以能力培养为导向的机械设计基础课程教学改革与实践

姜波　苗建伟　张翠翠　别磊　都行

摘 要：为适应当前传统制造业转型升级对应用型人才机械设计综合能力不断提高的需求，对机械设计基础课程开展教学改革，革新教学理念，将OBE成果导向理念和CDIO工程教育模式融入课程教学，优化教学内容，引入ADAMS、CATIA、ANSYS等CAD/CAE分析软件辅助教学。建立以能力培养为导向的机械设计基础课程教学体系，采用多元化过程性考核，以培养和提升学生的设计综合实践能力。

关键词：能力培养 机械设计基础 教学改革 OBE理念

1 引言

我国高等教育长期以来过于注重知识的传授和学科的系统性，解决问题的现代信息技术手段方面的教学滞后，对学生独立思考能力、实践能力、工程软件应用能力和创新能力培养不足，使得培养出来的学生实际动手能力较弱、工程软件应用能力薄弱、解决工程问题的能力和创新能力不足，难以适应社会的需要。为此，拟针对高等院校机械专业应用型人才工程能力、创新能力培养，对机械设计基础课程开展教学研究，革新教学理念，将OBE成果导向理念[1]和CDIO工程教育模式[2]融入课程教学，优化教学内容，引入ADAMS[3]、CATIA、ANSYS等CAD/CAE分析软件，强化过程性考核，建立以能力培养为导向的机械设计基础课程教学体系，加强机械类专业学生的工程设计能力，分析和解决实际问题的能力，创新思维和创新能力，为培养适应社会需求的高素质机械类应用型创新人才作积极的探索和实践。

2 教学理念与目标

2.1 教学理念

机械设计基础课程的教学贯彻以立德树人为根本，以能力培养为导向，重视基本理论和基础知识理解与应用，融入OBE成果导向理念[4-6]和CDIO工程教育模式强化学生的工程实践应用能力培养，促进创新意识、创新思维、创新能力养成的教学理念。

2.2 教学目标

依据专业培养目标和课程理念，坚持正确价值观引领下的知识、能力、情感和价值培养。团队制定了机械设计基础课程四维培养目标：一、课程教学遵循立德树人和学生职业发展要求的价值引领；二、使学生掌握机械机构和零部件结构设计相关理论知识及其应用技术；三、培养学生从机构方案设计与分析、零部件结构设计、整机设计到产品开发的工程综合设计能力；四、结合日常生活和社会实践，开展养德修为教育，挖掘蕴含课程内容中的思政元素，结合民族历史、科技进步和工业发展讲设计，引领学生树立正确人生理想，培养家国情怀。

3 教学体系构建

结合当前机械行业转型升级对机械工程师机械产品设计及现代信息技术应用能力的要求，构建了机械设计基础课程的教学体系，如图1所示。该体系由机械工程师基础设计知识模块和机械工程师综合设计能力模块两大模块组成。其中机械工程师基础设计知识模块包括常用机构及其设计、机械系统方案设计、机械零部件结构设计、工程软件应用等内容，强调基本理论知识和基础应用能力的培养；机械工程师综合设计能力模块包括项目大作业、综合性实验、课程设计、学科竞赛和科技创新活动等内容，全过程融入OBE成果导向和CDIO工程育人模式，充分落实学生的学习主体地位，强调学生的工程综合设计能力的培养与实践。同时融入课程思政教育，实现四位一体的知识、能力、情感、价值教学目标。

4 教学内容改革与实施

4.1 教学内容优化

为贯彻机械设计基础课程以能力培养为导向的教学理念，对教学内容进行精简，去掉繁琐难懂的公式推导，保留核心的机械设计基本理论和知识，同时引入ADAMS、CATIA、ANSYS工程软件应用实践内容，增加工程实践项目案例教学，使学生亲历方案构思、结构设计、性能分析、制作与运行调试的完整机械产品设计周期。课程教学主要内容包括：常用机构设计与分析、运动学分析、动力学分析、连接、轴系零部件、典型传动部件、工程软件应用和机械系统整机设计实践。

4.2 融入OBE理念和CDIO教育模式的教学实施

为培养学生的设计思维和设计实践能力，在教学过程中充分调动学生的积极性和参与度，采用小组项目式教学，利用好课上和课下的时间，结合常用机构设计与分析、零部件结构设计与分析、全国大学生机械创新设计大赛、工程实践与创新能力竞赛、三维数字化设计大赛等学科竞赛主题开展从简单到复杂的递进式项目教学，使学生参与方案构思、设计、实现与运行调试的全过程，将OBE教育理念和CDIO教育模式融入教学过程。教学实施过程如图2所示，在教学实施的过程中，学生充分体会到了学习的乐趣，产出了丰富的学习成果，获得全国大学生机械创新设计大赛、工程实践与创新能力竞赛等省级以上奖项80余项，部分成果如图3所示。融入OBE理念和CDIO教育模式的教学过程，发挥了学生的主观能动性和在学习中的主体作用，锻炼了学生的创新思维和解决复杂工程问题的实践能力。

