基于機械創(chuàng)新設計理念的機械原理課程設計教學

《機械原理課程設計》是本科學生在學習完《機械原理》理論課程之后進行的一個重要的實踐性教學課程，是機械類各專業(yè)必修的一門主干核心技術基礎課。按照《高等工科院校機械原理課程教學基本要求》，機械類（含近機類）專業(yè)應安排機械原理課程設計單獨授課，學時在1～1.5 周，且一般安排在本科二年級下學期或三年級上學期。這門課程在太原理工大學（以下簡稱我校）機械制造與自動化專業(yè)2016 版培養(yǎng)計劃中已提前至大二下學期授課，且承擔的主要任務是鞏固和加深學生所學理論知識，進一步培養(yǎng)學生應用本課程的有關知識獨立解決實際問題的能力，使學生對機械的運動學和動力學的分析和設計初步具有較為完整的概念，通過課程設計提高學生計算、制圖和使用技術資料的能力。可見，《機械原理課程設計》在主要研究機械一般共性問題的基礎上，主要應培養(yǎng)學生的設計實踐動手能力以及系統(tǒng)分析能力，并研究各種機器中常用機構的運動、動力性能分析與設計方法、機械傳動系統(tǒng)方案設計等基礎問題。因此，該課程是為了培養(yǎng)學生機械系統(tǒng)運動方案設計和創(chuàng)新設計能力、應用計算機解決工程實際中各種機構設計和分析能力服務的。
1 機械原理課程設計現(xiàn)狀分析
國內(nèi)許多高校教師在近十幾年來對《機械原理課程設計》的教學改革進行了探究與嘗試，包括本科型、面向應用型等不同高等專業(yè)學校。具體的教學改革內(nèi)容主要體現(xiàn)在課程設計的題目、教學方法和形式、培養(yǎng)能力等方面。從題目的合理設定方面分析了其對學生設計能力的重要性，提出選題應多樣化。對機械原理課程設計的教學模式進行了探討，提出將圖紙設計與虛擬仿真相結(jié)合的模式。人分別研究了工程建模分析軟件Matlab、PRO/E、Adams 和Matlab/Simulink在機械原理課程設計中的應用。則從教學方法和手段的多樣性方面入手，闡述了教學過程中方法的重要性。
通過對文獻綜述，結(jié)合我校課程教學以及學生特點，筆者認為，目前《機械原理課程設計》在教學環(huán)節(jié)中存在以下一些問題。
1.1 現(xiàn)有的課程設計題目單一且重復性高
目前國內(nèi)多數(shù)高校的課程設計題目類型單一、重復性高。我校目前采用4 種機械裝置課程設計題目，分別為牛頭刨床、單杠四沖程柴油機、壓床和插床。其中，機械系統(tǒng)的運動方案已經(jīng)提供，要求學生根據(jù)系統(tǒng)方案對其中的平面連桿機構、凸輪機構以及齒輪機構進行設計分析計算，并在此基礎上進行機構動態(tài)靜力分析和確定飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。
雖然其中的每一個題目都能鍛煉學生的分析計算能力和實際動手能力，而且系統(tǒng)地將機械原理中連桿機構、凸輪和齒輪三大典型常用機構糅合在一個機械裝置中，使學生能夠系統(tǒng)掌握這幾種機構，不再孤立分析問題。但是，這些題目中的機械還是偏于傳統(tǒng)型，而且題目類型固定，對于基礎較好的學生來說，這些題目無法體現(xiàn)出創(chuàng)新設計的思想。更加靈活性的半開放式的題目，才更有利于學生創(chuàng)造力的發(fā)揮。而且，4 種固定式題目仍然稍顯偏少，每一屆學生重復性雖然可控，但是前后屆學生之間依然存在重復性高的問題。
1.2 設計手段未與計算機輔助設計技術相結(jié)合
由于題目偏于固定，學生興趣不是很高，很多學生都是為了獲得學分而完成任務。尤其是對于基礎較好的學生，缺少了對他們更高的要求。隨著計算機和虛擬仿真技術的發(fā)展，應該使學生將虛擬仿真技術與課程設計內(nèi)容有機結(jié)合，增強他們使用這些工具的能力，并在實踐中鞏固所學的理論知識。
通過參加全國類的機械原理課程經(jīng)驗交流會并跟同行交流，大家有一致共識，圖解法仍然應該是機械原理機構分析不可忽視，甚至更應該加強的手段。除此之外，應該將解析法與虛擬仿真技術結(jié)合，通過虛擬仿真技術對機構進行運動、動力分析，并結(jié)合圖解法進行驗證分析，從而讓學生能夠深刻理解理論知識。
1.3 創(chuàng)新性能力體現(xiàn)不足
創(chuàng)新是文明進步的原動力，是技術和經(jīng)濟發(fā)展的原動力，是民族進步的靈魂。創(chuàng)新的重要性不用贅述，大家都知道需要創(chuàng)新，然而創(chuàng)新不是口號，而是應該從一點一滴的工作中體現(xiàn)創(chuàng)新的理念。目前多數(shù)的課程設計都基于系統(tǒng)方案已經(jīng)確定或者基本成型的基礎上進行，從一定意義上來講缺失了創(chuàng)新設計理念。高校的許多教師已經(jīng)逐漸嘗試從課程設計的選題、方法及考核等方面與創(chuàng)新思想相結(jié)合，探索能夠體現(xiàn)創(chuàng)新設計的課程改革，不過這個任務任重道遠，還需要更多地努力和探索。
