机械设计基础课程内容改革和多样化教学方法创新与实践

娄秀华 杜为民 姚海蓉

1.中国农业大学工学院 北京 100083

2.北京林业大学生物科学与技术学院 北京 100083

机械设计基础是笔者所在学校的农业机械化专业、工业设计和农业工程专业重要的专业基础课。课程内容多而杂，学生不仅要掌握常用机构的结构特点、运动特性、设计思路和功能特点，也要掌握通用零部件的设计原理和设计计算方法等基本知识。当今社会要求学生能够具备较强的工程实践能力以及分析和解决工程实践问题的能力。改革教学内容和创新教学方法是高校一直关注的问题。笔者曾经在美国普渡大学访问学习，调研了国外的机械设计基础类课程的授课方式和方法，其专业基础课设置了大量的实践性辅助课程，并多以小组团队的形式讨论工程实际问题，不仅培养学生团队意识，学生还能在团队合作中互相学习，在分析求解和专业问题论证的过程中，学生表达能力、专业理论知识和专业技能得到了很大的提高。国外多层次和全方位培养人才的方式使该课程迫切需要改革教学内容和教学方法。纵观国内在课程授课内容上工程应用特点不突出，独立思考解决实际工程问题能力培养上过于局限。虽然高校极力强调知识的系统性、学生综合能力培养的重要性，但在课程实施中还是以往的思维模式。本文结合笔者近20年的教学经验和国外的人才培养模式，改革机械设计基础课程的教学内容，创新型教学方法，以培养学生工程设计思维能力为目的，并在实践中逐步完善和成熟。

1 课程教学内容改革

深入了解社会对专业人才能力的需求，以创新型人才培养为目标安排教学内容，结合现代教育技术手段和方法，改革优化教学内容。

1.1 工程实践性内容融入课程

例如课程《绪论》一章，讲授课程研究的对象、研究内容、作用和意义时，结合大量的工程实践中的录像让学生认识到学习本课程的重要性，激发学生对课程学习的欲望。课程中主要以农用车辆发动机、内燃机或洗衣机为例，针对不同的专业列举的研究对象有所不同。课程授课中讲解产品的结构、功能、工作原理、性能要求和设计的全过程，同时给出通用零件和专用零件、机构的概念和常见机器的组成及机器与机构的区别和联系；以实验室的料斗提升机为例，动画展示工作过程，介绍机械传动装置包括哪些主要的零部件、机器的设计要求，工作过程中出现的主要失效形式和强度设计准则，从工程实际问题出发，培养学生解决问题的能力，培养学生的社会责任感。并引导学生采用其他传动方案，培养他们学习本课程的兴趣。

《机械原理部分的平面机构自由度和速度分析》一章，介绍绘制机构运动简图的意义，同时以大量的动画为例，如凸轮机构及齿轮机构的运动情况，详细讲解机构的运动副、约束和机构自由度等概念及平面机构运动简图的绘制方法和过程。又如小型压力机，介绍其运动简图的绘制方法和自由度的计算方法等。

《平面连杆机构》一章，列举大量的工程实例，如公共汽车的车门开关机构、缝纫机的脚踏机构、雷达天线和惯性筛机构，结合这些实例，学生不仅有感性认识，也意识到学习这些知识的重要性。又如在教学《内燃机》一章时，播放其运动视频，讲解其中的典型曲柄连杆机构、连杆机构实现的条件，讲解在不同的工作条件下如何设计此机构。

机械设计部分在讲解《滚动轴承》一章时，结合播放滚动轴承组合结构设计录像片，展示轴承如何装配和拆卸及轴系的几种安装方式等，课程中学生对这段视频的播放表现出极大的兴趣，收到了很好的教学效果。

1.2 课程内容设计具有系统性和深入性

课程内容不仅完整而且自身要形成一种合理的体系结构。内容补充工程材料的知识、钢的热处理和制造工艺等方面的技术内容，这些内容虽然在以往的课程中学过，但如何与本课程结合起来，例如齿轮通过哪些热处理方式可以增加其表面硬度和芯部的韧性，这样处理的目的和意义，在工作中又会出现哪些失效形式，强度设计满足哪些性能要求等。《蜗杆传动》一章，介绍各种蜗杆的加工工艺特点和加工局限，讲解其出现的主要失效形式与工艺加工方法之间的关系。设计蜗杆传动要注意哪些问题，针对哪些强度设计，设计目的和设计方法。《滑动轴承》一章，其材料是比较特殊的，与其他零部件的材料之间有什么不同及材料经过热处理后的性能、有什么工程应用意义等。

每章的内容讲解中，要引导学生对一些知识点深入理解。例如书中的图表不是简单的数字罗列，要引导他们分析数据的变化趋势，如何更好地选择数据等。《带传动》一章，基本额定功率的大小是在一定的实验条件下得到的数据，如果带长度不是特定长度，数据随着带长度的增加，系数怎样变化，对强度有什么影响，要分析数据变化的原因等。

