新工科背景下 “机械设计课程设计”教学改革

李秀红，李文辉，任家骏，庞荫铭

(太原理工大学 机械工程学院，山西 太原 030024)

高等工程教育在我国高等教育中占有重要的地位。为应对新一轮科技革命和产业革命的挑战，主动服务国家创新驱动发展和 “一带一路”“中国制造2025”“互联网＋”等重大战略实施，加快工程教育改革创新，建设工程教育强国，对服务和支撑我国产业转型升级具有重大意义。教育部明确了 “新工科”建设行动路线，高校在专业设置、人才培养模式、培养质量体系等方面都在做相应的改革[1－2]。

机械设计课程是机械类及近机类学生必修的一门非常重要的专业基础课程，作为机械设计课程的实践教学环节，其主要是以机械产品的设计为载体，经过产品需求分析、方案设计、结构设计到技术文件编写，对学生进行一个产品设计全过程的训练，在学生知识、能力和综合素养的培养等方面起着重要作用。由于减速器的设计过程涵盖了机械设计课程的基本理论和设计方法，因此，目前大多数高校的机械设计课程设计题目仍然是一般传动用途的减速器，设计任务是要求学生能够完成总装图、零件图的绘制和说明书的编写。整个设计环节只是重复性的模仿，缺乏主观能动性的发挥，导致了学生做课程设计的过程是一个被动学习的过程。这种传统的设计题目和设计内容很难支撑以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济蓬勃发展，很难服务于以大数据、云计算、物联网应用、人工智能、虚拟现实等新技术和智能制造、集成电路、新材料等交叉融合的新产业，也很难服务于传统煤矿机械、纺织机械及通用机械等产业转型升级。

为此，针对新技术、新业态、新模式、新产业的人才培养需求，结合大数据、云计算、物联网应用、人工智能、虚拟现实等新技术，立足“新工科”建设，以培养学生的创新思维、工程思维、批判性思维和数字化思维，使学生能由被动学习转为 “自主、探究及合作”的学习，提升学生的创新创业、跨学科交叉融合、自主学习、团队协作能力和工程能力为目标，进行机械设计课程设计的教学改革是非常必要的[3－5]。

1 总体改革思路

基于产教融合、科教结合、校企合作和各种竞赛，将产业和技术的最新发展、行业对人才培养的最新要求引入课程设计的教学过程，积极探索探究性和创新性的设计题目，调整和更新课程设计内容，鼓励学生采用参数化和智能化的设计方法，将机械工程技术与信息技术相融合，加强师资队伍建设，聚焦需求、发挥优势、主动实践，大力培养工程科技创新和产业创新人才，服务产业转型升级。总体思路如图1所示。

图1 总体改革思路

2 课程设计题目

以往的机械设计课程设计题目比较单一，大多数高校多年来都是以一般用途的减速器作为设计题目，传动系统的方案和设计需求都有指导教师给定，学生按照任务书的要求完成设计任务，以达到能够设计一般简单传动装置的教学目的。然而由于这种被动学习的方式，使得学生对传统题目缺乏新鲜感，很容易形成定势思维，不利于学生创新能力及工程素养的培养，也很难满足新业态、新技术、新产业的发展需求[6－8]。

为了激发学生创新和主动设计的学习兴趣，将大学生创新性实验项目、全国大学生机械创新设计大赛、挑战杯竞赛及校企合作项目等与课程设计相结合，以学科竞赛和项目任务为驱动，将竞赛和项目内容转化为课程设计内容，丰富课程设计题目，使课程设计题目由过去单一的减速器向多样化的题目转变，从过去教师命题设计向学生自主选题及教师命题相结合的方式转变，将学生被动式转变为项目驱动的探究式学习，为学生提供更自由的选择和发展需求[9]。

随着高铁、风电、机器人等新产品的发展，也可以将课程设计题目从一般用途的减速器改为高铁、机器人及风电使用的减速箱或者增速箱，使得学生对现有技术及现有产业的产品需求及设计要求有更深刻的理解。通过这种丰富、多样化及与需求接轨的设计题目，提升学生的设计兴趣和工程技术创新能力，形成对复杂工程的系统视野。

