蔣亮 郭永信 孫雪

摘要：新工科教育背景下，對教學(xué)改革和人才培養(yǎng)過程提出了更高要求。本研究針對當(dāng)前地方應(yīng)用型本科高校機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的現(xiàn)狀及存在的問題，從豐富課程題目設(shè)計、運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計工具、強(qiáng)化過程管理、建立全面考核機(jī)制等方面討論了機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)改革的可行辦法。以期提高課程設(shè)計的教學(xué)效果，強(qiáng)化學(xué)生工程意識，激發(fā)學(xué)生參加工程實踐活動的熱情，為其他工科課程設(shè)計教學(xué)改革提供借鑒。

關(guān)鍵詞：新工科；過程管理；考核機(jī)制；工程意識

機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計是工科院校機(jī)械類專業(yè)及近機(jī)械類專業(yè)必修的一門重要實踐課程，注重學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，其基礎(chǔ)性、實踐性和綜合性等特點(diǎn)十分突出［12］。課程設(shè)計作為一門實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對其先修課程要求較高，比如：機(jī)械制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、工程材料及成型技術(shù)、互換性與測量技術(shù)等。通過完成課程設(shè)計，不僅可以鞏固學(xué)生對先修課程基本知識和基本理論的理解，而且可以掌握基本的機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計方法和步驟，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計及畢業(yè)后從事機(jī)械相關(guān)工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

然而，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)安排比較集中，一般在2～3周時間內(nèi)完成。通常以二級齒輪減速機(jī)作為設(shè)計目標(biāo)，學(xué)生根據(jù)給定的設(shè)計參數(shù)及傳動形式，完成全部傳動結(jié)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)計算，對傳動件及附屬零件展開設(shè)計，完成總體裝配圖，編制課程設(shè)計說明書［3］。該教學(xué)方式具有良好的教學(xué)效果，但是教學(xué)模式單一，實踐性較差，學(xué)生缺乏主動性和積極性，只需運(yùn)用前期理論知識，按照經(jīng)典理論、經(jīng)典公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行各個零部件的設(shè)計與選型，并未考慮合理性、經(jīng)濟(jì)性等因素。最終，出現(xiàn)繪制的圖紙不完整，零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，裝配困難或者無法進(jìn)行裝配，整臺設(shè)備尺寸過大、質(zhì)量較大等情況，學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實踐能力得不到提升。

與傳統(tǒng)的工科教育相比，新工科教育更注重對學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對于地方應(yīng)用型本科高校而言，以服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)為宗旨，為機(jī)械行業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用研究和開發(fā)的創(chuàng)新人才，學(xué)生實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)顯得更加重要。因此，作為機(jī)械專業(yè)及近機(jī)械類專業(yè)重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在新工科建設(shè)背景下，加強(qiáng)對該機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的建設(shè)，強(qiáng)調(diào)理論與實踐緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的主觀學(xué)習(xí)能動性，提高學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新意識和團(tuán)隊合作精神，達(dá)到知識、能力和素質(zhì)的有機(jī)融合。

1課程設(shè)計的現(xiàn)狀及存在的問題

1.1設(shè)計題目陳舊、缺乏創(chuàng)新

由于減速器的設(shè)計過程涵蓋了機(jī)械設(shè)計課程的基本理論和設(shè)計方法，當(dāng)前，大多數(shù)高校的機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計選擇以二級齒輪減速器為主體的機(jī)械傳動裝置作為設(shè)計課題，具有典型的代表性。具體的設(shè)計內(nèi)容主要包含：零件、箱體的設(shè)計，完成零件圖、裝配圖的繪制以及說明書的編寫［4］。但是，傳統(tǒng)的課程設(shè)計題目和給定參數(shù)多年不變，而且網(wǎng)絡(luò)參考資料眾多，學(xué)生只需要查手冊、套公式，完成設(shè)計說明書即可，這就導(dǎo)致了相互借鑒的現(xiàn)象。對于課程設(shè)計中涉及的裝配體結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系和運(yùn)動關(guān)系等方面知識缺乏主動學(xué)習(xí)的積極性，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。此外，傳統(tǒng)課程設(shè)計題目與專業(yè)后續(xù)課程、畢業(yè)設(shè)計沒有太大的關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)致學(xué)生對該課程的重要性認(rèn)識不足，達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)要求和課程設(shè)計目的。

