融入现代化设计技术的机械设计课程设计教学改革

俞成涛 邱睿 王秀英 丁凯

摘  要：针对目前机械设计课程设计的课程中学生设计过程固定化和陈旧化，结合新工科建设以及现代工程快速发展的新需求，提出将现代化设计技术融入课程设计中。文中给出了具体的教学改革措施和现代化设计技术融入方案，并建立了新的课程考核及成绩评定方式。该教学方法可激发学生学习机械的兴趣，提高其对现代化设计技术的应用，培养其现代化设计思想。并且对今后的课程设计实践课程的教学也具有一定的指导意义。

关键词：机械设计  课程设计  现代化设计技术  教学改革

中图分类号：G642;TH122-4 文献标识码：A 文章编号：

Teaching Reform of Course Exercise of Mechanical Design Incorporating Modern Design Technology

YU Chengtao  QIU Rui*  WANG Xiuying  DING Kai

（School of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou， Jiangsu Province， 213001 China）

Abstract： In view of the immobilization and obsolescence of students design process in the course of course exercise of mechanical design， combined with the new demand of the construction of new engineering and the rapid development of modern engineering， the modern design technology is proposed to integrate into the course design. This paper gives concrete education reform measures and the integration scheme of modern design technology， and  establishes the new methods for course examination and achievement evaluation. This teaching method can stimulates studentsinterest in learning machinery， improves their application to modern design technology， cultivates their modern design ideas， and also has certain guiding significance to the teaching of practical curriculum of the course exercise in the future.

Key Words： Mechanical design; Course exercise; Modern design technology; Teaching reform

随着“中国制造2025”“人工智能2.0”“互联网+”与传统制造业全面融合，需要更多和更新型工科设计和制造人才的支撑，迫切需要创新工程教育理念，发展新工科教育[1]。另外，在工程专业认证的推动下，基于OBE教育理论，对工程专业教育的人才培养模式的变革，对传统工科专业的升级改造，实施个性化复合型人才的培养都迫在眉睫[2]。作为机械类及相关专业的重要的一门专业技术基础课程，《机械设计课程设计》具有很强的工程实践性和综合性。也是对工程制图、材料力学、机械精度设计与检测、机械设计基础、工程材料与成形技术等课程知识的综合应用。因而，《机械设计课程设计》可以作为机械类专业新工科建设的一个重要突破口，通过传统实践课程和现代先进技术跨界融合式发展，实质性推进知识与能力并重的复合型创新人才培养进程[3-4]。现代化设计技术是对二维技术的突破和发展，在三维建模的基础上，还具有运动学和力学等分析功能，也是数字化设计、制造和管理的基础，是现代产品创新的基本工具，更是影响我国制造业创新发展的关键共性技术[5]。而当前还普遍存在的人才培养与人才需求的错位问题以及由此引发的严峻的就业形势等问题，在这种背景下探索笔者学校学生以现代化设计技术为依托的新型教学策略以適应新形势的需要，就显得尤为迫切。

1  机械设计课程设计现状

目前，大部分高校均采用“带式运输机”作为课程设计的题目。带式运输机主要结构包含电动机、带传动、齿轮减速器以及联轴器等部分，基本涵盖了《机械设计基础》课程的大部分内容，具有一定的综合性、合理性和适用性，这也是众多学校的《机械设计课程设计》一直采用了该题目的原因之一。课程设计实践过程包含撰写计算说明书，绘制减速器二维装配图、轴和齿轮的二维零件图。但随着时代的发展以及学生培养质量要求的逐步提高，此教学模式已难以维持新时代人才培养的目标[6]，主要表现在以下4个方面。

1.1  模式固定、千篇一律

由于课程设计题目长期使用，与之配套的手册、教材或课程设计指导教材等相关资料比较多，设计步骤固定，学生不需要太多思考，只需按照设计资料上的要求，按部就班，就能够完成课程设计的任务。甚至将往届学生的课程设计说明书作为模版，只修改其中的一些数据，就可以较好地完成课程设计任务。

1.2  时间紧，走流程

根据课程特点，课程设计基本上设置在理论课结束之后，更多的是在下一学期期初进行，经过一个假期之后，学生基本上对所学的理论知识多数已经生疏，因为课程设计时间紧迫只有2个星期，前期计算的时间只有两三天，时间紧迫、知识遗忘，再加上现成的参考资料，导致了课程设计更多地成为学生照葫芦画瓢，套公式、换参数、走流程的2周。