1.3 增加课堂讨论内容专题

课堂讨论专题大都采用的是学生提前准备讨论的内容，在课堂上讲解出问题的提出、解决的方案、设计的过程等，学生互相讨论，最后教师做总结。讨论专题对促进学生和学生之间互相学习、学生与教师之间的交流沟通是非常重要的。学生不仅有机会发表不同的观点，听取不同的意见，大胆突破和创新，同时在讨论中创造包容和平等的学习环境，培养质疑、被质疑的环境，对创新型人才培养有着非常重要的作用。高校都在努力达到很好的效果，但真正做到却不是容易的事情，主要集中在讨论内容的深度不够和广度存在局限性。建议教师拿出具体的实施方案，高校教务部门给有思想有能力的教师空间和研究经费，真正达到课堂讨论的目的。例如，《带传动》一章，就弹性滑动现象，让学生以见到的生活中的实例为例，以小组讨论的方式让学生真正理解弹性滑动现象产生的原因，提出设计要求和设计指导。目前，我们采用的是将科研中遇到的问题提出来，学生去解决，如2017年底结题的科研项目“温室大棚中的电动拖拉机变速箱设计”，提出设计问题，学生给出解决的方案。在整个准备和讨论过程中，学生提出了非常有价值的方案。

总之，依托专业机械作为教学背景，课程内容中列举大量的工程实例，注重课程与相关专业课之间的联系。针对不同的工程问题，采用不同的处理方法，把理论教学和专业实际应用紧密结合，激发了学生学习兴趣。学生的工程实践能力和解决实际问题的综合能力也得到了很好的培养，同时也为后续专业课程的学习打下坚实的基础。

2 课堂教学中融入多种现代化教学手段和全方位创新型教学方法

根据笔者的上课特色和教学思路组织新颖多样化的教学内容，不同的教学内容采用不同的授课方法，学生就不会有课堂听课疲劳的现象。在授课课堂上，基本做到每位学生紧跟课程授课思路，积极回答问题，而且经常发现有个别同学搬动活动座椅到第一排听课，因为这样会收到比较好的听课效果。这也为几年的教学改革给予了极大的肯定。

教学方法是高等院校一直探讨的问题。对每位教师而言应该采取不同的教学方法，将多种教学方法结合起来，并形成一套可行的教学方法是非常重要的。典型工程实际案例、归纳总结和对比、虚拟环境演示教学、现场教学、虚实结合教学及翻转课堂等教学模式，合理地将这些丰富多彩的教学方法结合起来，并恰当地融入教学中是非常重要的。目前在教学中得到了学院和学生们的认可，并收到了很好的授课效果。

2.1 虚拟样机和实物模型相结合的教学方法在课程中的应用

将ADAMS多体动力学软件应用于机械设计基础教学中，提高学生的学习兴趣。《连杆机构》一章，在讲解时，可以现场建立连杆机构的多体动力学模型，通过改变连杆的参数，分析连杆机构运动可执行性的条件；应用ADAMS建立凸轮机构的虚拟样机模型，学生可以更直观地了解凸轮机构从动件的常用运动规律，添加ADAMS传感器，测量从动件的位移、速度和加速度，学生更容易理解 “反转法”设计凸轮机构的设计过程，培养学生设计凸轮廓线的设计能力，同时学生学会将先进的设计手段应用到问题的分析中，增强学生的求知欲望。通过ADAMS建立常用机构的虚拟样机仿真模型，并进行运动学、动力学仿真分析，同时录制成便于教学的视频文件。在授课中为学生提供各种机构的虚拟仿真演示系统，同时在设计中可以将自己的创意施展出来，弥补实验教学设备的不足，增强学生的感性认识。

也可将ADAMS和ANSYS软件结合起来应用到课程中，对机械设计基础的学习以及后续课程学习起到了非常重要的作用。没有开设实验课的专业，如工程力学专业的学生，除了每章理论学习的作业外，充分利用学生的课余时间开展分组讨论的活动，建立各个机构的虚拟样机仿真产品，制作出创新作品，通过实践指导，优化设计，搭建实物模型，并给出相应的运动学及动力学特性分析过程，帮助学生理解所学内容，加深对理论知识的理解和应用。

2.2 翻转课堂教学模式融入教学中

翻转课堂是目前高校提出应用的教学模式。但其应用还不够普及，笔者所在的学校已经将翻转课堂融入课堂教学中。对于专业基础课程，笔者认为采用课堂教学与翻转课堂混合教学模式是比较实用的，同时侧重于学生自主学习能力、分析事物能力和创新能力的培养，通过学生集中讨论，教师参与互动，共同消化吸收专业知识。这种结合方式在教学实践中收到了很好的教学评价和教学效果[2]。

笔者在机械设计基础课程教学中设置了大量讨论和实践性专题课，在课程授课前为学生提供一些查阅的资料或需要讨论完成的内容，也鼓励学生将相关领域的、感兴趣知识内容与大家共享，同时增加作业频率，与网上完成讨论答疑等多种方式结合起来，让课程授课过程更活跃。实践证明，两种教学方式结合，取长补短，有着无可比拟的优势。注重将全方位、多层面的教学方法应用于课程教学中。

2.3 在理论环节的基础上增加实践环节学时量

笔者负责的农业工程、农业机械化和工业设计3个专业的机械设计基础课程，增设了4个学时的实验。经过实践发现，与以往相比，学生的学习热情高，同时在课程中融入了实践环节的学时，学生因为有了对机械总体的认识，能够积极主动地思考问题，学习热情也高涨了。同时他们积极参与到课堂，经常搜集一些资料或者把创新大赛的内容和本课程结合起来，因此认知能力总体提高了。

3 结语

上述为笔者机械设计基础课程的内容改革和实践，同时在教学中巧妙地应用多样化的教学手段和方法。经过3年的实践，收到了很好的教学效果，学生总体评价很高，督导组多次听课检查，也给出了教学全优的评价结果。在今后的教学中将继续寻找更先进的教学方法，培养出合格的专业技术人才。