1.2設(shè)計方法和手段落后

課程設(shè)計中涉及多種零部件的參數(shù)計算，如齒輪傳動、軸、軸承等零件。大多數(shù)計算仍采用手工計算，其計算量較大，效率較低，對學(xué)生基礎(chǔ)知識和能力的要求較高。同時，同類設(shè)計對象的步驟相同，重復(fù)性的計算工作較多，導(dǎo)致學(xué)生很難在規(guī)定的時間內(nèi)完成設(shè)計任務(wù)，出現(xiàn)錯誤也不易察覺與糾正。此外，設(shè)計過程中涉及零件圖和裝配圖的繪制，傳統(tǒng)的課程設(shè)計多采用手工繪圖，這種制圖方式所占課程時間比例較大，嚴(yán)重影響設(shè)計效率和課程設(shè)計進(jìn)度，也影響了學(xué)生對課程設(shè)計的積極性。機(jī)械類教學(xué)質(zhì)量國標(biāo)中要求“具有在機(jī)械工程實踐中選擇、運(yùn)用相應(yīng)技術(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具的能力?！蓖瑫r，提出機(jī)械工程專業(yè)核心知識領(lǐng)域要求包括“計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)”［5］。因此，學(xué)校應(yīng)該加強(qiáng)普及計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，使學(xué)生熟悉先進(jìn)的設(shè)計方法和手段，增加學(xué)生的設(shè)計積極性，提高課程設(shè)計的效率和質(zhì)量，使學(xué)生滿足“新工科”背景下就業(yè)市場的需求。

1.3組織管理不足

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計采用集中安排2～3周的授課方式，在課程設(shè)計過程中會穿插各種考試，學(xué)生無法集中精力于課程設(shè)計，導(dǎo)致學(xué)生無法在較短的規(guī)定時間內(nèi)保質(zhì)保量地完成設(shè)計目標(biāo)，限制了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，每個教學(xué)班通常只有一位指導(dǎo)教師，需要指導(dǎo)20～30名以上的學(xué)生，教師資源嚴(yán)重不足。在課程初期，由指導(dǎo)教師分配設(shè)計任務(wù)，在整個設(shè)計過程起到監(jiān)督管理的作用，課程設(shè)計結(jié)束后，學(xué)生按時提交設(shè)計說明書等相關(guān)材料即可［6］。然而，每位學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和能力存在不同，在課程設(shè)計中需要解決的問題也各不相同，在這種非一對一指導(dǎo)的設(shè)計過程中，很難保障每位學(xué)生得到有效的指導(dǎo)，影響學(xué)生的設(shè)計效果和設(shè)計進(jìn)度，最終導(dǎo)致學(xué)生無法按時完成課程設(shè)計。同時，指導(dǎo)教師不定期抽查，無法精準(zhǔn)把握學(xué)生課程設(shè)計的進(jìn)度和知識點(diǎn)的掌握程度。有限的教學(xué)資源導(dǎo)致教師組織管理不足、學(xué)生學(xué)習(xí)差異的現(xiàn)象進(jìn)一步擴(kuò)大，最終成績呈現(xiàn)兩極分化現(xiàn)象。

1.4考核單一

指導(dǎo)教師對課程設(shè)計的考核方式過于簡單，僅僅根據(jù)學(xué)生最終的圖紙和課程設(shè)計說明書等紙質(zhì)材料來評定學(xué)生成績。該考核方式很難真實有效地評價學(xué)生運(yùn)用理論知識開展機(jī)械設(shè)計的工程化能力和水平，考核完全取決于教師的主觀評價，缺乏標(biāo)準(zhǔn)性和透明度，沒有調(diào)動學(xué)生的積極性，違背了課程設(shè)計教學(xué)的初衷［7］。此外，傳統(tǒng)教學(xué)考核方式限制了教學(xué)和評估的本質(zhì)，僅僅注重理論學(xué)習(xí)結(jié)果的評價，忽略了學(xué)生在課程設(shè)計中體現(xiàn)出來的創(chuàng)造性、團(tuán)隊合作能力以及責(zé)任感等難以被量化的成果。教育部所印發(fā)的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》文件中強(qiáng)調(diào)了教學(xué)環(huán)節(jié)中的考核應(yīng)加大過程考核成績在總成績中的比重，從而真實有效地評價學(xué)生工程化能力和水平［89］。因此，急需制定全面的課程評價體系，提高對學(xué)生的綜合能力水平的考核。