4.3 CAD/CAE工程软件融入教学

随着计算机辅助设计技术的普及和发展，ADAMS、CATIA、ANSYS等工程软件已经成为机械装备行业开展产品设计与分析的重要工具，为了让学生的专业学习能够跟行业接轨，在机械设计基础课程的教学中将ADAMS、CATIA、ANSYS等CAD/CAE工程软件的应用融入教学，帮助学生在学习机械设计基本理论和知识时能够同步学习CAD/CAE工程软件的应用技术，并能够运用工程软件解决机械设计中的技术问题。例如在进行平面机构运动学分析内容的讲解时，采用ADAMS软件搭建曲柄摇杆机构、摆动导杆机构两种典型四杆机构的模型，分析两种机构的运动特性变化规律。

假设两种机构具有相同的行程速比系数K=1.414，主动件均为曲柄，且其长度与角速度相等。具体尺寸分别为：①曲柄摇杆机构：曲柄a=50mm，连杆b=200mm，摇杆c=300mm，机架d=210mm；②摆动导杆机构：曲柄a=50mm，机架d=210mm。选择两机构运动中摇杆和导杆均处于右极限位置的瞬时时刻，通过ADAMS软件进行模型创建，添加转动副、移动副等运动副约束关系和转动驱动，并设置曲柄的角速度为60°/s，仿真时长为6s。得到两机构的仿真模型、速度和加速度特性曲线如图4、5所示。从曲线图中我们可以看到，曲柄摇杆机构摇杆的运动曲线加速段时间短，平均加速度值较大，减速段的时间约为加速段的1.5倍；摆动导杆机构导杆在一个行程中的加、减速时间相等，速度、加速度变化对称，具有单程对称性。通过仿真分析可知在行程速比系数、曲柄长度及输入角速度相等的条件下，导杆机构的运动平稳性较好，曲柄摇杆机构的速度和加速度极值及变化较大，运动平稳性较差。通过ADAMS软件搭建机构的仿真模型对机构进行运动特性分析的方法，对于在机构设计中进行机构的正确选型和对机构工作性能的评价起到了很好的辅助作用。

5 课程考核评价体系

结合机械设计基础课程以方案构思、结构设计、性能分析与制作等实践过程来实现学生机械产品设计知识的获取和能力的培养，采用多元化的成绩考核评价体系，包括过程性评定和终结性评定。其中过程性评价占比70%，具体内容包括：课前预习10%（线上学习5%、项目活动5%）、课堂表现15%（出勤5%、互动讨论10%）、课后学习20%（作业10%、项目实践10%）、课程思政5%、实验10%、阶段测验10%。终结性评定占比30%。具体见图6所示。

6 结语

通过建立以能力培养为导向的机械设计基础课程教学体系，优化教学内容，引入ADAMS、CATIA、ANSYS等CAD/CAE分析软件，将OBE成果导向理念和CDIO工程教育模式融入教学过程，建立多元化评价考核体系，对机械设计基础课程教学改革，充分调动了学生的学习主动性，使学生学习和项目实践的过程中完成调研分析、独立构思、方案设计、结构设计与制作、运行调试的完整产品设计过程。所完成的设计作品在机械创新设计大赛等学科竞赛中取得优异的成绩，专业综合设计实践能力得到锻炼和提升，为今后的专业学习和更好地服务行业企业发展奠定良好的基础。

基金项目：吉林省高等教育教学改革研究课题《以能力培养为导向的机械设计基础课程建设改革与实践》（编号：20224BR4CV3009N）。

参考文献：

[1]杨毅刚，孟斌，王伟楠.基于OBE模式的技术创新能力培养[J].高等工程教育研究，2015（06）：24-30.

[2]顾佩华，胡文龙，陆小华，等.从CDIO在中国到中国的CDIO：发展路径、产生的影响及其原因研究[J].高等工程教育研究，2017（01）：24-43.

[3]姜波.面向工程能力培养的ADAMS在机械系统仿真课程教学探索与实践[J].中国现代教育装备，2020（9）：53-55.

[4]苏芃，李曼丽.基于OBE理念，构建通识教育课程教学与评估体系——以清华大学为例[J].高等工程教育研究，2018，（02）：129-135.

[5]丁进，崔文超，付振山．基于OBE理念打造线上线下优质课程——以《机械设计基础》课程为例[J].创新创业理论研究与实践，2022，5（4）：147-149．

[6]张美芸.“新工科+OBE理念”背景下的课程教学新模式探索——以《机械设计基础》为例[J].时代汽车，2022（10）：77-78.