3 课程设计内容

机械设计课程设计的内容一般包含传动装置的总体设计、关键零部件的设计计算、总装图及零件图的绘制以及设计说明书的编写等。通过这些设计环节和内容对所学的基础理论知识进行巩固、加深和扩展。然而在设计的过程中，由于学生缺少工程知识训练、缺乏工程背景，导致学生在设计过程中，仅重视强度计算和结构设计，没有很好地考虑加工工艺及制造装配精度等问题，使得学生的产品设计与实际的工程应用很难衔接。因此为了培养学生的工程素养，让所学理论为工程设计更好的服务，以问题为导向，以继承与创新为主要途径，将产业和技术的最新发展，以及行业对人才培养的最新需求引入教学过程，以产品 “构思、设计、实现、运行”的全生命周期为载体，更新机械设计课程设计内容，增设三维建模仿真和模型制作等内容，要求学生提交开题报告、设计报告及三维模型或者实物作品等；建立从理论学习、设计训练、动手实践再到工程探究的课程设计教学链条，实现理论教学与实践教学的交叉螺旋进行，使学生获得有意义的综合实践体验，通过主动实践，形成未来工程师的综合品质和工程能力，使学生在知识、能力和素养三方面全面发展。

4 课程设计手段

目前，机械设计课程设计的任务为:一张装配图，两张零件图，一份计算说明书。大多数学生都是手工绘图，也有少数学生用计算机绘图，还有极个别的学生采用三维建模，但覆盖面很少。这种传统的设计手段很难满足企业产业升级、技术更新的需求。尽管学校个别专业模块增设了CAD/CAM原理及有限元分析课程，但是现有的课程体系很难将所学工程设计方法、手段与实践课程相融合。随着计算机技术的迅速发展，各种工程设计软件已经在各类企业中广泛使用，计算机辅助设计与制造已成为现代产品设计与制造的主要技术手段。为了与企业需求相融合，与企业的新技术新设计手段相接轨，基于现有的课程体系结构，在机械设计课程设计中增设了三维建模、仿真与模型制作等内容，强制学生采用现代化的工程设计手段(UG、Solidworks和ANSYS)完成课程设计。在课程设计的准备阶段，对于没有学习过这些设计分析软件的同学，可以集中培训10～16小时，教会学生基本的操作(建模、装配及分析)，并在课程设计阶段进一步学习、掌握其在工程设计中的应用。在设计阶段，鼓励学生采用参数化的设计方法，建立智能数据库，将机械工程技术与信息技术相融合，培养学生既具备科学与基础理论修养，又能从多学科的视角进行产品全生命周期的设计[10－12]。

5 加强师资队伍建设

新工科背景下，课程设计的改革不仅仅对设计题目、设计内容和设计手段提出了新的要求，对师资队伍也提出了新的要求。目前，很多青年教师缺乏工程背景，对企业存在的问题及需求、新技术、新业态了解甚微，在课程设计的指导过程中很难在材料选择、结构及工艺设计中启发学生创新。因此，在教师的培养过程中，应以问题和项目为导向，鼓励教师去企业进行调研或者学习，了解新材料、新工艺及新结构在高端装备中的应用，提升教师的工程实践能力。在课程设计的过程中，启发学生除了常用的材料外，可根据企业新的需求，选择新材料；在考虑产品加工工艺及结构设计时，也可以采用集成化、模块化的结构等，扩充学生的知识结构，培养学生的工程设计能力和创新能力。

6 教学效果

基于产教融合、科教结合和校企合作，依托于全国大学生机械创新设计大赛、挑战杯竞赛等项目，率先在2012级学生机械设计课程设计教学环节中实施新的教学改革。首先在全校机械类学生中公布大赛主题，并将教师的科研项目及企业需求与传统的减速器设计题目相融合，汇总成可供学生选择的设计题目，然后由学生自主选择设计题目，极大地调动了学生的能动性和积极性。经过三周的设计训练后，学生基本掌握了产品从方案—总体设计—结构设计—技术文件编写的全过程。新的课程设计教学过程培养了学生的工程素养、创新能力和使用新技术的能力，提高了学生自主学习的能力。

7 结束语

机械设计课程设计改革是新工科背景下培养学生工程素养和设计能力的内在组成部分。适应新技术、新业态、新模式、新产业的人才培养需求，改革课程设计题目、内容、手段，加强师资队伍建设，以产品 “构思、设计、实现、运行”的全生命周期为载体，建立从理论学习、设计训练、动手实践再到工程探究的课程设计教学链条，实现理论教学与实践教学的交叉螺旋进行，建成能满足企业产业升级及行业需求的实践课程。

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