段紅燕 劉洪芹 李朝暉 何貴平

[摘 要]“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”是機(jī)械類專業(yè)的一門基礎(chǔ)專業(yè)技術(shù)課，是后續(xù)專業(yè)課程的良好鋪墊，更是機(jī)械工程技術(shù)人員在生產(chǎn)實(shí)踐中必備的基本技能。從課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面分析了當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中存在的問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題研究了在課外實(shí)施機(jī)械創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)目的教學(xué)方法改革，并加以實(shí)踐。通過(guò)一個(gè)案例說(shuō)明實(shí)施該教學(xué)改革后，學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和工程設(shè)計(jì)能力得到較大的提高。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械設(shè)計(jì);創(chuàng)意設(shè)計(jì);大賽項(xiàng)目

[基金項(xiàng)目]蘭州理工大學(xué)高等研究項(xiàng)目“以‘多維創(chuàng)新為目標(biāo)的機(jī)械類大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽教學(xué)改革路徑探索與實(shí)踐”（GJ2019C-52）

[作者簡(jiǎn)介]段紅燕（1977—），女，河北邯鄲人，博士，蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授，主要從事結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用研究;劉洪芹（1971—），女，山東高唐人，碩士，蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師，主要從事機(jī)械工程研究與應(yīng)用研究;李朝暉（1970—），男，甘肅天水人，本科，蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師，主要從事機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與風(fēng)力機(jī)技術(shù)研究。

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）45-0-03 [收稿日期] 2020-06-05

“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”是工科院校機(jī)械類及近機(jī)械類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)課，它在機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程中起著承前啟后的作用。課程學(xué)習(xí)所奠定的機(jī)械理論基礎(chǔ)是機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生終身學(xué)習(xí)使用的學(xué)術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)變革的動(dòng)力。[1]本課程講授與工程實(shí)踐密切相關(guān)的機(jī)械理論知識(shí)、思維和方法[2，3]。由于對(duì)一些工程實(shí)踐知識(shí)缺乏深度認(rèn)識(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式又重理論輕實(shí)踐[4]，在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生產(chǎn)生了理論與實(shí)踐的距離感，理論知識(shí)的無(wú)用感，導(dǎo)致學(xué)生缺乏扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)的專業(yè)人才不能得到社會(huì)實(shí)踐單位和工程師資質(zhì)的認(rèn)可。因此，探索機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)規(guī)律，進(jìn)行課程改革迫在眉睫。這也是改變教育理念，改變傳統(tǒng)的以課程教學(xué)為產(chǎn)出的必經(jīng)之路。

一、學(xué)生工程設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

根據(jù)教學(xué)計(jì)劃的要求，工科學(xué)生應(yīng)完成兩種形式的工程設(shè)計(jì)：課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)。

（一）課程設(shè)計(jì)

工科院校為每個(gè)重要的專業(yè)課程都做了相對(duì)精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。我校機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與機(jī)械設(shè)計(jì)課程都是設(shè)計(jì)兩級(jí)減速器，設(shè)備設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是夾具設(shè)計(jì)，液壓傳動(dòng)課程設(shè)計(jì)是液壓回路的設(shè)計(jì)。這些課程設(shè)計(jì)的最終實(shí)施方式是繪制整套圖紙（包括裝配圖和零件圖）。最基本的要求是合理結(jié)構(gòu)，正確圖紙，潤(rùn)滑可行，零件尺寸、公差和技術(shù)要求標(biāo)記清楚合理可行。目前，大部分高校的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)學(xué)時(shí)僅為60學(xué)時(shí)左右，有的高校甚至更少。面對(duì)目前的這種情況課程設(shè)計(jì)中，很難達(dá)到上述要求。相當(dāng)一部分學(xué)生的結(jié)構(gòu)裝配圖繪制得很勉強(qiáng)，正確標(biāo)注和制作工藝卡更是困難。后果就是：學(xué)生為了完成設(shè)計(jì)任務(wù)，只能抄書(shū)，不能正確合理的使用運(yùn)算結(jié)果去設(shè)計(jì)繪制圖紙。