2改革措施

2.1豐富課程設(shè)計題目

在新工科背景下，以學(xué)生專業(yè)能力培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)、落腳點(diǎn)，適當(dāng)擴(kuò)大選題范圍，豐富機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的題目，對傳統(tǒng)減速器題目進(jìn)行更新替代。課程設(shè)計的選題來源很廣，主要來源于教師科研課題、機(jī)械類相關(guān)競賽和企業(yè)項目等方面［10］。首先，高校教師具有扎實的專業(yè)理論基礎(chǔ)，指導(dǎo)教師從自身科研項目中篩選出具有較好代表性的課程設(shè)計題目，將課程設(shè)計題目從一般用途的減速器改為高鐵、機(jī)器人、風(fēng)機(jī)等使用的減速箱或者增速箱。其次，以學(xué)科競賽為驅(qū)動，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新和主動設(shè)計的學(xué)習(xí)興趣，比如機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽、挑戰(zhàn)杯競賽和全國機(jī)器人大賽等。將競賽內(nèi)容轉(zhuǎn)化為課程設(shè)計內(nèi)容，豐富課程設(shè)計題目，從傳統(tǒng)的命題式設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)楦傎愹?qū)動的探究式學(xué)習(xí)。最后，校企實踐基地可以為課程設(shè)計提供新的設(shè)計方向，以企業(yè)項目任務(wù)為驅(qū)動，由高校教師與企業(yè)工程師共同指導(dǎo)，加深學(xué)生對現(xiàn)有產(chǎn)品及技術(shù)的認(rèn)知，形成對復(fù)雜工程的系統(tǒng)視野。

此外，設(shè)置不同難度等級的課程設(shè)計題目，學(xué)生根據(jù)自身專業(yè)水平自選或者自行設(shè)計題目，指導(dǎo)教師經(jīng)過探討、分析、調(diào)整、修改后確定最終選題，確保題目具有可操作性，解決設(shè)計題目單一化問題，滿足不同層次學(xué)生在課程設(shè)計過程中各方面能力鍛煉要求。這樣不僅可以保障課程設(shè)計任務(wù)的順利完成，而且可以提高學(xué)生理論運(yùn)用能力及創(chuàng)新能力。

2.2融入現(xiàn)代設(shè)計方法

當(dāng)前，部分高校已經(jīng)開展現(xiàn)代設(shè)計方法在機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計中的應(yīng)用研究，比較常用的就是計算機(jī)輔助設(shè)計，如CAD二維制圖及三維建模，但是對于運(yùn)動仿真的分析不足，后期應(yīng)要求學(xué)生利用三維軟件完成整個課程設(shè)計建模及組裝，并開展運(yùn)動仿真的研究，也可借助學(xué)校實驗室進(jìn)行3D打印，開展實體裝配。傳統(tǒng)課程設(shè)計按照公式對軸等零部件進(jìn)行校核，但是計算量較大，容易出現(xiàn)錯誤，對于較復(fù)雜的局部位置的應(yīng)力強(qiáng)度難以精確校核。可以通過有限元仿真對零部件展開分析，特別是應(yīng)力集中處的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行精確校核。當(dāng)然，鑒于學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和專業(yè)水平不同，可以分小組形式開展有限元分析或者選擇具有代表性的零件進(jìn)行仿真分析。此外，可以通過ANSYS、MATLAB等具有優(yōu)化模塊的軟件開展機(jī)械優(yōu)化設(shè)計，如進(jìn)行成本、壽命、體積和重量等多目標(biāo)的優(yōu)化，此環(huán)節(jié)存在一定難度，作為選做任務(wù)［1112］。課程設(shè)計融入現(xiàn)代設(shè)計方法，加強(qiáng)學(xué)生對現(xiàn)代化設(shè)計技術(shù)手段的應(yīng)用，同時可以加深學(xué)生對整個機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計過程的直觀認(rèn)識和深入理解。

