机械设计教材建设的思考

余 皡

（机械工业出版社高等教育分社，北京 100037）

一、机械设计课程及教材的历史回顾和特点

（一）课程的定位

《机械设计》是高校机械类专业学生的一门核心技术基础课。其内容主要阐述了一般工业生产中普通常见的机器所涉及的相关知识：机器设计的基本原则、设计计算理论、结构要求、材料选择及普通机器中所应用的几种关键结构的介绍，如连接部分、传动部分、轴系部分等。其主要目的是培养学生有一定的设计思想，可以通过本门课程的学习提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力。

《机械设计》课程在培养学生工程实践能力方面有重要作用，本课程学习结束后要求学生掌握机器的设计，包括结构设计及工艺安排、力及应力分析、强度计算、材料选择及经济环保诸多方面考虑，该课程的特点有以下几点：

1.和前期很多课程均有联系，比如机械制图：结构的图形表示；公差与配合：机器设计的精度；机械制造基础：热加工及冷加工工艺过程；材料力学：所设计机构的刚度及强度；理论力学：所设计机构的静力学及动力学。

2.公式多：有理论式、经验式、半经验式、定义式。图表多：结构图、曲线图、标准图、实验图等。

3.实践性强：不仅要理解书面知识，更要将书面知识应用于实践，即可以独立根据要求设计出机器。

4.重点多：差若毫厘失之千里，每个构件的微小疏忽都有可能导致整台机器不能正常工作。

5.结果多样性：该门课程结束后解决同一问题结论多样化，在达到要求的前提下，结论只有设计过程更优，没有对错。

（二）历史变化

多年以前机械设计课程被称为机械零件。为了适应社会发展的需要，同时应对知识爆炸、分工更细的信息时代特点，高等教育开始扩招并从知识教育向能力培养转变，目前宽口径教育基本实现。其具体还表现在很多专业课，如铸、锻、焊、拖拉机、农机等专业的消失、合并或者转型，这导致很多行业专业课程消失。很多基础课程需要承接一定量的专业课知识，比如原来规划机械制图要承担一些互换性（就是公差与配合）的知识，机械零件转变为机械设计课程承接一部分后期设计类知识。但转变从教材上来说并不全面，我们目前的机械设计教材基本上与原来的机械零件教材差异不大。

（三）相伴而生的问题

进入新时代，随着宽口径、能力培养教育教学改革的不断深入（cdio、卓越工程师、新工科等），各个学科专业都在压缩课时，大部分高校的基础课、专业课的教学压缩为48～60个课时或者更少，教材内容较多，这将导致很多内容不能详细讲授。《机械设计》课程和很多前期课程联系较紧密，在学习本门课程时需要大量的前期已修课程知识作为贮备，如果学生对前期所修课程掌握不好，加上本门课本身内容较多将导致学生在学习过程中感觉苦闷，教师在讲授过程中也会有很大困难。

《机械设计》课程不同于其他专业课程，该门课程实践性、创新性很强。目前我国机械设计基础薄弱，用于本科层次的书籍基本都涵盖了复杂的理论知识体系，培养目标基本是科研型人才，其在编排过程中就缺少应用型人才的培养案例。因而对学生实践动手能力的培养有较大的缺陷。在经济发展过程中科研型人才需求量较小，但需要大量的工程技术人员，在此背景下，学校课堂教学定位的模糊使得学生毕业后面临较大的就业压力。而繁杂的理论知识学习使得学生在创新意识、创新能力方面投入不足。

《机械设计》课程的特点导致本门教材学习有一定难度，同时在学习的过程中所涉及的内容较多：如连接部分的螺纹连接、键及花键连接和铆接、焊接，传动部分的带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动等。在前边的应力分析过程中，问题比较抽象，在后边具体常见零部件学习过程中有大量图表和很多公式推导，内容晦涩乏味。在讲授过程中，大部分学生不能将前后知识对比、归纳、总结，导致很多学生对整本书的知识缺乏一个完整的认知，即便授课教师反复讲，一部分学生还是认为各个章节各自独立、没有联系，不知道为什么学习，从而导致学生对本门课程产生畏惧心理，同时也对学习本门课程失去兴趣。

二、机械设计课程和教材的现状及中外对比

国外主要是欧美的机械设计教材，这几年均由我社悉数引进。产生比较大影响的主要有西格里版的机械设计、诺顿版的机械设计、德国慕丝版的机械设计，都分别进行了中文翻译，也被部分院校使用。其用途主要为国际竞赛和双语教学服务，也有国际班教学使用。其体系和国内的机械设计差别不大，差别较大的主要在习题、教材设计和具体讲解的详细程度。下面我们做一个简单的对比。

（一）结构体系的比较

表1 教材结构体系的比较

比较结果：从结构上来看，国内教材在习题、例题和附录方面远远没有国外教材的丰富。这种问题产生的主要原因是国内教材受篇幅限制，不可能像国外，特别是不可能像美国教材那样大篇幅、高容量，短时间内没有改进的可能。

（二）信息表达形式的比较

表2 信息表达形式的比较

比较结果：国内外的机械设计教材均十分重视图文并茂。相比较而言，美国大学机械设计教材不仅信息表达方式生动多样化，符合学生的学习心理规律，而且教材的信息量十分丰富，而国内的教材在信息表达方式和信息量方面均不及美国教材，但比印度教材还是强不少的。

