機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的三位一體模式研究

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摘要：

信息技術(shù)的推廣和工業(yè)設(shè)計、制造技術(shù)的發(fā)展，對高校實踐課程提出了新的要求。針對當(dāng)前機(jī)械專業(yè)機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)模式的不足，提出了課程內(nèi)容與形式改革措施。為有效提升學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新思維能力，將模型3D繪圖與加工制造引入機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計中，探索理論計算、設(shè)計繪圖、加工制造“三位一體”的教學(xué)模式。經(jīng)實踐證明，新模式下教學(xué)效果突出。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計；課程設(shè)計；模式；探索

隨著我國社會結(jié)構(gòu)的變化，催生高等教育教學(xué)結(jié)構(gòu)與形式轉(zhuǎn)型，國內(nèi)地方高校在不斷探索應(yīng)用型人才的培養(yǎng)模式與體系。機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計融合了機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、機(jī)械制圖、機(jī)械制造基礎(chǔ)、極限配合與測量技術(shù)等課程的知識，是機(jī)械類專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計能力與創(chuàng)新能力的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。因此，機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計在培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的機(jī)類和近機(jī)類高校實踐教學(xué)中具有十分重要的作用。當(dāng)前，機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計仍為減速器的理論設(shè)計計算為主，輔以二維圖紙表達(dá)，致使實踐性課程缺乏足夠的實踐環(huán)節(jié)。為此，以提高學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新思維能力為目標(biāo)，將模型3D繪圖與加工制造引入機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計中，探索理論計算、設(shè)計繪圖、加工制造三位一體的教學(xué)模式。

1機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)教學(xué)模式將機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為著重培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械制造與設(shè)計的系統(tǒng)化設(shè)計思維，其是在機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計課程中機(jī)械零部件設(shè)計方法的基礎(chǔ)上設(shè)計機(jī)械裝置，進(jìn)行機(jī)械機(jī)構(gòu)選擇與方案設(shè)計、總體布置、總裝配圖設(shè)計、主要零件設(shè)計及設(shè)計計算說明書編寫等訓(xùn)練。機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計選擇最具代表性的機(jī)械裝置“減速器”作為設(shè)計題目，其課程學(xué)習(xí)要求包括以下3點：①要求學(xué)生熟悉減速器的工作原理、各零部件裝配裝配關(guān)系和箱體類結(jié)構(gòu)設(shè)計等知識與技能；②著重要求學(xué)生掌握齒輪機(jī)構(gòu)、軸、螺栓組件、軸承、鍵、銷等零部件的設(shè)計計算與選擇；③要求學(xué)生熟練應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖表和設(shè)計資料。以采用塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計為例，其教學(xué)模式采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，在完成88學(xué)時的機(jī)械設(shè)計理論學(xué)習(xí)后，再開展為期2至3周的機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計，學(xué)生以4~6人為一小組合作完成減速器理論設(shè)計、計算及二維圖繪制。在課程設(shè)計時間段內(nèi)，學(xué)生對減速器的設(shè)計僅停留方案構(gòu)思、機(jī)械零部件和機(jī)械總成的結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計，均屬理論設(shè)計與繪圖，回顧以往的課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)與學(xué)生反饋信息，發(fā)現(xiàn)在課程設(shè)計過程中體現(xiàn)出以下弊?。?/p>

（1）多數(shù)學(xué)生對綜合應(yīng)用所學(xué)知識與技能解決實際問題的能力較差，對減速器的結(jié)構(gòu)缺乏認(rèn)識；

（2）學(xué)生對課程設(shè)計興趣不夠濃厚，缺乏自我設(shè)計與創(chuàng)新主動性，且過度依賴指導(dǎo)教師指引；

（3）在減速器的設(shè)計過程中，設(shè)計計算生硬套搬設(shè)計步驟，照抄設(shè)計手冊和減速器圖冊的減速器圖樣與尺寸；同時，在此教學(xué)模式下學(xué)生以完成作業(yè)任務(wù)式的心態(tài)對待課程設(shè)計，導(dǎo)致課程設(shè)計抄襲現(xiàn)象，亦無法達(dá)到課程設(shè)計原本教學(xué)要求。該模式下無法體現(xiàn)出設(shè)計創(chuàng)新與實踐教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計作用微乎其微。

2機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計改革措施

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展要求高校培育的人才能運用專業(yè)知識解決工程實際問題和探索問題的能力。機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計作為一門機(jī)械專業(yè)機(jī)械設(shè)計綜合知識與技能應(yīng)用的平臺，是提高學(xué)生機(jī)械設(shè)計與工程素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)目標(biāo)不僅是為培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械制造與設(shè)計的設(shè)計過程，也是在培育學(xué)生掌握機(jī)械產(chǎn)品或機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計思維，以及培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的自主創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)工作的適應(yīng)能力。針對傳統(tǒng)課程設(shè)計的不足，基于培育具備理論設(shè)計、實踐加工、理念創(chuàng)新的新型機(jī)械設(shè)計人才，對機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的實踐教學(xué)體系進(jìn)行探索性改革，具體措施如下：