2.3科學(xué)組織及強(qiáng)化過程管理

課程設(shè)計基于項目教學(xué)法展開教學(xué)，將課程設(shè)計分成若干個項目單元融于教學(xué)環(huán)節(jié)中。課程初期，學(xué)生自由組隊，形成一個3～5人的小組并確定組長，組長配合教師統(tǒng)籌負(fù)責(zé)小組設(shè)計工作。課程設(shè)計過程中涉及多個方面的內(nèi)容，比如：設(shè)計手冊的查閱、零部件的設(shè)計及校核、零件圖和裝配圖的繪制、三維建模仿真、答辯PPT制作及匯報等工作，學(xué)生根據(jù)自己的專業(yè)水平及興趣選擇相應(yīng)工作，并建立甘特圖，以時間順序顯示所要完成的工作，并及時更新任務(wù)進(jìn)程。盡管每人獨(dú)立負(fù)責(zé)其中的某一部分工作，但是仍然強(qiáng)調(diào)小組成員之間的相互溝通、相互配合以及相互監(jiān)督，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作設(shè)計能力和團(tuán)隊精神。為了充分發(fā)揮教師在課程設(shè)計過程中的指導(dǎo)及管理作用，為學(xué)生選定專用教室，定期檢查學(xué)生出勤情況。嚴(yán)格的出勤管理可以確保學(xué)生在課程設(shè)計過程中投入充足的時間，加強(qiáng)學(xué)生對課程設(shè)計的重視程度。不定期安排線下集中輔導(dǎo)和線上單獨(dú)解答環(huán)節(jié)，可以及時糾正學(xué)生在課程設(shè)計中的錯誤，精準(zhǔn)掌握學(xué)生的設(shè)計進(jìn)度，督促學(xué)生按照時間節(jié)點(diǎn)完成相應(yīng)的設(shè)計任務(wù)，還能根據(jù)每次的檢查結(jié)果判斷學(xué)生是否獨(dú)立完成相應(yīng)的設(shè)計工作，作為后期課程成績的評定依據(jù)。

2.4建立全面的課程評價體系

課程設(shè)計的考核評價綜合考慮設(shè)計過程、設(shè)計成果、答辯評分和組內(nèi)互評成績，分別占總評成績的20%、50%、20%和10%。設(shè)計過程主要考慮平時的考勤情況、項目節(jié)點(diǎn)完成情況以及解決問題的合理性等方面；設(shè)計成果包含傳統(tǒng)的零件圖和裝配體圖紙以及設(shè)計說明書，重點(diǎn)考核設(shè)計的合理性、創(chuàng)新性、圖紙的完整性和設(shè)計說明書的規(guī)范性；強(qiáng)化課程答辯所占比例，邀請具有豐富教學(xué)經(jīng)驗的指導(dǎo)教師參與答辯，以小組的形式逐一進(jìn)行答辯審查，指導(dǎo)教師根據(jù)圖紙和說明書提出問題，并給出修改意見，同時對每個小組及成員在答辯時的陳述表達(dá)能力給予一定打分，客觀評定學(xué)生對理論知識的掌握情況，在考核評價中加入組內(nèi)互評成績，每個小組成員根據(jù)組員在設(shè)計過程中的表現(xiàn)和貢獻(xiàn)進(jìn)行打分，計入總成績［6，13］。采用全面的課程評價體系，可以較好地考核學(xué)生在課程設(shè)計過程中的綜合表現(xiàn)，避免出現(xiàn)個別學(xué)生在課程設(shè)計過程中貢獻(xiàn)不足，最終卻憑借紙質(zhì)材料獲得較高得分的情況發(fā)生。

結(jié)語

機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計強(qiáng)調(diào)理論和實踐的有機(jī)結(jié)合，注重學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計無法滿足新工科建設(shè)理念，存在以下問題：設(shè)計題目陳舊、缺乏創(chuàng)新、設(shè)計方法和手段落后、組織管理不足以及課程考核單一，課程改革迫在眉睫。為了滿足新工科建設(shè)對學(xué)生機(jī)械設(shè)計能力的培養(yǎng)要求，以學(xué)生專業(yè)能力培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)、落腳點(diǎn)，適當(dāng)擴(kuò)大選題范圍，豐富機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計的題目；融入計算機(jī)輔助設(shè)計、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計三種現(xiàn)代設(shè)計方法，提高學(xué)生設(shè)計能力；基于項目教學(xué)法強(qiáng)化過程管理，提高課程設(shè)計的實施效果；最終，建立全面的課程評價體系，更加科學(xué)、有效、合理地評價學(xué)生課程成績。

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基金項目：江蘇省高等學(xué)?；A(chǔ)科學(xué)（自然科學(xué)）研究項目（22KJB460039）；“太湖之光”科技攻關(guān)（基礎(chǔ)研究）（K20221048）；無錫市科協(xié)軟科學(xué)研究課題（KX22B45）

作者簡介：蔣亮（1987—），男，漢族，江蘇淮安人，博士，高級工程師，研究方向：空泡動力學(xué)、工業(yè)裝備研發(fā)與智慧運(yùn)維。

*通訊作者：郭永信（1989—），男，漢族，山東菏澤人，博士，講師，研究方向：精密制造技術(shù)及摩擦學(xué)。