（二）畢業(yè)設(shè)計(jì)

工科院校實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)最為重要的就是畢業(yè)設(shè)計(jì)，是學(xué)生畢業(yè)前夕總結(jié)性地獨(dú)立作業(yè)，綜合運(yùn)用所學(xué)理論、知識(shí)和技能，提高學(xué)生獨(dú)立工作能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)，是培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力的重要途徑。通過(guò)對(duì)學(xué)生以往多年來(lái)的畢業(yè)設(shè)計(jì)的分析，主要存在以下問(wèn)題。

1.確定畢業(yè)設(shè)計(jì)課題后，進(jìn)入課題的時(shí)間較長(zhǎng)。畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目來(lái)源于實(shí)際工程，學(xué)生對(duì)工程背景了解甚少，致使確定設(shè)計(jì)方案的時(shí)間較長(zhǎng);如何用工程語(yǔ)言精準(zhǔn)表達(dá);圖紙繪制相對(duì)困難等。導(dǎo)致方案出不來(lái)，后續(xù)工作無(wú)法再正常開(kāi)展。

2.創(chuàng)新意識(shí)不強(qiáng)。由于遲遲確定不了設(shè)計(jì)方案，再加上畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間緊張，教師不得不“填鴨式”教學(xué)。教師在指導(dǎo)過(guò)程中，不由自主地把自己的設(shè)計(jì)理念和思路傳遞給學(xué)生，學(xué)生習(xí)慣性地接受，致使學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)淡薄。

3.畢業(yè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)沒(méi)有起作用。確定畢業(yè)設(shè)計(jì)課題后，學(xué)生們需要去一些工廠進(jìn)行考察。他們不能完全理解制造商提供的工藝圖紙。裝配圖上表達(dá)的結(jié)構(gòu)原理和裝配線只能大致理解。究其原因，在高校制圖教學(xué)中，裝配圖教學(xué)相對(duì)簡(jiǎn)單，加上學(xué)生的工程實(shí)踐較少，知識(shí)面比較窄，對(duì)于復(fù)雜的機(jī)器裝配圖看起來(lái)吃力，識(shí)圖能力較差。

4.圖紙的正確表達(dá)和標(biāo)注存在問(wèn)題。零件圖與裝配圖不一致，因?yàn)榱慵D中表達(dá)的內(nèi)容與裝配圖無(wú)關(guān)。有些學(xué)生隨意標(biāo)注公差，特別是零件圖上的公差要求與裝配圖上的公差要求不符。撰寫(xiě)技術(shù)要求時(shí)，不清楚裝配圖和零件圖的技術(shù)要求表達(dá)重點(diǎn)。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)存在的問(wèn)題分析

作為機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，在教學(xué)中應(yīng)反思存在的問(wèn)題，歸納為以下幾點(diǎn)。

1.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)講授內(nèi)容與工程實(shí)際應(yīng)用存在很大差距。機(jī)械設(shè)計(jì)依據(jù)，是根據(jù)機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、力和能量傳遞方式的要求，各部件的材質(zhì)、形狀和尺寸，潤(rùn)滑方法的概念、分析和計(jì)算，并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述，作為制造工作過(guò)程的依據(jù)。陳舊的授課內(nèi)容，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中很少用到。工程實(shí)際重在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)而非分析。學(xué)生把桿件、齒輪、凸輪和它們的組合理解為機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)分析、力分析等，但在實(shí)際的工程應(yīng)用中，用到的機(jī)構(gòu)大都是傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，學(xué)生對(duì)于實(shí)際的機(jī)械產(chǎn)品沒(méi)有感性認(rèn)識(shí)，所以，應(yīng)補(bǔ)充一些與工程應(yīng)用聯(lián)系較緊密的或?qū)W科前沿知識(shí)。

2.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的各章節(jié)之間比較獨(dú)立，與其他課程結(jié)合少，綜合性不強(qiáng)，對(duì)學(xué)生工程實(shí)際能力的培養(yǎng)不夠。機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論章節(jié)的各章節(jié)之間比較獨(dú)立，大都是理論力學(xué)內(nèi)容的延伸，與機(jī)械類的課程結(jié)合較少，現(xiàn)代創(chuàng)新機(jī)構(gòu)和現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)工具很少涉及，與實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在較大差距。

