机械设计类课程实践教学体系的构建与实践

马晨波 涂桥安 张玉言 尤晶晶 李娟

摘  要：为克服目前机械设计类课程实践教学环节中存在的实训时间短、与工程实践联系不紧密、缺乏创新能力培养等问题，通过树立创新型和应用型二类型人才分类指导理念，贯通机械原理课程设计、机械设计课程设计和毕业设计三个实践环节，结合企业产品开发、教师科研课题、大学生科研创新训练计划和机械创新设计大赛四种途径，构建新的机械设计类课程实践教学体系，并取得一定的成效，这为培养基础扎实、知识面宽、能力强、素质高的创新型和应用型机械类人才提供一种新的思路。

关键词：实践教学体系;课程设计;毕业设计;人才培养

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）03-0107-04

Abstract： To overcome the existing problems in practice teaching link for Mechanical Design courses such as short training time， loose contact with engineering practice and lack of cultivation of innovation ability， a new practice teaching system is proposed. Specifically， we establish the sense of classified guidance to cultivate two type talents， namely， innovative and applied talents. The three practice links， i.e.， the course design of mechanical principle， the course design of mechanical design and the graduate design are linked up. Moreover， the four ways that combined with enterprise product development， combined with teachers' scientific topic， combined with college students' scientific research innovation training program and combined with national student competition of innovative mechanical design are put forward in the practice system. The good achievement obtained by adopting the practice teaching system shows that it is a new approach for the cultivation of innovative and applied mechanical talents with solid foundation， wide knowledge， strong ability and high quality.

Keywords： practice teaching system; course design; graduate design; personal training

培养大学生工程实践创新能力强化实践育人环节已成为目前高等教育教学改革的重要内容之一[1-2]。对于工科院校的机械类专业，除金工实习外，参与的机械设计类课程教学实践包括机械原理课程设计、机械设计课程设计和毕业设计三个环节。多年来机械原理课程设计以连杆机构设计为主，机械设计课程设计主要做减速器设计，毕业设计的选题以虚拟仿真设计类题目居多。这些传统的实践教学模式真正与生产实际结合的课题很少，而且内容和形式陈旧，更谈不上创新设计能力的培养，严重阻碍了创新型和应用型人才的培养质量，难以满足企业对人才的需求。

为此，很多高校在加强机械设计类课程实践教学管理，提高实践教学质量方面开展了大量的探索与实践，并取得了一定的成效。主要体现在如下方面：（1）拓展实践教学的选题范围：在原有传统选题的基础上，通过结合机械创新设计大赛[3-4]、产学研合作项目[5-7]、教师科研课题[8]等方面对选题进行扩展，应用在各实践环节。（2）优化实践教学的环节：如将课程设计贯穿到理论教学的全过程[9];将机械原理课程设计和机械设计课程设计相结合编排课程设计内容[10];让学生提前介入毕业设计、以团队形式开展毕业设计[11-12]等。（3）加强实践教学的管理：通过健全管理工作机构、强化过程管理，构建全过程质量监控体系、改进实践教学评价体系等方法来实现[13-15]。

为进一步提升机械设计类课程实践教学的质量，在以往研究的基础上，作者探索构建并进而实践“二类型、三环节、四结合”的机械设计类课程实践教学体系，期望为培养基础扎实、知识面宽、能力强、素质高的创新型和应用型机械类人才提供一种新的思路。

一、“二类型、三环节、四结合”機械设计类课程实践教学体系的构建内容

针对机械设计类课程实践环节中存在实训时间短、与工程实践联系不紧密、缺乏创新能力培养等问题的现状，探索创新型和应用型二类型人才分类指导理念，研究衔接机械原理课程设计、机械设计课程设计和毕业设计三个实践环节的设计任务、指导模式及成绩评定办法，并围绕三个实践环节探讨与企业产品开发结合、与教师科研课题结合、与大学生科研创新训练计划结合、与机械创新设计大赛结合等四结合的实现途径，进而构建“二类型、三环节、四结合”机械设计类课程实践教学体系（如图1所示），从以下三个方面具体开展：

（一）“二类型”分类指导实践教学模式的探索

根据学生的基础和兴趣，针对我国当前机械类本科专业人才培养的目标，将其分为创新型人才和应用型人才两类。在培养模式，尤其是实践教学模式上，本项目将探索机械设计类课程实践教学的分类指导模式。对于应用型人才的培养，结合其强调学以致用的本质，在指导时着重培养其将机械理论知识应用于实际的能力，选题面向已有或者相对较成熟的机械产品，培养其在运动分析、结构设计、计算机绘图和动手操作等方面能力;对于创新型人才的培养，结合其强调学而创新的本质，选题面向需要新开发的机械产品，平时加强创新意识的引导和树立，培养其在拟定总体设计方案、新机构和新结构的创新、现代设计理论和方法运用等方面的能力。