（三）内容的比较

表3 教材内容的比较

比较结果：国外机械设计教材内容较为广泛，特别是美国教材编写方式很灵活，除公认知识点外，对计算机、软件均有介绍，注重学科的前沿性、理论与实际的结合。

我国的机械设计教材基本上按照教学大纲编写，有固定框架，所以不同学校编著的教材都反映了同一知识系统的逻辑性、学科体系的基本原理，涉及其他的分支学科较少，理论性强，而实践性弱。并且国内教材的版本更新慢，对计算机设计方面的最新发展涉及少，跟不上科技前沿和世界先进水平。

但这种缺点要想一步改进到位，并不太现实。一是我国大学教育体制问题，国家限定的大纲比较严格，轻易改动能否被接受。二是大规模增加章节，也增大了成本。现阶段还要一步步尝试，稍微增加一些相关软件介绍、计算机应用，辅助学习，可能会取得更好的效果。

（四）课后内容的比较

表4 课后内容的比较

比较结果：国外机械设计教材习题数量多，类型多，内容比较丰富。特别是印度的教材，习题类型丰富：有作图题、问答综述题、选择题，还有填空题。习题的内容贴近工程实际，采用大量生活中常见的零部件，还把习题分为指导行性问题、复习问题、实际练习等。

国内教材习题非常少，仅限于基本的练习，对设计类等锻炼实际工程思维的大作业题基本没有，且习题内容较窄，与工程实际贴合不紧密。

这种差距主要由国情所致，国内习惯性地要为教材分配习题集，对教材本身的习题重视度就大打折扣。可能的改进是完全不要习题部分，减少书本的不必要页数，可能会有更好的效果。

（五）数字资源内容的比较

表5 光盘内容的比较

比较结果：经过近几年MOOC的发展，机械设计教材在数字资源配套方面，国内与美国都相对领先。这不仅体现在内容完整度上，还体现在质量上。

三、机械设计课程教材的未来

党的十九大以来，我国正式进入新的发展时期。制造业升级和全面建设创新型国家，本质就是人才的升级和人才培养的创新。因此，如何培养出符合新时代要求的各类人才就成为今后工程教育要承担的主要责任。工业化的进一步深入发展，对机械工程这个学科提出了更高的要求。智能制造、增材制造、绿色制造、先进设计方法层出不穷。在人才培养上怎么能完成新旧知识的更替，怎么组织整体学科的教学体系，这是一项非常艰巨的任务，不是一门课、两门课能解决的问题，需要通过所有课程的同步调整来实现。

对于机械设计这门机械工程的主干课程和教材来说，可以改革的地方非常多。国内众多学者、专家、教授也正在不断研究、探讨和实践。下面简单介绍几个正在尝试的方向。

（一）课程关联

目前的机械设计课程及教材，相对来说比较独立，与机械原理没有什么联系，在整体的机械专业核心课之中也没有相互的刻意关联。对于日渐复杂的产品设计和工业生产来说，对设计有一个整体的理解和感受，从原理到设计，从需求到产品，从材料到性能，从图纸到生产工艺。能否有一条主线或多条主线将机械工程专业的核心主干课程贯穿为一体，这是一个很有意义的改革方向，具有极大的教学意义。

（二）加入先进设计方法

目前的机械设计课程及教材，还是停留在代数经验公式的讲解上，我们都知道，实际生产和科研的设计工具已经大大超出这些固定的表格、算式、系数。我们会用有限元来分析强度、振动、热场和磁场等，也会利用灵巧设计找寻最优的结构组合，利用优化设计方法平衡各种参数的选取，甚至绿色设计理念、成本分析、设计过程的管理等能力也越来越重要。但在我们的机械设计课程及教材中，这些知识很多只字未提，不得不说这是一种遗憾，也是不足。虽然受课时的限制，但我们应该想办法来教授现代化的机械设计方法，这也是非常迫切的改革需求。

（三）能力培养型课程组织

上面提到，机械设计课程受课时的限制，无法讲授无穷无尽的知识，确实如此。随着我国工程教育进入华盛顿体系，工程教学进入了一个新的阶段，面对无穷无尽的知识，我们是否能抽丝剥茧、去粗取精，将机械工程设计人才应该具备的能力进一步细化，按能力需求来进行人才的教育，而不局限于对一个知识点、一个计算公式、一个机械零件的认知。从设计工具、设计语言、设计思维的能力方面全面重新构建机械设计课程教材和机械工程核心课程教材，是一项相当有难度的课题。但我们和机械工程领域内的专家都在努力，专业认证、CDIO、新工科，众多学者、教授正在努力研究，进行尝试。

（四）mooc教学

近年来我国mooc的发展非常迅速，目前规模比较大的几家国内mooc平台有：爱课程、学堂在线、开课吧、网易云课堂、好大学在线等。利用mooc教学可以更灵活多样地组织我们的教学活动，mooc教学不用严格按照大纲规范系统讲授，可以突破教学时间、课时长度、教学手段的束缚，便于教师发挥主观能力性，大胆尝试，让广大学生来评判。可以说利用好mooc平台教学，对于教学改革、课程设计是一个很好的试验场。mooc平台是机械设计教学改革的很好的平台。

新时代对机械设计提出了新的挑战，传统的机械设计课程及教材应该迎难而上，勇于突破，结合新技术，传播先进的知识，培养出符合时代要求的各类人才。