1.3  教学方法固定

目前，课程设计进度安排一般为设计计算草稿和手工绘制装配图草图（6天），绘制正式装配图和零件图（4天），整理设计计算说明书（1天），答辩（1天）。并且在理论课授课过程中并没有穿插课程设计的内容，导致理论课与实践课脱节。在2周的时间内，学生需要将理论课的内容串联起来完成设计计算，还要手工绘图，对于学生而言疲于完成任务，而缺少时间深入思考和探讨，故而综合实践的预期效果也大打折扣。

1.4  技术手段陈旧

课程设计中采用二维手绘图纸的本意是通过此举让学生理解工程制图在机械领域的重要性，以及制图的严谨性，同时也是《工程制图》课程的一次实战练习。然而，由于时间紧等因素影响，学生更多的是参照样图，照搬照抄。好的同学了解每个零部件的位置、功能和作用，能够按照设计的参数绘制；也有很多同学，仅仅是画得“像”，而并没有按照设计的参数进行，甚至于不清楚每个零部件的名称和作用。整个过程中学生缺乏思考和主动探索，更重要的是此过程中并没有强化培养学生利用现代化工具解决复杂工程问题的能力，难以满足数字化、信息化和智能化技术时代机械制造企业对复合型创新人才的需求。另外，手工绘制二维图纸还带来了一定的缺点就是：（1） 图纸是二维的形式呈现，缺乏与三维实体之间的关联，对于没有实践经验和力学基础薄弱的学生来说，极易感觉枯燥乏味，导致学生机械地模仿甚至盲目地抄袭；（2） 在设计计算过程容易缺乏全面考虑，导致绘制工程图错误较多很难查出或者发现错误又难以修改、甚至懒得修改；（3） 由于图纸手工绘制，不能进行参数化设计，导致学生无法通过改变参数直观地观察对设计结果的影响。另外，老师也不容易检验学生设计的正确性、合理性或可靠性等。

可见，以往这种模式已经无法体现以学生为中心的设计思想和设计理念，严重制约了学生的创造性思维和创新能力培养，并且已明显落后于企业产品设计对工科学生专业素质的要求。

2  现代化设计技术融入举措

2.1  将课程设计的设计计算内容融入理论课程

现在的《机械设计基础》理论授课过程中，理论性较强，但与实际应用脱节。为践行“工程专业认证”的教育理念，實行“N”+1的过程考核形式，往往要求学生以小组形式提交创新设计大作业。但是，学生在此期间内将所学的内容串联起来完成理解并应用就已经具有一定的难度，更何况要进行创新性设计，所以往往学生交上来的大作业质量参差不齐，难有实质性的较好的成果。而以减速器为模型，将其融入进理论课中，首先可以帮助其明确学习目标；其次，学习过程中穿插着应用，可以加深学生对理论知识的理解，要比传统的理论学习完成后再进行课程设计效果好；另外，应用理论知识解决实际问题，能够提升学生的学习兴趣。因此，可以在理论课初始阶段就引入“带式运输机”的案例，并以此贯穿整个授课过程。具体为：在绪论课中介绍“机械”“机器”“机构”等概念时即可以“带式运输机”为例，其中包含带传动、齿轮传动等常用机构，轴、轴承等通用零部件；从带传动开始结合“带式运输机”中的V带设计作为学生的实际演练对象，以及齿轮传动、轴的设计等。每章节的授课结束后要求学生按照各自的参数进行计算，并随机请几位同学进行分享教学，讲解自己的设计计算过程，作为课后作业的一部分。等理论课结束时，每位同学的课程设计计算部分也已经完成。

2.2 现代化设计技术与课程设计的有效结合

课程设计中，减速器主要由箱体、箱盖、齿轮、轴以及轴承等零部件组成，根据三维软件的功能特点，将减速器进行了如图1所示的拆分。每个零部件以三维实体的形式呈现，能够促进学生去认识和理解每个零部件的形态和功能；再通过装配，模拟真实减速器的装配过程，从而理解各零部件装配顺序和配合关系等；并通过装配体干涉以检查各零部件设计是否正确；还可以进行运动仿真和结构强度仿真。经过此环节后，学生除了对现代化设计技术手段的应用得到进一步加强，还对整个机械产品设计过程有了更为直观的认识和深入的理解。