3.考核制度不完善。機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的考核形式以閉卷為主，幾乎都是對(duì)理論知識(shí)的考核，不利于對(duì)學(xué)生工程實(shí)際能力的培養(yǎng)。

以上問(wèn)題的存在，使得機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)不能與時(shí)俱進(jìn)，導(dǎo)致一定程度上的理論脫離實(shí)際、教學(xué)枯燥、學(xué)習(xí)熱情減退、教學(xué)質(zhì)量下降。

三、機(jī)器創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽與機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)

針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中存在的上述問(wèn)題，開(kāi)展機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)的改革、研究和實(shí)踐。在教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生通過(guò)課余時(shí)間完成作業(yè)，并鼓勵(lì)參加機(jī)器創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽，經(jīng)層層選拔，直至參加全國(guó)性的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽和全國(guó)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練挑戰(zhàn)賽”等。在課程的第一堂課即布置大作業(yè)，提出要求，讓學(xué)生明確任務(wù)，比如：要完成機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制硬件，并編寫(xiě)控制程序，其中包括功能分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算、電控圖和程序等。

教師根據(jù)每屆的大賽主題制定題目，也可以由學(xué)生自主選題，教師進(jìn)行指導(dǎo)。學(xué)生則自愿組合，以4～5人為一組完成這項(xiàng)大作業(yè)。通過(guò)這樣的活動(dòng)實(shí)施，迫使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程及科創(chuàng)活動(dòng)的興趣。教育理論家已經(jīng)明確指出，“讓學(xué)生在體驗(yàn)和創(chuàng)造的過(guò)程中學(xué)習(xí)是最有效的學(xué)習(xí)方法”[5]。在完成作業(yè)的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)具體的問(wèn)題需要學(xué)生解決。通過(guò)解決問(wèn)題的過(guò)程體驗(yàn)，可以激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)習(xí)興趣。探索解決問(wèn)題的方法，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造熱情和創(chuàng)新能力。

近年來(lái)，通過(guò)對(duì)競(jìng)賽難度和內(nèi)容的不斷改革，以及對(duì)學(xué)生的艱苦指導(dǎo)，涌現(xiàn)出了許多優(yōu)秀作品：如學(xué)生制作的多功能行走輪椅車獲得甘肅省第六屆挑戰(zhàn)杯一等獎(jiǎng)，自制車模在第八屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽中獲得全國(guó)總決賽二等獎(jiǎng)，舞蹈機(jī)器人在“中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開(kāi)賽”舞蹈機(jī)器人大學(xué)組競(jìng)賽中獲得一等獎(jiǎng)等，這些好成績(jī)是在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中引入機(jī)器創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)目完成的，學(xué)生對(duì)參與競(jìng)賽和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的興趣濃厚，使他們對(duì)學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課的熱情越來(lái)越高，大大提高了他們的綜合科技制作能力。

四、具體案例分析—升降移動(dòng)式護(hù)理輪椅車的設(shè)計(jì)

下面以升降移動(dòng)式護(hù)理輪椅車（該產(chǎn)品申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利）為例，在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)中引入機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽，促進(jìn)了教學(xué)的發(fā)展，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。在學(xué)習(xí)了連桿機(jī)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)后，項(xiàng)目組學(xué)生通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，確立了對(duì)現(xiàn)有輪椅車進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)的目標(biāo)。

該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)背景是：目前市場(chǎng)上提供的輪椅，主要功能是為殘疾人解決行走問(wèn)題，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。然而，如何解決將殘疾患者從床上移到輪椅上或從輪椅移到床上的問(wèn)題，是殘疾人或行動(dòng)困難患者護(hù)理中的難點(diǎn)。由于殘疾人或偏癱患者沒(méi)有自理能力，他們經(jīng)常需要兩個(gè)或更多的人來(lái)解決上下輪椅的問(wèn)題。