（二）“三环节”一体化课内实践教学架构的搭建

将机械原理课程设计、机械设计课程设计与毕业设计三个实践环节构成一个整体，完成一个机械产品的设计开发：在机械原理课程设计中完成详细的传动方案和机构设计;在后续的机械设计课程设计中，完成结构设计和强度计算;在完成课程设计后和毕业设计开始前的这段时间里，学生还可对方案不断进行完善、优化设计，充分利用实践环节之间的时间;最后在毕业设计中利用CAD设计软件进行三维实体总装图设计、运动仿真实验和主要零件的有限元分析等工作，并完成工程图设计。

面向创新型和应用型“二类型”的人才分类培养模式，制定并细化机械原理课程设计、机械设计课程设计和毕业设计三个环节的设计任务、指导方式和成绩评定办法;并通过完善保障措施，建立有效的监控机制，切实提高课内实践教学的质量。

（三）“四结合”课外实践教学模式的建设

研究“三环节”一体化课内实践教学如何与企业产品开发、教师科研课题、大学生创新训练计划以及机械创新设计大赛等四个课外实践教学活动相结合，使学生接受完整的创新和应用训练，循序渐进地培养其创新能力和应用能力。

1. 与企业产品开发相结合。加强与企业合作，带领和指导学生提前进入“真枪实弹”的工程项目实践活动，强化工程应用能力的培养，使人才培养与企业的人才需求形成良性互动。

2. 与教师科研课题相结合。鼓励学生参加科研实践，有意识地加强系统科研能力的培养，为其顺利完成毕业论文或毕业设计打下基础，且为今后走上社会提高适应性及在新的工作岗位从事新产品的研制、新技术的开发奠定厚基。在实施过程中，定期举办“学生科研成果展”，激励学生的创造精神，使学生认识到自己的价值，增强对未来事业的自信心和责任感，从而进一步激发他们的科学攻关意识和创造精神。

3. 与大学生创新训练计划相结合。大学生创新训练计划的突出特点是跨专业或跨专业方向小组形式的学生自主选题并自主完成项目，其选题本身和完成过程都是创造性的思维过程。

4. 与机械创新设计大赛相结合。机械创新设计大赛是实现机械产品研究设计与生产的结合，在实施过程中鼓励学生尝试各种创新途径，如在机械传动系统创新设计中，进行传动原理、传动方案、传动机械的基本形式、传动性能、关键技术和零部件等的创新，培养其综合设计能力和创新能力。

“四结合”课外实践教學模式的建设，为“三环节”一体化课内实践教学架构提供多种渠道的选题来源，为实现“二类型”人才的高质量培养夯实基础。

该机械设计类课程实践教学体系贯穿学生入校的后两个学年，可形成设计过程的长效性和全方位的实践环节，使学生在这种长期培养、体验和积累的实践环节中逐步具备创新与应用能力。

