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机械设计综合实践课教学改革和实践

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京　100191)

［摘　要］针对现有机械设计综合实践课存在实训项目陈旧、重复性工作量大、难度低、新意少、学生热情不高的现状,在教学内容、教学模式、教学方法、教学手段和评价体系等方面开展一系列探索.从科研项目和工程实际中提炼具有一定挑战性和创新性的实训项目.在课程中引入构型综合、运动学与动力学分析、强度设计与校核、优化设计等机构学核心内容,完善学生的知识结构.引导学生将现代设计方法与先进的计算机辅助分析设计手段相融合,以提升学生的综合设计能力.通过强化自主学习和自主攻关,锻炼学生独立解决实际问题的能力.建立起面向知识、技能、创新能力的三层评价体系,全面评价学生.实践表明：教学改革提升了课程挑战性,激发了学生的学习热情,提高了教学质量.

［关键词］机械设计；综合实践；课程设计；教学改革

［中图分类号］　G642.0　［文献标识码］　A　［文章编号］　2095-3437（2018）01-0044-03

当前,机械设计学科正在经历深刻变革.[1]在学术层面上,各种新的设计理论与分析方法层出不穷,这为机械创新设计注入了新活力.[2][3]在工程层面上,各种计算机辅助分析设计工具大量涌现,这为机械产品研发提供了强大动力.新形势对高等工科院校的机械设计系列课建设提出了新的要求.

机械设计综合实践课（又名机械设计综合课程设计）是继机械制图、机械原理与机械设计之后的重要课程.[4]它不仅担负着融会贯通前三门课程知识的任务,更是拓展学生视野、培养学生技能、锻炼学生素质的重要平台.然而,现阶段该门课程未能有效发挥其应有的作用.走出课堂的学生,一方面缺乏系统的设计理论与分析方法训练,在学术深造方面出现知识断层、创新能力匮乏、自信心不足的情况；另一方面,由于不能熟练运用各种计算机辅助分析设计工具,缺乏设计经验,在工程实际中他们也感到困难重重,难以适应市场的需求.因此,有必要重新审视机械设计综合实践课的地位和作用,开展新的教学探索.

目前,机械设计综合实践课的教学改革方兴未艾,有很多工作需要去做.[5]-[13]为此,我们根据学生的实际情况,在机械设计综合实践课的教学内容、教学模式、教学方法、教学手段和评价体系等方面开展了一系列的探索工作,旨在为培养宽视野、强技能、高素质、勇创新的机械工程技术人才做出贡献.

一、存在的问题

当前,我校的机械设计综合实践课存在一定的不足,主要表现在以下几个方面.

1.设计对象单一,以减速器为主,偏传统、新意少,重复性工作量大,有现成答案可供参考、难度低,学生热情不高.2.教学内容偏重减速器的零部件结构设计,缺乏对执行机构进行分析与综合的内容.3.实训项目陈旧,其设计思路、方法、步骤均已成标准定式并且罗列翔实,几乎没有给学生留有独立思考的空间.4.在教学模式上,以教师授课为主,学生的自主能动性不足.5.虽然对机械设计系列课中的重要知识点有所回顾,但是缺乏对机构运动学与动力学领域重要概念和知识的输入.6.学生只见树木不见森林,无法获得比较系统的机械设计步骤与流程的训练.7.设计手段落后,学生主要依赖手工绘图,缺乏运用计算机辅助分析设计工具进行机械设计的训练.这些问题严重影响了教学质量.

二、教改探索

由于机械设计综合实践课暴露的问题较多,且牵一发而动全身,因此,有必要多管齐下,进行全方位的改革.

