专创融合的“机械学综合课程设计”教学改革与实践*

2023-02-16 09:09徐勤超潘海兵王凤武
南方农机 2023年5期
关键词:课程设计融合课程

徐勤超 ,潘海兵 ,谢 坤 ,王凤武

(华中农业大学,湖北 武汉 430070)

0 引言

专业教育是以专业知识教学为主,以培养各类专业人才的教育;创新创业教育是为了培养学生的开创性与个性,包括首创精神、冒险精神、创业能力、独立工作能力以及技术、社交和管理技能等[1-5]。专业教育是创新教育的基础,创新教育对专业教育的教学目标和内容具有指导作用,专业教育和创新教育的有机融合是高等教育的新使命[6-8]。

目前,在高校机械类课程体系设置中,创新创业教育与专业教育存在着明显的分离关系,不能有效提高学生的创新创业能力,也无法适应未来社会持续发展与变化的需要。因此,高校需要改革机械类课程教育体系,搭建综合实践平台,启发学生创新思维,增强学生创业意识,提高学生创新创业能力。

机械学综合课程训练是综合设计型的实训,是机械类专业的重要实践教学环节。其要求学生掌握机械系统运动方案的设计及机械零件的结构设计方法和步骤,培养学生计算与绘图设计能力以及综合知识的应用能力[9-10]。在专创融合的背景下,课题组从教学内容、教学方法、考核评价、创业孵化等方面进行了“机械学综合课程设计”教学与创新创业教育深度融合的探索与改革,以培养学生的创新创业意识和能力、激发学生的学习兴趣、提高课程教学效果与质量。

1 课程设计教学现状及改革思路

1.1 “机械学综合课程设计”教学现状

“机械学综合课程设计”是机械类专业实践教学体系的重要组成部分。在学习“机械制图”“机械原理”“机械设计”“互换性与测量技术”等先期课程的基础上,该课程一般安排在第三学年末进行,设计时间固定为3~4周。课程设计主要包括机器设计调研、机械传动方案设计、减速器方案设计、减速器主要零件的结构设计、减速器零件图和装配图的绘制等教学内容。从总体上看,当前的课程设计存在着设计任务单一、设计过程完全规范化甚至模板化、设计学时紧张、设计方法沿用传统课程设计的手工计算和尺笔绘图等问题,导致学生自主学习能力和创新能力得不到培养,利用现代工具解决复杂工程问题的实践能力弱。

1.2 创新创业教育与课程设计融合的改革思路

创新创业教育与课程设计融合的“机械学综合课程设计”改革思路如图1所示。

图1 专创融合的“机械学综合课程设计”改革思路

1.2.1 创新意识与机械设计过程的融合

通过创新创业教育与机械学综合课程训练的融合,在机械设计过程中,培养学生的创新意识、思维、素质和能力,使学生成为懂机械创新设计表达方法、会结构创新、懂功能原理创新设计的创客,为将来的创业、就业打好基础。

1.2.2 机械设计成果与创业能力的融合

通过创新创业教育与机械学综合课程训练的融合,探索多层次、多渠道、多模式的校企合作、产教融合的培养模式,推动学生创新成果以行业竞赛、创业项目、成果转化等形式落地,培养学生综合运用专业知识和创业的能力。

2 课程设计改革具体实施

创新创业教育与课程设计融合的“机械学综合课程设计”教学实践如图2所示。

图2 专创融合的“机械学综合课程设计”教学实践

2.1 课程设计的时间安排

为了充分保证学生的设计时间,提高设计质量,采取先分散再集中的模式,将课程设计贯穿到理论教学的全过程,延长课程设计时间到一学期。在学期开始之初,安排3~4次导论课,主要内容包括:机器设计的一般流程和方法、机器设计需要具备的专业知识及设计工具软件、课程设计的时间节点及具体要求、机械创新理论及相关知识、创业教育相关案例等。之后,学生带着任务和问题去学习相关课程,同时展开设计工作,保证学生有充裕的时间进行创新思考。此外,建议“机械学综合课程设计”的指导教师由“机械设计”课程的授课教师担任,加强指导教师对学生的指导,及时解决设计过程中出现的问题。

2.2 课程设计的选题

改革课程设计教学内容,设计题目应源于工程实际,以面向工程设计和产品开发全周期、全流程设计方案为核心,以实践能力和创新能力为导向,突出创新思维。机械类学科竞赛主题来源于生活实际可以很好地契合实践能力和创新能力的培养目标,而课程设计中优秀的设计方案经过后续加工完善,可以直接拓展为比赛作品或创业作品,为创业素质培养打下良好基础。此外,还可以引导学生进行自主创新或创业选题,进一步丰富选题类型及设计任务。

2.3 课程设计的组织实施

课程设计选题虽然来源于机械创新设计大赛等实际生活的选题,但是课程的核心目标是训练学生对机械类专业知识的综合应用能力。因此,为了解决科研创新实际与课程训练结合的问题,在课程组织时,应要求设计目标的解决方案中同时包含原动机、传动装置和执行系统三个基本部分,并突出设计方案的新颖性和实用性,以更好地融合创新创业。

