“机械设计”课程教学方法改革初探

“机械设计”课程教学方法改革初探

“机械设计”作为机械类本科学生一门十分重要的专业基础课，在机械类专业学生的培养体系中占有十分重要的地位。该课程既是“机械制图”“材料力学”“理论力学”“机械原理”等先导基础课程的具体应用，也是后续各种专业课的基础，在整个培养体系中起到承上启下的桥梁作用。该课程的教学效果不仅影响学生相关专业课程的学习质量，也对学生应用及创新能力的培养具有至关重要的作用。

一、“机械设计”教学现状分析

“机械设计”作为机械类专业学生的一门核心课程，自建国初期就在国内各工科院校机械类专业普遍开设，至今已有60余年的历史。虽然经过了漫长的时代变迁和教育体系的不断改革，但“机械设计”课程在机械类专业本科教育体系中的地位没有丝毫改变，且在一定程度上还得到了强化。不仅在课程内容的广度与深度上有了较大的拓展，而且在教学模式上也进行了较大的变革。但总体而言，“机械设计”课程的教学水平仍与当前人才培养目标的总体要求存在较大差距。主要表现在以下几个方面：

1.教材内容陈旧，不符合时代要求

现行的《机械设计》教材的基本框架与数十年前其前身“机械设计”课程基本一致，在内容上虽然局部有所增减，但主体内容并无较大变化，基本仍是以介绍各种通用零部件的设计计算为主，所采用的方法仍以传统的经验设计与简化计算为主。然而随着现代科技的不断进步，各种先进设计技术如有限元技术、可靠性设计技术、数字仿真技术等均已广泛应用于机械设计领域，这些技术在如今的绝大多数机械设计教材中都没有提及，个别教材虽有所介绍，但纯属介绍性质一笔带过，没有具体阐述。相反，一些在实际应用中已被淘汰的陈旧技术与方法仍被广泛采用，从而造成了理论学习与实际应用的脱节。

2.教学内容过度松散，关联性不足

任何一种机器都是由各种零件组合而成的，机器的性能虽与单个零件的工作性能有一定关系，但其总体性能与工作寿命并不是由单个零件决定的，而取决于整个装配体的综合性能。因此，机械设计不仅要关注各种零件的设计方法，更要关注各种零件之间的关联与协调，应以机器的总体性能作为考查设计方案的主要指标。现有的“机械设计”教学中，除轴的设计中考虑了其他零件因素外，其余零件的设计均基于自身的结构特点与工作性能，没有将零件之间的关联性纳入设计考虑范畴，导致零件设计与机器设计关联度不够，在实际应用时，难以达到机器总体性能与零件性能的最佳匹配。

3.教学方法落后，教学效果不理想

目前各高校“机械设计”课程教学基本仍以传统的灌输式的授课方法为主。由于课程内容多，教师基本上是满堂灌，而学生被动听，很少有机会进行互动。由于课程涉及的内容十分广泛，涉及到通用机械的绝大多数零件，对每一类零件又涵盖了从基本概念介绍、工作性能分析及结构设计计算等各方面的内容，如果不能做到提纲挈领，主次分明，会给学生的学习带来困惑，让他们感觉不着边际、没有重点。对于学生而言，课堂上绝大多数时间要听课和记笔记，课后时间则忙于完成作业，很少有机会对所学内容进行深入理解与体会，一旦遇到实际设计问题，则往往感觉茫然无措、无从下手。

4.知识传授与能力培养脱节

现有的《机械设计》教材与授课内容的重点放在相关理论和方法的介绍方面，对应用能力与创新能力的培养普遍重视不足。“机械设计”课程的主要任务是介绍通用机械零件的一般设计思路与方法，并用于生产实际。因此，该课程不应只是简单地介绍各种零件的一般设计流程，还应结合具体案例介绍同类零件的设计要点，对实际设计过程中的难点及技巧问题进行重点介绍。绝大多数教师在授课与安排课后作业时比较注重基本概念的掌握，但对学生在设计思路与设计技巧方面的训练较少，导致学生实际应用能力不足。

二、有效提高“机械设计”课程教学质量的措施

要有效解决目前“机械设计”课程教学中的各种问题，须从教材建设、教学内容与教学方法改革等多个方面进行综合考虑，研究一套系统完善、行之有效的课程教学体系。具体而言，应从以下几个方面着手：