(一)面向机构创新的实训项目设计

实训项目是学生在机械设计综合实践课上需要完成的设计任务,是教学要求与培养目标的实施载体,是教改的重点.实训项目的设计首先应该满足教学大纲的要求,即包含原动机、传动装置、工作机（执行机构）三部分,并且能够对机械原理与机械设计的主要内容进行训练.在此前提下,应改变原来只针对减速器的单一设计模式,扩大选题范围.从教师的科研项目以及工程实际中提炼出一些难度适中、具有一定实用价值和创造性的实训项目,例如力反馈装置、眼外科手术器械、太空舱门展收机构等.这既扩展了学生的视野又提升了设计过程的挑战性,对于提高学生的科研素质与设计能力具有极为重要的意义.

(二)涵盖机构学基本理论知识的教学内容建设

以实训项目为基础,打破原有课程的封闭性,强调与其他学科和课程的衔接与融合.一方面,在内容上针对实训任务,适当引入构型综合、运动学与动力学分析、强度设计与校核、优化设计等机构学基础知识,引导学生初步学会运用这些知识实现机构的分析与综合.另一方面,结合实训项目,指导学生掌握现代机械设计方法及流程和先进的计算机辅助设计手段,使学生在宏观上建立起正确的机械设计与分析观念.

上述教学内容建设旨在培养学生三个层次的综合设计能力.第一层次是培养学生理解与表达设计对象的能力,即培养学生具备从实训项目中提炼各种设计约束（如尺寸约束、运动约束、动力约束等）的能力,让学生建立起以“约束”作为设计起点与归宿的重要设计理念.第二层次是培养学生使用现代设计方法与先进的计算机辅助分析设计手段进行设计和分析的能力.第三层次是培养学生创造性构思的设计能力和总体把握设计方案的能力.

在教学内容的编排上,适当增加执行机构的设计与分析内容,相应减少结构设计内容.考虑到减速器具有十分典型的机械特征,值得初学者学习,因此予以保留,但是将以往的二级减速器结构设计更改为单级减速器结构设计.这既保留了原有内容的精华,又减少了重复性劳动,更为新内容的引入节省出大量的时间.

（三）全面融合计算机辅助分析设计手段的教学实践

在设计、分析、计算、校核、绘图等教学环节中,全面引入ADAMS、ProE、SolidWorks、AutoCAD等多种计算机辅助分析设计工具,探索将现代设计方法与计算机辅助分析设计手段相融合来实现创新设计的教学模式,综合提升学生的机械设计技能.其中,可以利用ADAMS软件进行机构的创新设计、运动学与动力学分析、强度设计与校核、优化设计；利用SolidWorks、ProE等软件进行减速器的三维结构设计；利用SolidWorks、ProE等软件的二维投射功能或者AutoCAD软件,绘制减速器的二维装配图和二维零件图.由于我校学生前期学习过ADAMS、SolidWorks等软件,因此取得了良好的实践效果.

(四)建立以学生为核心的互动教学模式

一方面,改变“教师为主、学生为辅”的教学模式,以实训项目为牵引,强化学生的自主学习和自主攻关,锻炼学生独立解决实际问题的能力.在此基础上,充分发挥教师的引导作用,为学生厘清机械设计的正确思路以及现代机械设计方法与流程.注重告诉学生“做什么”和“为什么做”,放手让学生通过查询资料去“如何做”.另一方面,聘任研究生作为助教,在计算机辅助分析设计工具的使用方面给予本科生辅导,降低本科学生实施CAD/CAE分析的难度.

(五)建立知识、技能、创新能力的三层评价体系

原有的评价体系侧重于检查学生对基础知识的掌握,无法全面评价学生.现改为在专业基础知识、计算机辅助分析设计技能、机构创新设计能力三个层面综合评价学生.每个评价层面按照时间维度,由多项评价指标组成,从而建立起比较全面的评价体系,并由主讲教师和助教共同评分.其中,“知识”占总成绩的50%,“技能”占总成绩的30%,“创新能力”占总成绩的20%.

三、教学实践

教改后的机械设计综合实践课的主要教学过程如图1所示.

1.分配实训项目.为学生指定实训项目；讲解实训项目中涉及的重要概念,引导学生理解实训项目.