（1）重組機(jī)械設(shè)計課程的實踐教學(xué)體系。傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，機(jī)械設(shè)計的實驗課程開設(shè)認(rèn)識性或驗證性的實驗，主要包括機(jī)械零件結(jié)構(gòu)認(rèn)識現(xiàn)場教學(xué)實驗、帶傳動實驗、液壓滑動軸承實驗、軸系部件設(shè)計實驗、減速器拆裝實驗等項目。以培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計與制造能力為主線，重組機(jī)械設(shè)計課程的實踐教學(xué)體系，增設(shè)實操性實驗，制定新的教學(xué)計劃?；趥鹘y(tǒng)的教學(xué)模式下，對已有實驗項目做改進(jìn)增設(shè)實踐操作性內(nèi)容。以帶傳動試驗為例，以往實驗要求學(xué)生觀察帶傳動彈性滑動和打滑現(xiàn)象，計算帶傳動的參數(shù)，新教學(xué)體系在此基礎(chǔ)上增設(shè)帶與帶輪的安裝和拆卸。

（2）課程設(shè)計內(nèi)容改革。傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計以設(shè)計二級減速器為主，設(shè)計內(nèi)容以理論設(shè)計計算為核心。針對課程設(shè)計內(nèi)容實踐性環(huán)節(jié)不足，課程設(shè)計選擇相對較為簡單的一級減速器作為設(shè)計內(nèi)容，增設(shè)減速器3D繪圖和模型加工部分。減速器3D繪圖采用UG、SOLID-WORKS等軟件繪制，此項內(nèi)容增設(shè)依據(jù)新大綱模式下機(jī)械制圖、三維制圖課程整合為一體。減速器模型加工采用優(yōu)耐美、謝蘭微型模具加工機(jī)床加工。在新課程設(shè)計內(nèi)容與模式下，安排學(xué)生開展為期3周的機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計，學(xué)生以6~8人為一小組合作完成一級減速器理論設(shè)計計算、二維和三維圖繪制、模型制作。新課程設(shè)計模式大幅增加了課程設(shè)計實踐性環(huán)節(jié)，不僅促進(jìn)了學(xué)生課程設(shè)計的興趣，也消除了課程設(shè)計片面最求負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)設(shè)計而教學(xué)效果不良的現(xiàn)象。

（3）創(chuàng)新環(huán)節(jié)。課程設(shè)計選題采取多樣性、靈活性原則，將固定式的減速器設(shè)計改變?yōu)閯?chuàng)新與思考結(jié)合的裝置設(shè)計。基于此為突出課程設(shè)計的創(chuàng)新性，開展創(chuàng)新設(shè)計項目的調(diào)研、機(jī)械裝置設(shè)計方面專利文獻(xiàn)資料的檢索與收集、裝置設(shè)計方案構(gòu)思。課程設(shè)計內(nèi)容應(yīng)涉及機(jī)械設(shè)計課程中所學(xué)的機(jī)構(gòu)與傳動方式。設(shè)計任務(wù)確定為每組按照所選定的設(shè)計題目，綜合運用機(jī)械設(shè)計課程以及其他先修課程的理論和技能，運用合理的方法設(shè)計出方案。學(xué)生小組可選擇指導(dǎo)教師擬定設(shè)計題目，學(xué)生小組也可自行擬定確定設(shè)計題目，但需指導(dǎo)教師審核。

3設(shè)計模型加工

模型作為設(shè)計理念的具體表達(dá)，具有三維直觀、真實準(zhǔn)確的特點，是產(chǎn)品設(shè)計最終的設(shè)計表達(dá)形式。對于機(jī)械設(shè)計專業(yè)的學(xué)生，模型制作不僅有助于分析和掌握產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、材料、工藝等，還能夠啟發(fā)設(shè)計靈感，開拓設(shè)計思維。在機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計中增設(shè)模具加工環(huán)節(jié)，可提升機(jī)械設(shè)計與制造專業(yè)學(xué)生的設(shè)計思維與動手能力，也可有效融合機(jī)械制圖、二維制圖、三維制圖、機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計等多門專業(yè)課程的知識。機(jī)械設(shè)計的創(chuàng)新離不開模型設(shè)計加工工具與設(shè)備；優(yōu)耐美（奧地利進(jìn)口）、謝蘭（美國進(jìn)口）微型模具加工機(jī)床是模具設(shè)計的創(chuàng)新平臺，其安全、穩(wěn)定的性能是培養(yǎng)動手能力優(yōu)良設(shè)備。國內(nèi)部分高校已開設(shè)微型模具設(shè)計加工課程應(yīng)用于學(xué)生實踐操作技能和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程。微型模具加工機(jī)床采用模塊式結(jié)構(gòu)，機(jī)體微型輕巧，組裝、操作簡單，由鋸床、車床、磨床、鉆床、銑床、銑齒床六大類機(jī)床組成，可對木質(zhì)、軟質(zhì)金屬、樹脂膠板等材料進(jìn)行切、削、磨、銑、鉆等加工功能。據(jù)課程試驗性操作證明，微型加工機(jī)床可以車軸（木質(zhì)、鋁質(zhì)等材料）、銑齒輪、鉆孔、裁切板材、磨削毛坯等。在機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計中引入微型模具加工，極大的提升了學(xué)生課程設(shè)計的興趣，也有效提升了學(xué)生的動手操作能力，也為了數(shù)控加工課程的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

