动学与动力学分析、强度设计与校核、优化设计等机构学基础知识，扩充学生的知识面。引导学生初步学会运用这些知识实现机构的分析与综合。

在引入新知识的过程中，坚持“够用即可”的原则，注重在难度和广度上进行控制，避免分散学生的精力。在教改思路上，强化“设计”、弱化“分析”。使学生重点掌握在何时何地把这些知识如何有效运用于设计过程中以解决问题，而非过度关注这些知识的内在细节，从而在宏观上建立起正确的机械设计思路与分析流程。

为此，在教学内容的编排上，适当增加执行机构的设计内容，相应减少零部件结构设计内容。鉴于减速器具有十分典型的机械特征而值得初学者学习，因此予以保留。但是将以往的二级减速器结构设计精简为单级减速器结构设计。既保留原有精华，又减少重复性劳动。这为新内容的引入节省出大量时间，从而使学生有精力去掌握更加完备的基础知识。

（二）现代设计方法与先进计算机设计手段相融合

在构型综合、运动学与动力学分析、强度设计与校核、优化设计等环节中，全面引入ADAMS、SolidWorks、ProE、AutoCAD等多种计算机辅助设计工具，培养学生将现代设计方法与计算机辅助设计手段相融合实现创新设计的能力。其中，利用ADAMS软件进行机构的创新设计、运动学与动力学分析、强度设计与校核、优化设计；利用SolidWorks、ProE等软件进行减速器的三维结构设计；利用SolidWorks、ProE等软件的二维投射功能或者AutoCAD软件，进行减速器的二维装配图和二维零件图的设计。上述做法有效提升了学生的综合设计技能。

（三）设计面向机构创新的实训项目

实训项目是学生在机械设计综合实践课上需要完成的设计任务，是教学要求与培养目标的实施载体。实训项目的水平在很大程度上决定了学生的培养水平。因此，实训项目的设计十分重要。

一方面，实训项目应满足教学大纲要求，即：包含原动机、传动装置、工作机（执行机构）三部分，并且能够对机械原理与机械设计等主要课程内容进行训练。另一方面，改变只针对减速器进行设计的做法，扩大选题范圍。鉴于授课教师具有深厚的科研背景和丰富的工程经验，直接从他们的科研项目以及工程实际中提炼一些难度适中、具有一定实用价值和挑战性的实训项目，例如：力反馈装置、眼外科手术器械、舱门机构等，如图2～图4所示。将设计对象从经典的铰链四杆机构等扩展到并联机构、远程运动中心（RCM）机构等，从减速器等传统领域扩展到前沿的人机交互、微创手术、空间机构等领域。这不仅扩展了视野，又提升了设计过程的挑战性，对于提高学生的科研素质和创新精神具有极为重要的意义。

（四）树立以学生为中心的启发互动教学模式

在以往课堂教学时，教师会不厌其烦地讲授每个设计细节。其结果虽然降低了难度，但是没有为学生留下充分的自由想象空间，最终也无益于能力的锻炼。

为此，我们改变“教师为主、学生为辅”的教学模式。在课堂教学中，采用启发式、互动式授课方法。一方面，充分发挥教师的引导作用，侧重帮助学生理解并掌握机械设计的正确思路以及现代机械设计方法与流程，然后放手让学生自主开展工作。另一方面，根据实训项目，将学生分成若干小组。在机构的方案设计与论证阶段，以学生为主体，围绕设计任务自行开展资料收集、方案提出、方案优化、方案论证的工作。然后，每个小组制作PPT，在规定时间内阐述自己团队的最终方案，并且回答老师和其他同学的提问。通过上述做法，强化学生自主学习和自主攻关，锻炼学生解决实际问题的能力。

此外，为每个班级配备相关专业的研究生作为助教，在计算机辅助设计工具的使用方面给予辅导，大大降低学生使用计算机辅助设计工具进行机械设计的难度。

（五）建立全面的评价体系

原有的评价体系并不完善，侧重于检查学生对基础知识，尤其是对绘图知识的掌握，无法全面反映学生的综合设计水平。为此，改为在专业基础知识、计算机辅助设计技能、机构创新设计能力三个层面综合评价学生。每个评价层面又由多项评价指标组成，从而建立起比较完整的评价体系，实现对学生综合设计能力的全面评价。

四、教学实践

在教学探索的基础上，以培养学生的综合设计能力为目标，积极开展了教学实践。教改后的机械设计综合实践课的主要教学过程分为以下五个阶段。

（一）理解阶段

在此阶段，教师为学生分配实训项目，并对学生进行分组。根据实训项目内容，为学生讲解相关背景、研究意义以及重要概念。

针对实训项目，引导学生掌握理解实训项目的方法，重点培养学生从实训项目中提炼各种设计约束（如：尺寸约束、运动约束、动力约束等）的能力，并且建立起以“约束”作为设计的起点与归宿的重要设计理念。

（二）机构设计阶段

在此阶段，教师针对具体的实训项目，提供一些重要的参考文献，引导学生查阅资料，寻找解决实训任务的思路。在此基础上，指引学生把思路逐步具体化，从而提出具体的机构构型方案。若存在多个方案，则进一步引导学生进行方案的比较、筛选与优化，并且撰写方案论证报告。然后，学生以小组为单位制作PPT，进行汇报并答辩。最终，确定方案。

（三）分析阶段

首先，针对最终确定的执行机构方案开展运动学分析。为此，利用虚拟样机仿真分析工具ADAMS软件分析执行机构的运动性能。根据分析结果检验是否满足实训项目规定的尺寸约束和运动约束。如果不满足，需要重新修改机构方案及其特性尺寸。通过多次反复，最终确定执行机构的构型及特性尺寸。

在满足运动学要求的基础上，继续进行动力学分析。为此，利用虚拟样机仿真分析工具ADAMS软件分析执行机构的动力学性能。重点分析：驱动力（矩）、运动副阻力（矩）、工作载荷与速度（加速度）之间的定量关系等，检验能否满足实训项目规定的动力约束。如果不满足，需要重新修改机构方案的动力学参数，直至满足要求。在此基础上，确定执行机构工作时的实时功率与最大功率。

（四）结构设计阶段

首先，根据执行机构所需的最大功率确定原动机的输出功率与额定功率。再根据执行机构输入端的运动要求，确定原动机（电动机）的额定转速以及减速器的传动比，并最终确定原动机的型号。

其次，确定减速器的传动方案，例如：齿轮传动、蜗轮蜗杆传动。

接下来，利用SolidWorks、ProE等软件进行减速器的三维结构设计；利用AutoCAD软件，绘制减速器的二维装配图以及二维零件图。

（五）总结与答辩阶段

学生整理设计结果，打印图纸，撰写设计说明书。

学生参加答辩。教师针对学生的各设计环节进行提问，学生予以回答，以此检验教学效果。

五、结束语

本文依托机械设计综合实践课，对培养学生的综合设计能力进行了教学探索。对综合设计能力的内涵进行了挖掘，提出了综合设计能力的三层模型。在此基础上，以培养学生的综合设计能力为目标，开展了教学探索与实践。在教学内容上，扩充了机构学基本理论知识。为扩展学生视野，设计了面向机构创新的实训题目，并将现代设计方法与先进计算机设计手段相融合。树立了以学生为中心的启发互动教学模式。建立了三层评价体系，比较全面地评价学生。这些教改探索有力推动了对学生综合设计能力的培养，取得了良好的教学效果。

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