校级精品课程《机械设计》的实践教学改革——以广东理工学院为例

李 俏 伍先明 王鹏程 黄永程

（广东理工学院，肇庆 526100）

根据《机械设计》课程的教学要求，在教学对象主要为大专层次学生时，广东理工学院以培养他们的学习技能为目标，进行了一系列教学探索和改革，且取得了较好的效果。2014年，广东理工学院开始正式招收本科层次的学生。尽管《机械设计》这一门课程的名称没有变，但教学对象和教学内容的广度、难度及深度均发生明显变化，本科层次教学的手段不能再用之前专科层次行之有效的教学方法，急需要进行改革。2017年，广东理工学院工业自动系（以下简称“工业自动系”）《机械设计》课程被评为校级精品课程，因此如何抓住此机会，构建工业自动系本科层次的《机械设计》课程教学体系，亟待研究和改革[1]。

精品课程建设要符合当代的教育思想，具有先进的科学性、体现教育教学规律，而且教学技术方法应逐渐现代化，打造具有一流的教学内容体系、一流的教学方法、一流的师资队伍、一流的实验室、一流的教学管理模式等特点的示范性课程[2]。工业自动系虽然在专科时就已经开设该课程，可是毕竟教学性质以及教学对象等有所不同，整套教学模式已经不再适用现今本科生的教学。并且《机械设计》属于大三的专业基础课，至于本科教学到目前也就开设过一届，所以在该课程组建的教师队伍结构的稳定性，教学方法和手段的多样化、科学化与时代化、教学内容建设的先进性和科学性、教材建设的持续与系列性、相关优质教学资源的网络共享、课程实习基地的建设、实践教学等方面，还有非常大的提高空间，急需对其加强建设[3]。本文结合课题组成员的多年课程建设以及教学经验，并借鉴国内多所高等院校的教学改革成果，基于国家精品课程建设的总体指导思想，针对《机械设计》这门课程实践教学中的不足，提出了几项具体的改革措施，并取得了一定的效果。

《机械设计》课程实践教学主要由实验教学以及课程设计两个部分组成，下面针对这两部分的改革情况谈谈具体的改革方法。

1 创建机构创新实验室

实验室作为培养学生综合素质和科学思维的重要教学基地，广东理工学院自从申请本科学士学位后，就大力投入到实验室的建设当中，尤其是工科实验室的建设。为顺应学科发展以及人才培养目标，工业自动系结合实验室硬件建设与管理体制改革政策，依据“十三五”教学规划目标，建设系部的专业基础课实验室。工业自动系在建设《机械设计》课程组精品课程时，在原有的实验设备基础上，专门建立了机构创新实验室，如图1所示。该实验室主要就是机构创新设计拼装与仿真实验台，在机械类各专业学生学完《机械设计》课程之后，进行机构传动系统的创新设计能力培养，主要通过机构相互运动来实现创新设计拼装与仿真。该实验室包含6组实验台，可以实现29种不同类型的机构传动系统的拼装以及仿真运动。比如常见的各种类型齿轮传动及其组合传动，齿轮-联轴器、齿轮-万向节、齿轮-万向节-蜗杆等组合机械传动系统，还有一些空间机构如球面槽轮机构、萨勒特（SARRUT）机构、RCCR联轴器机构、RCRC揉面机构等。学生可以结合说明书组合成现成的29种机构传动系统，也可以创新设计出新的机械传动系统，最后可以通过电机实现运动仿真进行检验整个机械传动系统的可靠性、可行性以及是否会发生干涉等。实践这一年多来，学生参与实验室实验的积极性与兴趣非常高，实验室不但受到学生的一致好评，而且促进学生的创新思维以及提高《机械设计》课程教学的质量

图1 机构创新实验室

工业自动系结合学生大三上学期学习《机械创新设计》这门课程时的情况，要求每个学生独立设计并制作出一件机器模型，最后根据学生所制作机器结构的合理性、制作的精良性、运转的灵活性、外表的美观性、构思的创新性、答辩的合理性等多方面因素来进行成绩评定，给予一定的学分，这不仅能鼓励学生动手操作，还能培养他们的创新能力。

1.1 实践教学与课堂内容同步

《机械设计》课程中有几个重点章节，如齿轮传动、带传动及链传动等都是关于常用传动系统的设计。在进行理论教学时，教师让学生按自由组合方式每3～5人组成一个独立的创新设计小组。该小组的成员可对所学知识进行同步系列实践训练，训练项目包括：机器传动方案系统的设计、机器虚拟装配模拟与机器模型制作等。创新设计小组的学生先从单个零件的动画模型制作入手，然后进行多个相关零件的虚拟装配模拟，形成完整机器的虚拟装配样机，进一步绘制整机图纸及撰写设计说明书[4]。这一整套工作下来，学生已经达到了该课程所要求实践教学任务的目的。