1.强化教材与教学体系建设

教材是教师教学与学生学习的主要工具，对课程教学质量具有决定性作用。作为一门机械学科的经典课程，经过近六十年的发展，在教材体系结构和内容方面一直在不断地调整和完善，由西北工业大学主编、高等教育出版社出版的《机械设计》教材属于比较经典的版本，目前已更新到第九版。由邱怀宣主编、同属高等教育出版社的教材已更新到第四版。其他还有许多版本的教材，这些教材各有特色，但在体系结构与内容上均大同小异，也都存在技术内容更新不及时、关联性不足等问题。为了适应时代发展对教学内容的要求，应加大力度进行教材建设与教学内容改革。应跳出传统机械设计教学体系的束缚，根据现实技术与培养目标要求重新组织教材的体系结构，剔除已经过时的技术与方法，将各种已经成熟并广泛应用的最新设计理念与方法纳入机械设计教学范畴。从机械设计的总体目标出发，即对各种零件的设计思路与方法进行详细介绍，同时对设计中如何处理不同零件之间的协调与配合问题进行讨论，从而增加教材在内容上的关联性，避免相互割裂。

2.深化教学内容与教学方法的改革

现行“机械设计”课程中各种零件的设计方法仍沿用几十年前的传统设计方法，受当时技术条件的限制，为了便于和简化计算，零件设计多以经验法为主。这些方法在原理上并不完善，比如，斜齿圆柱齿轮与直齿锥齿轮的设计计算是利用直齿圆柱齿轮的相关理论来实现的，然而斜齿轮与锥齿轮的几何结构、受载特性和啮合机理与直齿轮有本质上的差别，因此，采用这种转化方法设计出的结果与实际情况有很大的偏差。不仅如此，直齿圆柱齿轮的设计计算也不是按实际应用情况进行的，其实际齿形渐开线齿廓，但设计时按柱体悬臂梁进

行计算，且设计过程中使用了大量的经验参数，因此设计结果也只是经验值。为了保证零件的可靠性，只能通过增加安全系数来保证，从而导致设计出的零件尺寸偏大，不仅经济性不好，且对整机性能产生重要影响。随着CAD、CAE等现代设计技术的不断发展和完善，各种复杂零件的精确设计与仿真分析可以很容易地实现，采用PROE、ANSYS等应用软件可以精确完成各种齿轮、带传动、链传动、弹簧等复杂零件的精确造型、运动学分析、动力学分析等各种仿真分析，可以对这些零件进行精确设计。这些先进的技术目前均已在机械制造工程领域广泛应用，但目前国内的“机械设计”课程教学基本很少涉及。因此，需配合教材建设对现行的教学内容进行改革，强化各种现代设计方法的教授与应用，并在此基础上进行教学方法的改革。抛弃传统的教师灌输式教学、学生被动学习，上课记笔记、课后赶作业的教学模式，充分利用多媒体技术和虚拟仿真技术强化教师与学生的互动，激发学生的学习兴趣与学习热情，把部分流程式的课后作业转换为能培养创新思维与动手能力的应用设计，强化学生使用各种现代设计工具的能力。

3.发挥虚拟仿真技术在课程教学中的作用

虚拟仿真技术由于具有逼真模拟现实事物与环境、可进行交互操作等优点，已在全世界各个领域中广泛应用。在机械领域，仿真分析已成为机械设计的一个重要手段，它不仅可以直观呈现各种机械零件的实体结构，实现各种机构的运动仿真与干涉检查，还可以对各种机器及组成机器的各个零件进行静、动力学仿真分析，从而有效缩短设计周期，提高设计质量与效率。因此，在“机械设计”教学中必须充分发挥虚拟仿真技术的作用，一方面利用仿真技术在课堂上把各种零件的结构及运动学及动力学特性直观地呈现给学生，加速学生对相关知识的理解、消化与吸收；另一方面利用虚拟仿真技术建立网上虚拟实验室，完成各种因条件限制而无法开设的实验，有效弥补目前“机械设计”课程教学中实验设备欠缺、实验种类偏少的不足；此外，鼓励学生参与机械设计教学内容相关的虚拟设计，建立资源库，不仅可以丰