針對上述在《機械原理課程設計》教學中的一些共性問題，一些高校的教師在其教學改革中提出應將創(chuàng)新設計理念貫穿于課程設計的整個教學環(huán)節(jié)。提倡基于“學科競賽、創(chuàng)新項目”來開展機械原理課程設計，進而培養(yǎng)學生將理論知識與實踐相結(jié)合的能力。
2 基于機械創(chuàng)新設計理念的教學方法
本文從課程設計題目的創(chuàng)新選題、系統(tǒng)方案的創(chuàng)新設計、虛擬仿真技術與圖解法相結(jié)合的課程設計方法、合理的能力評價方法等4 個方面進行探索研究，從系統(tǒng)與細節(jié)上將機械創(chuàng)新設計的理念慢慢滲透進整個機械原理課程設計的過程之中。
2.1 機械原理課程設計題目的創(chuàng)新選題
基于機械創(chuàng)新設計的理念，依托我校機械工程學院“思拓大學生機械創(chuàng)新設計基地”以及“第八屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽”的主題，對機械專業(yè)學生進行拓展性選題。選定“解決小區(qū)問題的停車裝置”和“輔助人工采摘水果裝置”為主題，讓學生自行組隊，根據(jù)自身特點進行選題。選題確定后依次進行系統(tǒng)方案的創(chuàng)新設計、機構實現(xiàn)、機構分析及計算、模型制作。整個選題到分析的全過程任務作為《機械原理課程設計》這門課程的設計任務，完成設計圖紙以及設計計算說明書，答辯通過，獲得成績和學分。
2.2 系統(tǒng)方案的創(chuàng)新設計
學生選題確定后，即開展所要完成目標任務的機械裝置系統(tǒng)方案設計過程。在這個過程中采取2 次集中討論的方式進行，由教師對學生的方案進行可行性分析討論，并提出修改方案，從而形成一套合理的機械結(jié)構裝置系統(tǒng)方案。整個系統(tǒng)方案的創(chuàng)新設計過程，主要實施者是學生，教師起到引導、監(jiān)督和可行性指導分析的作用，這樣的方法有利于學生發(fā)揮主動性并激發(fā)興趣，在系統(tǒng)方案階段就能將自己的思想融入課程設計之中。
2.3 虛擬仿真技術與圖解法相結(jié)合的課程設計方法研究
隨著計算機輔助設計技術的發(fā)展，本科生在本科階段就應該靈活使用虛擬仿真類軟件工具，應該促使學生課堂外利用計算機輔助設計技術進行知識的拓展和貫通。工程建模分析軟件Matlab、PRO/E、Adams 和Matlab/Simulink 在機械原理課程設計中應該與圖解法進行結(jié)合，圖解法簡單有邏輯性，但是這些工程建模分析軟件能夠幫助學生提高靈活設計的能力，并且對系統(tǒng)設計和詳細設計都有提高。
在機械原理課程設計過程中將虛擬仿真技術與圖解法結(jié)合分析，即在機械結(jié)構系統(tǒng)裝置的形成過程中，要求學生通過PRO/E 等三維建模軟件進行零部件和裝配體建模，并通過這些建模軟件中的運動仿真模塊或者Adams 軟件進行機構的干涉性分析及運動仿真分析。對有精力或者能力更強的學生，提倡其利用Matlab和Adams 進行機構系統(tǒng)的聯(lián)合仿真分析。所有基于分析軟件對系統(tǒng)機構進行的運動、動力學分析都對最終設計結(jié)果的優(yōu)化提供依據(jù)。
2.4 課程設計培養(yǎng)能力的合理評價方式研究
基于機械創(chuàng)新設計選題進行的課程設計考核及評價可以從以下幾方面進行綜合考量：第一，根據(jù)組隊學生選題后完成的系統(tǒng)結(jié)構方案的創(chuàng)新性、機構的合理性進行綜合評價；第二，系統(tǒng)機構的詳細設計、運動及動態(tài)靜力分析；第三，最終設計完成的圖紙、設計計算說明書；第四，進行答辯，考查學生整個設計過程中的表現(xiàn)。
根據(jù)實際運行過程對上述幾方面評價指標進行研究，確定出各部分所占分數(shù)比重。最終，每位學生的課程設計成績將根據(jù)上述幾個方面的表現(xiàn)得分，以及其在整個設計小組里面的貢獻多少進行綜合評價，進而獲得《機械原理課程設計》的課程成績和學分。
3 結(jié)語
通過對目前《機械原理課程設計》教學中存在的問題進行分析，并基于機械創(chuàng)新設計的理念，依托我校機械工程學院“思拓大學生機械創(chuàng)新設計基地”以及“第八屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽”的主題，對機械原理課程設計的教學方法改革進行了分析，從課程設計題目的創(chuàng)新選題、系統(tǒng)方案的創(chuàng)新設計、虛擬仿真技術與圖解法相結(jié)合的課程設計方法、合理的能力評價方法等4 個方面進行探索研究。該課程設計方法能夠從系統(tǒng)與細節(jié)上將機械創(chuàng)新設計的理念慢慢滲透進整個機械原理課程設計的過程之中，最后使學生的理論及實踐動手能力都有一個新的提高。本文的研究成果同時也能夠為機械類相關技術基礎課程將來的教學改革提供一點思路。