当学生自主的设计工作达到一定难度和深度时，可以申请作为本课程最终的实践设计环节，这样就避免了所有的设计题目需要教师来指定，学生可以根据组员的兴趣以及认知度选择与能力相适应的设计题目，同时也少了学生之间互相抄袭的现象。小组成员可以充分地发挥每个人的才能与智慧，成员之间分工合作，能比较优质地完成整个设计任务，同时也充分调动了创新设计小组中成绩不太理想的学生的积极性，利于提高他们对机械设计课程的学习兴趣。

1.2 结合技能比赛实践教学改革

《机械设计》课程实践教学不仅可以在实验、实训课上实施，也可以根据一系列的技能大赛、机械设计比赛来实施。近年来，国家级、省级的机械创新设计大赛都要求制作出实物来参赛。工业自动系顺应学校鼓励学生参加技能大赛这一政策，及时给学生宣传比赛通知以及要求，组织参加比赛。首先整个工作从确定整体的设计方案开始，这一过程是最需要时间与精力的，教师应该从理论知识、创新设计以及经验设计严格认真指导学生合理地确定设计方案。这一阶段的任务对学生的观察能力及创新思维能力要求非常高，指导过程中应加入工程实际提升学生的工程概念，提高设计方案的实际操作性。确认好设计方案后，后面工作就是根据理论知识进行设计计算、在图纸上绘制工程图。该步骤涉及《机械设计》课程的主要教学内容，这样学生不仅可以加深对书本上内容的理解，也得到了一定的实践训练。例如，常用齿轮的选用，关于直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮以及锥齿轮等的设计实例，课本上有一整套详细的流程，如果学生单纯地按照书上实例设计齿轮，只会让很多学生对于一些选择问题如齿轮材料、齿数、硬度等照搬照抄，没有实质性地理解设计的核心内容。结合现在大赛的实物设计任务，学生必须根据具体实物的设计要求来展开齿轮设计工作，不能完全参考书上的选择方案，要查阅一系列资料选择齿轮的具体材料、类型等。每一步的设计结果都要进行检验看是否符合实际结构、装配是否合理。最后，这些经验可以帮助学生以后的工作设计。选型完成之后，就是制作机械模型实物环节，这个过程的工作量相比前面工作来说，所花费的时间与精力是最大的，因为涉及模型加工装配等问题，会出现一些始料不及的问题，甚至全部否定前面的工作，只要有一步不能执行，都要回头修改图纸，检查设计计算说明，过程很难，但是可以提高学生的实践操作能力，比单纯地通过几周的课程设计效果明显。整体来讲，结合机械创新设计大赛实施实践教学改革这一方法，学生不再觉得《机械设计》这门课枯燥无味。

2 改革课程设计

机械设计课程设计作为《机械设计》课程是不可或缺的教学实践环节，基于教学大纲的要求，课程设计安排为3周。工业自动系历来的设计任务都是设计两级齿轮减速器，一个班级总共四大种类型题目，每一种所在的设计参数不同。这一设计任务的资料成熟度太高，再加上教材配套的实践指导书、图册等资料较多，导致很多学生只会抄袭，动手全过程设计的学生不多，这一现象就使得课程设计完全偏离原本的目标。

为了改变上述问题，提高课程设计整个教学环节的质量，课程组的教师对该课程设计的内容以及实施过程进行了一定探索性的改革。

2.1 机械设计课程题目多样化

教师不再安排学生统一的设计题目，让学生尽可能地设计自己的题目，发挥出学生的创新思维，激发他们的兴趣。首先，作为一名理论教师，根据学生在教学过程中提出的问题，给他们提出一定的改进建议或创新思路，选定初步的设计问题草案。同时，为提高学生运用知识解决实际项目的能力，设计的主题应结合工程实践并具有特色。

2.2 改革设计方法

新增课程设计方法——实验方法，通过建立三维模型，利用计算机对选定机械传动系统进行动态演示和仿真模拟，这样可以培养学生的动手实践能力和三维空间思维能力。摒弃单纯运用手绘进行机械设计，将CAD/CAE技术引入课程设计中，通过虚实结合的方式提升学生运动传动系统方案的设计能力，加强其对机器的分析和综合训练，进而培养学生设计能力和创新能力。

2.3 设计时间合理、开放

课程设计时间不应限制在规定的时间内，并且避免学生都集中在最后一周完成整个设计任务。在研究之初，机械设计课程开始的课程设计也应该从一个选型开始，以便课程设计贯穿整个理论教学过程。设计过程从浅到深逐步涉及每章的具体内容，最后，它被集成到专业工程类型要求的最终综合设计主题中。

3 结论

通过上述途径对《机械设计》课程实践环节进行改革，不仅有利于提高理论课的教学成果，而且增强了学生之间的协作能力、创新能力，提高了其查阅资料能力，增强其对这门课的学习兴趣。每个实践阶段都是学生占主导地位，教师起辅助指导作用，明显地提高了学生学习知识的自觉性，防止学生由于准备时间不够或者对设计题目不感兴趣而一味地抄袭，而且由于时间的自由，学生可以专心做好自己的设计。