基于智能制造的机械设计实验教学改革探索

王思琪　熊巍　贺秋冬

［摘 要］文章以湖北工程学院为例，结合机械类专业的学生特点、专业特点以及学校对于应用型人才的培养目标和智能制造的发展前景需求，针对机械类专业学生实验教学效果的反馈，分析了当前机械设计实验教学内容的设置、实验教学目标的完成情况和实验教学存在的急需解决的问题，探索了机械设计实验课程教学大纲、教学内容中验证性实验和创新性实验的改革，同时优化了实验考核方式。

［关键词］机械设计；智能制造；实验教学；改革

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）09-0026-03

智能制造[1]是社会发展的必然趋势，尤其在低端制造业上的人工智能探索将会是革命性的、具备划时代意义的。我国虽说是传统意义上的制造强国，但并不是“智造强国”，一些与制造业相关的核心技术依然是由西方国家掌握。近年来我国在新能源汽车领域的发展上跟上了时代步伐，在新的赛道上处于世界领先水平，但在制造业这条赛道上依然任重道远。从传统意义上的制造技术的研发革新来说，西方国家成熟领先的制造技术已经达到较高水平，要想从传统的制造技术上寻求突破，一方面人力成本投入巨大且无法确定产出，另一方面通过技术创新而获得的实际收益性价比不高，因而意义不大。

随着我国人口红利消退，制造业成本上升，大量低端制造业公司将工厂外迁至印度、泰国等更具人力资源优势的发展中国家，曾经我们引以为傲的制造业面临着巨大的内外部挑战。因此，制造业产业升级、改革、转型是我国当下最迫切需要解决的问题之一，国家近年发布了多项政策支持制造业智能化转型[2]。当前以华为技术有限公司、深圳市大疆创新科技有限公司等为代表的明星企业，正在不遗余力地加大智能制造的研发投入，加速全产业链的“去西方化”。种种迹象表明，我国是具备发展智能制造的基础与条件的，在国家种种强有力的政策的引导下，我们目前亟待解决的问题是加速“人工制造”向“人工智造”的转变[3]。中国智造要想走向世界，必须先从学校抓起。所有的技术革新与创造都离不开人的投入，尤其是具备创新思想的技术人才。

高校的育人思想要着重体现创新，要能摸清世界脉搏、跟上世界节奏，要以培养优秀的创新研发人才为重点工作，融学习、实践、研发于一体，针对学习中遇到的问题在实践中找答案，将实践中获得的思路应用到研发中，拓宽培育思路，使学生的“兴趣”与“学习”互相增益。本文以湖北工程学院（以下简称我校）为例，结合机械类专业特色和智能制造的发展趋势，探讨机械设计实验教学改革。

一、当前机械设计实验教学现状

机械设计实验教学是机械设计课程的重要组成环节，是学生将所学到的关于零件设计的理论知识应用于解决具体工程问题的重要媒介，更是培养学生在动手实践过程中发现问题和解决问题的综合能力的重要途径。而我校当前的机械设计实验教学内容虽然贴合理论教学内容，但还是以传统验证性实验为主，实验内容相对单一，实验效果不理想，实验目标难以很好地达成。

我校机械设计实验内容主要包括机械构件展示柜的参观、滑动轴承实验、带传动实验、滚动轴承实验。其中，参观机械构件展示柜的主要实验内容是了解常用连接件、轴系零部件的类型和结构，机械传动的类型、工作原理、组成结构及失效形式，机械零件的失效形式等。此实验内容既和机械制造技术基础这门课的实验内容部分重合，又不能实现提升学生实际动手操作能力的实验目标。而滑动轴承实验、带传动实验和滚动轴承实验属于验证性实验。其中，滑动轴承实验的主要内容是了解实验台的构造和工作原理，通过实验进一步了解动压润滑油膜的形成机理，同时观察载荷和转速发生改变时油膜压力的变化情况，进而测定和绘制径向滑动轴承径向油膜压力曲线和轴向油膜压力曲线，从而验证动压油膜压力分布情况；带传动实验的主要内容是了解带传动实验台结构及工作原理，通过实验观察带传动中的弹性滑动和打滑现象，绘制带传动滑动曲线和效率曲线图，验证初拉力的改变对带传动能力的影响；滚动轴承实验的主要内容是了解滚动轴承实验台及其工作原理，通过实验观察总径向载荷和轴向载荷发生变化时轴承径向载荷分布的情况以及影响，从而验证e取值的不同对滚动轴承所承受径向载荷的影响。