4“三位一體”模式構(gòu)建

在1979年，北京科技大學(xué)“機(jī)械設(shè)計制圖”課程教學(xué)團(tuán)隊對非機(jī)械類機(jī)械基礎(chǔ)系列課程進(jìn)行了改革試驗，把“畫法幾何及機(jī)械制圖”、“機(jī)械原理”、“機(jī)械零件”三門課程有機(jī)地整合為一門課，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)方法上進(jìn)行了改革創(chuàng)新，并多次獲得教學(xué)成果獎。國內(nèi)諸多教學(xué)工作者開展了二維教學(xué)模式向三維立體教學(xué)模式的轉(zhuǎn)化與融合的嘗試，提出了工程制圖三維化教學(xué)模式。舒宏等提出CAD制圖內(nèi)容穿插在制圖教學(xué)中開展。在制圖課程中融入形體、零件三維建模，部件的裝配與驅(qū)動關(guān)系，直觀地理解零件的形狀、配合、部件的工作原理等。三維CAD教學(xué)從產(chǎn)品設(shè)計的角度，以三維產(chǎn)品設(shè)計到二維工程圖為主線。機(jī)械制圖、三維實體設(shè)計、機(jī)械設(shè)計三門課程的內(nèi)容相互聯(lián)系緊密，國內(nèi)外諸多教育工作者試圖將此三門課程融合為一體。而此三門課程內(nèi)容在機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的設(shè)計內(nèi)容中得到綜合體現(xiàn)與應(yīng)用，將設(shè)計與加工制造結(jié)合可將設(shè)計思維正確與否得到準(zhǔn)確的驗證。故探索將模型3D繪圖與加工制造引入機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計中，探索理論計算、設(shè)計繪圖、加工制造“三位一體”的教學(xué)模式。在此教學(xué)模式中，學(xué)生的課程設(shè)計不在單純意義上的設(shè)計計算，設(shè)計模型加工與制造是課程設(shè)計重要的組成部分。以往依據(jù)理論計算，確定零件尺寸與裝配關(guān)系，依據(jù)選材校核零部件的強(qiáng)度與剛度?，F(xiàn)在需要依據(jù)加工單元與材料來考慮所設(shè)計裝置各零件形狀與尺寸，形成了由零件加工形式、模型裝配、零件設(shè)計計算等一體化的設(shè)計加工模式。以一級減速器設(shè)計模型為例，新教學(xué)模式下齒輪、軸的模型設(shè)計需要依據(jù)微型模具加工機(jī)床加工范圍來設(shè)計計算零件的尺寸與材料，箱體模型采用木板裁切、粘拼而成，螺栓組件、軸承、鍵、銷等標(biāo)準(zhǔn)零部件可選配或采用其他材料替代。零部件理論設(shè)計計算、裝置傳動效率計算過程不再是單純的搬套，裝置二維或三維圖形繪制亦無從過度復(fù)制粘帖，且在整個設(shè)計過程中需要多位同學(xué)協(xié)同完成設(shè)計。

5實踐效果

2014年，在機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)單班的課程設(shè)計中應(yīng)用新的教學(xué)模式，課程設(shè)計期間學(xué)生無缺勤現(xiàn)象，且改變了以往小組內(nèi)“吃大鍋飯”的現(xiàn)象，整個小組內(nèi)按照設(shè)計要求分工任務(wù)。經(jīng)問卷調(diào)查表明，學(xué)生對新模式下的機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計滿意度極高。同時，機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的改革也為后期學(xué)生開展大學(xué)生創(chuàng)新試驗與設(shè)計奠定了良好的基礎(chǔ)。機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)改革以來，有效促進(jìn)了機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的建設(shè)與發(fā)展，有效提升了學(xué)校教學(xué)質(zhì)量，逐步形成了以設(shè)計項目為主線組織設(shè)計計算、繪圖、模型制作“三位一體”的新模式。

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作者：李勇 范修文 張宏 單位：塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院