2.3.1 总体方案设计

课程设计导论课结束后,开始系统总体方案的拟定,整个阶段一直持续到集中设计之前。方案设计阶段,学生分组协作,4~5人为一组,开展设计工作。课程设计从选题功能出发,根据系统工作要求或执行构件的运动和动力要求,考虑原动机、传动装置和执行系统间的连接关系与空间位置、运动参数和动力参数间的协调以及执行机构系统中多个机构间的协调配合来设计整机系统方案。小组要提出至少3种方案,然后组织方案研讨会,分析比较各方案的优劣,进行方案的评价与决策,择优确定最终方案,并画出系统总体方案简图,方案可以是手绘的装配草图,也可以是三维虚拟样机。指导教师根据学生提出的具体实现方案,与学生进行讨论,就方案与课程能力考核的关联性、方案的创新性等方面进行评价,给出明确的指导意见,学生的设计方案最终要通过指导教师的认可才能开展下一步设计工作。

2.3.2 机械零件设计

机械零件设计安排在集中课程设计阶段,并一直持续到课程设计结束。整个阶段,学生按照分组分工协作开展具体设计工作,并绘制装配图及零件图,撰写设计说明书,完成设计答辩等工作。

1)机构运动设计。机械零件设计需要对所选定的机构进行尺度综合分析,主要分析方法包括图解法、解析法、现代商用软件分析法等,学生可以根据自身的学习情况,自主决定采用哪一种分析方法。为了培养学生使用现代设计软件的能力,建议学生采用解析法,通过编程对机构进行运动分析或者利用商用分析软件(如ADAMS、SolidWorks等)建立机构的运动分析模型,再进行机构的运动学动力分析。然后,根据计算结果得出执行机构的位移图、速度图和加速度线图,并进行特征分析,检验该机械零件是否符合工作要求。

2)主要零部件设计。依据传动系统方案与机构运动设计结果,对主要传动零部件进行设计,如齿轮、蜗杆传动、带传动、链传动的设计,轴的设计与校核,键连接和联轴器的选择与校核,机架及附件的设计等。学生可以根据自身学习情况,自主采用传统的理论计算方法或者采用有限元方法(如ANSYS等)进行强度的校核分析工作。根据计算结果,完成零部件的设计工作,并按要求进行3D建模、虚拟装配。

3)撰写设计说明书,绘制装配图及零件图。设计完成后,学生需要整理、撰写设计说明书,绘制装配图及零件图,然后进行小组答辩。最终提交的材料包括三维虚拟样机、工程图纸(总装图、部装图、零件图,建议采用CAD绘制)、设计说明书(字数8 000~10 000)。答辩过程中,指导教师对设计的创新性、工作完成情况、训练情况进行评价,并通过评选,发掘优秀的课程设计作品,鼓励学生在课外进一步开展后续工作,完善设计,制作样机,参加竞赛或进行创业等。

2.4 课程设计的成绩评定

考核评价采用过程评价和期末评价相结合的考核评价方法。过程评价应该贯穿于课程设计开展的全过程,综合考查小组在设计过程中方案调研、文献查找、小组讨论、团队协作的完成情况。期末评价更加侧重从学生对基本知识的掌握程度、设计工作量的大小及完成情况、设计创新情况、答辩效果等方面进行评价。在设计过程中,每个小组成员对设计工作的贡献不一样。因此,每个学生的最后成绩应由团队成绩与个人成绩两部分组成,个人成绩主要依据在答辩环节中的个人工作汇报及问题回答情况进行评价。课程设计的学生成绩评价标准,如表1所示。

表1 课程设计的学生评价标准

2.5 机械加工成型及成果转化

机械设计的最终目的是通过制造将设计思想变成机械实体装置。在设计完成后,对于优秀的设计作品,鼓励学生绘制符合制造工艺规范的图纸,编制加工工艺,通过激光切割、数控加工、3D打印以及纯手工加工等方式加工出非标零件,并进行整体组装,通过调试检验其是否满足设计要求,及时发现设计中存在的问题并加以研究解决。样机制作后,通过撰写专利对创新方案进行保护,并参加更高层次的创新比赛,在比赛过程中不断总结、完善。在条件成熟的情况下,鼓励学生申请创业资助,推动科技创新技术在实际生活中的应用。

3 课程设计改革效果

实践效果表明,学生整体参与率较高,由于设计题目切合工程实际,解决实际工程问题,学生做设计的积极性和兴趣大大提高,普遍反映收获较大。总体方案设计阶段,学生积极查阅资料,构思具体方案,不仅在组内讨论,组与组之间也经常进行交流学习,并积极与指导教师展开细致讨论,学生之间、师生之间互动明显。部分学生主动自学相关计算机辅助设计与分析软件,利用现代工具解决工程设计中的实际问题。在具体零件设计阶段,学生能够将设计内容较顺利地转换为3D虚拟模型,并在建模过程中对设计的细节进行修改和调整,协作完成设计全过程,并组织汇报答辩。设计完成后,学生对设计过程由最初的陌生到熟悉,并在后期继续完成加工制作、申报专利、参与机械类创新创业大赛的积极性显著提高。传统课程设计与专创融合的课程设计对比,如表2所示。

表2 传统课程设计与专创融合的课程设计对比

4 结论

1)专创融合的“机械学综合课程设计”教学改革,突出了创新思维、创业教育与“机械学综合课程设计”专业课程的融合,在课程设计中解决实际工程问题,培养了学生创新意识、思维、素质和能力,推动了学生创新成果以行业竞赛、创业项目、成果转化等形式落地,提高了学生综合运用专业知识和创业的能力。

2)专创融合的“机械学综合课程设计”从教学内容、教学方法、考核评价、创业孵化等方面进行了专业教育与创新创业教育深度融合的探索与改革,探索了培养学生创新创业意识和能力、提高学生学习兴趣和课程教学效果与质量的新途径。

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