上述4种实验及其内容的设置既不能很好地反映机械专业的特色，也难以激发学生的创新性思维，与应用型人才培养的目标不相符。另外，机械设计实验考核方式单一，不够客观科学，不利于学生自主思考、自主创新创造能力的培养，最终导致实验教学内容与实验教学目标不相符。

二、机械设计实验教学改革探索

从我校现有机械设计实验教学内容的设置和实验效果反馈的实际情况来看，机械设计实验教学改革势在必行。实验内容的设置既要与理论教学内容紧密结合，又要注重锻炼学生对所学理论基础知识的综合应用能力，同时，还要注重提升学生将所掌握的机械专业基础知识应用于解决实际工程问题的能力。因此，对于机械设计实验教学的改革需要从机械设计实验教学大纲、教学內容、考核方式等方面进行设置。

（一）优化实验教学大纲

实验教学大纲是基于学生已掌握的理论知识，为提升学生解决实际工程问题的能力而设置的。实验教学是为了帮助学生验证所学理论、巩固和加深理解所学知识。学生需了解机械设计实验的方法，掌握实验台工作原理和操作规程、仪器使用方法、测量设计、实验结果分析、实验报告书写等。通过实验技能的训练，培养学生理论联系实际的作风、严谨的科学实验态度和独立分析与解决实际问题的能力。

我校原机械设计实验教学大纲共8个学时，教学内容是基础性和验证性实验，包括参观机械构件展示柜、滑动轴承实验、带传动实验、滚动轴承实验。学生对于基础性实验和验证性实验的自主能动性较差，在做实验时常走马观花、敷衍了事，对理论课上所讲的内容缺乏综合的实践经验，实验效果较差。由于学时有限，针对目前实验教学中存在的问题，在教学内容设置上应以提高学生利用所学综合知识分析问题和解决问题的能力为核心，注重激发学生自主学习积极性和创新创造思维，从而促使学生进一步掌握机械设计相关内容，增强学生理论学习兴趣和主动性。而对于参观机械构件展示柜和滚动轴承实验这些重复性的基础性和验证性实验，应从原实验教学大纲中去除，同时增设创新性实验。

机械设计这门课是专业基础课和专业课的桥梁，起着承前启后的作用，对于机械类学生对机械专业知识实践应用的掌握深度和广度起着决定性作用。在设置实验内容时，既要考虑学生的实验兴趣和自主能动性，又要结合学校培养应用型人才的实际，所以在去除原有部分实验内容的基础上，应增加设置培养学生应用能力的实验，此实验是学生可以自行选择主题的创新性实验。结合“产学研”协同育人培养目标，联系我校实际情况，此创新性实验可以企业实际生产为主题。可利用校企合作平台，与本地相关企业合作进而设置符合学生实际情况的创新性实验课题，同时提高创新性实验在本课程中的分值占比，对学生的考核应更注重对实验过程的考核。

结合原有实验学时和内容以及改革后实验内容的设置，机械设计实验学时需增加8个学时。在原有实验内容的基础上删掉参观机械构件展示柜和滚动轴承试验，只保留带传动实验和滑动轴承实验。基于实验教学培养的目标，带传动实验和滑动轴承实验共占2个学时，而创新性实验占14个学时。创新性实验内容的具体设置需要结合学校实际情况和本地企业实际情况，也可以让学生自行选择主题。