二、实践教学体系的构建方法

综合运用实验研究、文献研究、个体访谈等多种研究方法，坚持理论指导与实践探索相结合构建和完善“二类型、三环节、四结合”的机械设计类课程实践教学体系。

1. 实验研究。实验研究是本体系构建的主要方法，即通过调研、实践、理论指导，构建实践教学体系。

2. 文献研究。查阅相关资料，参考或直接应用有关研究成果进行综合分析，寻求实践的创新。

3. 实地调研。通过对企业调查，了解地方经济发展对创新型人才和应用型人才需求的状况，促进实践教学与企业人才需求的有机结合，不断完善实践环节的指导方式。

4. 个体访谈。研究教师及学生个人的行为，制定相应的实践课程管理办法。

5. 专家咨询。充分发挥课题研究专家的学术指导和引领作用。

三、实践案例

（一）实践课题来源案例

以所指导的实践课题为例，见表1的课题来源、课题名称。

（二）实践课题实施过程案例

以课题“数控破竹机设计研究”为例，说明“机械原理课程设计”“机械设计课程设计”和“毕业设计”三环节各自的设计内容。设计好的数控破竹机如图2所示。

将数控破竹机分解为7大部件，其设计要求如下：

（1）传动机构部件：根据生产要求，确定竹筒推板驱动链的线速度和推力，然后选择电机的转速和功率，设计出传动机构;（2）竹筒上料机构部件：当推板部件退回至机架尾部时，由竹筒上料机构将竹筒输送至竹筒支撑机构中;（3）竹筒V形支撑机构部件：破竹前，竹筒由V形支撑机构支承，不论竹筒直径大小，其中心始终位于通过破竹刀的中心垂线上;破竹时，V形支撑需要让开推板前行通道;（4）竹筒对心机构：当推板将竹筒推向破竹刀前，竹筒套上对心机构后，竹筒与破竹刀同心，剖开的竹片等宽;（5）刀盘支承部件：在上料过程中，竹筒直径测量装置测出竹筒小头直径后，刀盘需转动，将与竹筒直径对应的破竹刀转至工作位置，然后整个刀盘轴系移动，使刀盘背面靠紧刀盘挡件;（6）竹筒推板部件：在驱动链的带动下，推板部件将竹筒推向破竹刀，破竹结束后，推板部件退回机架尾部停下;（7）机架部件：设计时，保证足够的强度和刚度。

根据所构建实践教学体系的内容，设定的三个实践教学环节的题目如下。

机械原理课程设计题目：竹筒V形支撑机构或竹筒对心机构。

机械设计课程设计题目：传动机构部件或刀盘支承部件。

毕业设计题目：数控破竹机整机设计（包括竹筒上料机构部件、竹筒推板部件、机架部件及所有附件）。

四、所构建实践教学体系的特色及实践效果

（一）实践教学体系的主要特色

1. 实现了课内实践教学环节的设计以及与课外实践活动的结合，渗透了“以学生为中心，强化技术技能意识，培养新型人才”的当代实践教学理念。

2. 将企业需求、教师的科研、大学生科研创新训练计划、机械创新设计大赛和面向工程与课内实践教学（机械原理课程设计、机械设计课程设计、毕业设计）有机结合，对每个班级的学生分类型培养，有利于培养企业亟需的创新型人才和所需的应用型人才。

3. 突出分类指导，将三个环节有机结合，涵盖机械产品开发的全过程，且以创新能力培养为主线，注重强化实践教学，综合运用多种实践教学组织形式，能够有效提高实践教学的质量。

（二）实践教学体系的实践效果

所构建的实践教学体系在2016、2017届机械类专业本科生进行了实践实施，从学生对体系的客观调查反映、参与课题情况、所获成果情况、就业情况和就业单位的反馈结果来看，所构建的实践教学体系切实提高了实践教学质量，主要体现在：

1. 超过50%的机械类专业学生（约180名）根据自身定位，通过各种途径积极开展各类科技创新活动。其中参与大学生创新训练计划项目、大学生机械创新设计大赛和机器人大赛的学生人数与往年相比增长了30%，参与教师科研课题与企业产品开发应用的人数也大幅增多。2017年获江苏省大学生机械创新设计大赛、机器人大赛奖4～6项;根据自身的特点选择不同的课题类型，提高了参与课题的积极性。

2. 在2017届毕业班中，其中30人的毕业设计作为其课程设计的延续试点所构建的实践教学体系，从毕业论文质量来看，其毕业设计/论文的成绩均在良好以上，8人达到了优秀的水平，其中获江苏省本专科优秀毕业论文1篇，发表核心期刊以上高水平学术论文5篇，学生作为第一发明人授权实用新型专利6项。

另外，由于学生参与科技活动时间的保证和积极性的提高，使得教师可以放心将课题交给学生，也会在学术论文、发明专利等方面取得一定的成果，提高了教师指导的积极性。

五、结束语

工程性缺失和实践教学薄弱是当前机械类专业教育存在的主要问题。近年来，我国工科院校在教育部“大力加强实践教学，切实提高大学生的实践能力”思想的指导下，在实践教学方案制定和体系完善等方面取得了一定的进展，但仍存在实训时间短、与工程实践联系不紧密、缺乏创新思维、创新能力的培养等问题;同时，随着当代社会科学技术的快速发展和传统机械行业向智能制造的转型，人才市场对高校机械类专业学生的创新能力和应用能力提出了更高的要求。因此，为了适应当代社会对机械类人才培养的需求，深入开展“二类型、三环节、四结合”机械设计类课程实践教学体系的改革与实践，这对于提高学生综合应用和解决实践问题的能力，培养行业和社会发展所需的高素质、具有创新精神的高级机械类专业人才具有重要的理论和实践意义。

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