2.明确任务与约束,培养学生从实训项目中提炼各种设计约束（如尺寸约束、运动约束、动力约束等）的能力；建立以“约束”作为设计起点与归宿的重要设计理念.

3.执行机构设计.（1）执行机构的创新设计.根据各种设计约束,开展调研,提出自己的执行机构设计方案；对多种设计方案进行可行性论证.通过构型综合,确定最终的执行机构构型方案.（2）执行机构的运动学分析.利用虚拟样机仿真分析工具（如ADAMS软件等）分析执行机构的运动性能；检验能否满足任务规定的尺寸约束、运动约束；完善并确定执行机构的最终构型及其特性尺寸.（3）执行机构的动力学分析.利用虚拟样机仿真分析工具（如ADAMS软件等）分析执行机构的动力学性能.重点分析驱动力（矩）、运动副阻力（矩）、工作载荷与速度/加速度之间的定量关系等,检验能否满足任务规定的动力约束.（4）关键构件的强度设计与校核.针对执行机构的关键构件,根据虚拟样机仿真分析工具得出的运动副受力情况,对关键构件进行强度设计,得出满足强度要求的构件材料参数和特性尺寸参数.（5）动力学与强度的迭代设计.将满足强度要求的构件模型重新利用ADAMS软件进行动力学分析；根据得出的受力关系,检验构件强度设计结果的可行性；确定执行机构工作时的实时功率与最大功率.

4.原动机选型.根据执行机构所需的最大功率确定原动机的输出功率与额定功率；根据执行机构输入端的运动要求,确定原动机的额定转速以及减速器的传动比；确定原动机的型号.

5.一级闭式减速器设计.根据传动比,选择合理的传动方式,如齿轮传动、蜗轮蜗杆传动；利用SolidWorks、ProE等软件进行减速器的三维结构设计；利用SolidWorks、ProE等软件的二维投射功能或者AutoCAD软件,绘制减速器的二维装配图以及二维零件图.

6.答辩.教师针对学生的各设计环节进行提问,学生予以回答,以此检验学生的学习和实践效果.

四、教改特色

机械设计综合实践课的探索工作具有以下特点.

1.拓展视野.实训项目来源于真实科研课题与工程实际,难度适中,具有一定的挑战性,有利于拓展学生的视野,锻炼学生的自主学习、自主攻关的能力与创新精神.

2.扩充知识.以机构创新为核心,引入构型综合、运动学与动力学分析、强度设计与校核、优化设计等机构学核心知识,完善学生的知识结构.

3.强化设计.引导学生将现代设计方法及流程与先进的计算机辅助分析设计手段相融合,提升学生的综合设计能力.

4.自主攻关.改变“教师为主、学生为辅”的教学模式,强化学生的自主学习和自主攻关,锻炼学生独立解决实际问题的能力.同时,聘任相关专业的研究生作为助教,在计算机辅助分析设计工具的使用方面给予辅导,降低本科学生实施CAD/CAE分析的难度.

5.综合评价.摆脱以往仅从结构设计角度评价学生的弊端,建立起面向知识、技能、创新能力的三层评价体系,从专业基础知识、计算机辅助分析设计技能、机构创新设计能力三个层面综合评价学生.

6.浓缩精华.将原来的二级减速器结构设计缩减为一级减速器结构设计,这既保留了原有内容的精华,又避免了重复性劳动,更为新内容的引入节省出大量的时间.

五、结语

机械设计综合实践课是机械设计系列课中一门重要的实践环节课,是学生从理论基础走向工程实际的桥梁,更是学生拓展视野、培养技能的重要平台.我们通过在教学内容、教学模式、教学方法和教学手段上的一系列改革,提升了课程的挑战性,完善了学生的知识结构,激发了学生的学习热情,提高了教学质量,使学生既能锻炼素质和能力,又能体验成功的喜悦.

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