（二）优化实验教学内容

基于目前机械设计实验教学内容的设置以及学生實验效果反馈情况，机械设计实验内容和教学手段急需改革。为充分发挥学生的自主性和创造性，对现有实验内容进行删减，同时增加创新性实验内容，比如开放性作品设计制造，如此既能激发学生的创新性思维，又能让学生对所学理论知识进行综合运用。新增设的创新性实验的内容，要结合理论内容中的常用通用传动零件如直齿圆柱齿轮、普通V带、蜗轮蜗杆等，常用支撑零件如直轴、曲轴、液体动（静）压滑动轴承、滚动轴承等，常用连接件如普通螺栓、销钉、联轴器、离合器等，常用驱动装置如电动机、弹簧等，机械零部件的润滑和密封，结构设计的要求、步骤、方法和准则等。

具体操作如下：对保留的带传动和滑动轴承实验压缩教学学时，教学内容不作调整；新增设的创新性实验可以由教师根据合作企业的具体情况，设置开放性实验主题（以某企业的实际应用为基础），开放性作品主要是由学生采用团队合作的方式完成，学生根据设置的主题进行组队，3人一组，自行组队，根据小组所选的主题来开展实验。首先，进行原理方案设计，设计出原理方案图；其次，进行结构方案设计，给出结构设计草图等；最后，进行总体设计，根据原理方案、技术路线、实验内容等设计并制造出能实现某种功能的机构或机器，同时给出设计说明书，说明其基本功能、基本构成、基本原理，并完成工程图，做出实物图。实物图需能进行相应操作。为了保证所有的学生都能积极主动地参加，每组完成后都要制作PPT，每人都要详细展示自己所设计和完成的那一部分内容，由小组组长对自己团队所做出的实物进行演示。为了激发学生的实验兴趣和动力，教师和学院会邀请校内外专家来指导学生。学生们所完成的作品都会被相关专家点评和打分。所有作品按得分排序，得分最高的前5组的作品获推荐参加省级及以上学科类或全科类竞赛。

（三）优化实验考核方式

实验结果的考核主要是考核学生对所学理论知识的掌握程度和应用其解决实际问题的能力。基于优化后的验证性和创新性实验内容的设置，实验考核方式也进行了相应的修改。优化后的考核方式更注重对学生实验过程的考核，实验过程在所有得分设置项中占比最高。验证性实验占比20%，创新性实验占比80%。其中，验证性实验的考核包括考勤（占比5%）、实验过程（占比10%）、结果分析（占比5%）；创新性实验的考核包括完成的作品工程图、作品实物图以及作品展示成绩，实验过程占比50%，小组自评占比10%，组间互评占比20%。实验过程一项主要是对学生自主创作的考核；小组自评是指本组作品完成后，本组成员对自己完成的作品打分；组间互评是指每组作品都完成后，小组成员针对其他组的设计说明书、工程图纸、实物图和作品展示等给出分数。在所有作品都展示完后，教师会请相关专家对所有作品进行点评并给出分数，前五名可获专家推荐参加省级及以上学科类或全科类竞赛。获专家推荐参加相关学科竞赛并获奖的作品，可让团队成员获得满分的成绩。考核不及格的小组成员不再进行补考，而是下一学年再次考核。

三、结语

灵活性的教学是为了提升学生自主学习、自主思考的积极性。在智能制造背景下，教师更应积极探索教育教学新方法和新手段，将机械设计理论教学和实验教学相结合，增强学生对所掌握的机械设计理论内容进行实践应用的能力，为学生提供更自由的思维发散空间，进一步提升教学质量和教学效果。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 吴国兴，范君艳，樊江玲. 智能制造背景下应用型本科机械类专业人才培养[J]. 教育与职业， 2017（16）：89-92.

[2] 周济.智能制造：“中国制造2025”的主攻方向[J]. 中国机械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[3] 宋若冰，武立波，张文孝. 以创新为导向的机械基础课程实践教学研究[J].实验室科学，2015，18（1）：106-107.

［责任编辑：周侯辰］