該產(chǎn)品的創(chuàng)新之處在于使用螺旋機(jī)構(gòu)和四桿機(jī)構(gòu)，輪椅的高度可以根據(jù)患者的需要進(jìn)行調(diào)整。它可以放下輪椅，通過(guò)椅面、椅背和輔助導(dǎo)軌形成擔(dān)架式雙軌移動(dòng)機(jī)構(gòu)，方便患者上下輪椅。升降移動(dòng)式護(hù)理輪椅車的結(jié)構(gòu)造型圖如圖1所示，升降移動(dòng)式護(hù)理輪椅車原理圖如圖2所示，升降移動(dòng)式護(hù)理輪椅車的工作狀態(tài)示意圖如圖3所示。

1.前導(dǎo)向輪;2.前導(dǎo)向輪鎖緊機(jī)構(gòu);3.腳踏板;4.大車輪鎖緊裝置;5.升降機(jī)構(gòu);6.坐墊平移機(jī)構(gòu);7.座椅;8.扶手;9.靠背;10.靠背角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);11.大車輪及手輪;12.座椅平移機(jī)構(gòu);13.輪椅支架。

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)的幾部分知識(shí)：螺旋機(jī)構(gòu)、四桿機(jī)構(gòu)、機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以上是該機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)用制作技術(shù)。一個(gè)好的作品就是一堂生動(dòng)的機(jī)械原理課。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，參與該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，不僅可以鞏固和提高機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，還可對(duì)其他相關(guān)的專業(yè)課程進(jìn)一步學(xué)習(xí)，理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及寫(xiě)作能力也得到鍛煉。

五、結(jié)語(yǔ)

本文從課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面分析了機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中存在的問(wèn)題。例如，現(xiàn)有的教學(xué)方法多注重專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，缺乏創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維和實(shí)踐應(yīng)用能力。淺析機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽項(xiàng)目的教學(xué)方法改革在專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用。學(xué)生通過(guò)參與諸如此類的大賽項(xiàng)目的制作，“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程所講授的各類普通機(jī)構(gòu)在實(shí)物生產(chǎn)中靈活運(yùn)用，因此綜合能力也會(huì)提升。

在當(dāng)前形勢(shì)下，為更好地培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)技術(shù)人才，提高綜合技能。機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容都需要進(jìn)行課程教學(xué)改革。在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)中引入機(jī)器創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)目，對(duì)于提高機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)效果和提升學(xué)生創(chuàng)新能力大有好處，該教學(xué)方法值得推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]張毅杰，施杰，孔令瓊.面向新工科機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程體系的DTPC教學(xué)模式研究[J].農(nóng)業(yè)教育研究，2019（2）：30-34.

[2]于靖軍，郭衛(wèi)東，陳殿生.面向工程教育的STEP教學(xué)模式[J]. 高等工程教育研究，2017（4）：73-77.

[3]邊宇樞，楊洋，郭衛(wèi)東.機(jī)械設(shè)計(jì)綜合實(shí)踐課教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2018（1）：44-46.

[4]徐春明，周艷，孫瑛，等.基于“卓越計(jì)劃”的《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].教育教學(xué)論壇，2019（5）：269-272.

[5]張堯成，楊莉，戴軍.應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程改革淺談[J].課程教育研究，2015（2）：226-227.

Analysis on the Teaching Reform of "Fundamentals of Mechanical Design"：

Taking Machine Creative Design Contest as an Example

DUAN Hong-yan， LIU Hong-qin， LI Zhao-hui， HE Gui-ping

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Lanzhou University of Technology，

Lanzhou， Gansu 730050， China）

Abstract： Fundamentals of Mechanical Design is a basic professional technology course for machine related majors， which is not only a good follow-up course but also provides necessary practical techniques for Chinese technical personnel of mechanical engineering. This article analyses the existing problems of this course from two aspects including course design and graduation project. In terms of addressing the potential existing problems， the participation of Machine Creative Design Contest may play a crucial role in teaching reform. This article studies a case， which illustrates that students' innovative design and engineering design ability are greatly improved after the implementation of the teaching reform.

Key words： mechanical design; creative design; competition project