常用的现代化设计软件，如美国PTC公司的PRO／E、美国UGS公司的UG、法国Dassault公司的高端CATIA和中端SolidWorks以及Autodesk公司的Inventor等均具有很多模块，功能非常强大，基本上都可以实现如图2所示的几种基本的功能[7-8]。将这些功能与该课程进行结合后，能够激发学生学习兴趣并且提升自身技术能力。

2.3 分组设置，合理分配参数，引入研究性理念

传统课程设计中，一般给定3个原始参数：运输带工作拉力F，运输带工作速度v和卷筒直径D，并且为了学生之间的设计具有一定的差异性，随机组合3个参数分配给每位学生。此法虽然达到了每位学生的计算参数各不相同的目的，但是学生之间的结果毫无对比性，缺乏研究和探讨的基础。为此，在理论计算过程中，班级学生以4～6人分为一组，将原始参数中的1个参数作为变量，而其余参数相同分配给同一组学生。不同组之间变换不同参数变量再进行分配。此举的目的是既能保证每位同学的参数的差异性，同组之间同学还可以对比研究此变量参数对最终的设计结果产生的影响，甚至不同组学生之间也具有一定的对比性，从而培养学生的研究能力。另外，为了更多地观察不同参数对结果的影响，还可以增加参数作为初始变量，比如减速器中小齿轮的齿数、齿轮的中心距等。

2.4 建立新的课程考核及成绩评定形式

目前，《机械设计课程设计》课程的最终的成果包括设计计算说明书1份、装配图草图和正式图各1张、齿轮和轴零件图各1张。其中，说明书和所有图纸均采用手工写作和绘制。如表1所示，结合现代化设计软件后，手工绘图可改进为三维零件和装配体绘制，并生成二维工程图纸。由于已经将课程设计的理论计算部分在理论课阶段完成，所以在课程设计进行阶段只需要首先将计算说明书整理完成即可；然后根据各自的计算结果，进行三维零件的绘制，在零件绘制的过程中，可以进一步完善计算部分的内容；所有零件绘制完成后，再进行三维模型装配，并生成和完善总装配和齿轮、轴的二维工程图；此外，对模型进行爆炸视图，生成拆装动画，并模拟齿轮传动过程；应用力学分析模块，对减速器中的齿轮或轴进行强度分析，并与理论计算的结果进行对比分析；最后，每个小组将各自的设计结果做对比，并根据分配的原始参数特点，进行分析研究该参数变化对设计过程中哪些结果产生了影响，并且将结果和原始参数的变化趋势进行归纳总结，形成小组报告进行提交。具体的项目进度安排和成绩评定方式如表1所示。

3 如何能够切实达到预定目标和效果

由于将课程设计理论计算部分结合到理论课授课环节中，所以最好由同一个老师讲授理论课和课程设计课程，并最好安排在同一个学期，方便老师制订统一的授课计划，全程掌控学生的学习进度。首先，提前要求學生熟练操作三维设计软件。其次，制订好教学方案，将《机械设计基础》课程各章节内容与课程设计对应设计任务有机结合。另外，以学生为中心，分组设置，小组成员之间能够相互促进；并且三维模型生动形象，能够调动学生的积极性、主动性，激发其学习兴趣。最后，做好过程监控，完善考评标准。

4 结论

该文针对传统机械设计课程设计实践课程教学的不足之处，提出了将现代化设计技术融入实践课程创新教学方法，并完善了教学体系。

（1） 结合现代化工业应用软件，以达到促进学生实践能力培养、提升人才培养质量的目的，进一步落实培养学生分析和解决复杂工程问题的能力；提高学生工程软件应用能力，增加就业筹码；提高学生的宏观思维和创新能力，以适应当前机械制造企业对数字化、信息化高端人才的需求，从而培养符合企业需求的具有应用和创新能力的复合型人才。

（2） 理论与实践更好地结合，使学生切实感受到学有所用、学为何用、学如何用，从而调动学习的积极性和主动性，激发学习的热情，培养和提高学生的自主学习能力，掌握现代化创新设计工具并深入理解机械设备整体设计的思维，从而真正地为我国制造业创新发展的关键共性技术提供创新型应用人才。

（3） 通过建立以计算机设计、绘图为主线的新教学模式，使学生的设计、绘图观念发生改变，实现真正意义上的设计思想现代化，培养具有创新能力和个性发展的应用型本科人才。

参考文献

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