高校機械設計課程群教學改革--創新人才培養

機械設計課程群包括《機械原理》《機械設計》《機械創新設計》等課程，是應用型高校培養工程技術和應用技術型人才的重要課程。隨著創新創業等內容的實施，目前的教學思想、方法、實驗實踐等內容已不能適應教學要求，因此迫切需要針對機械設計課程群進行教學改革。
　　一、機械設計類課程教學遇到的問題
機械設計類課程教學主要包括理論和實踐教學。理論教學主要包括常用傳動機構的設計及各種常用零件的設計計算等。實踐教學主要包括教學配套實驗和課程設計。最近很多應用型高校已認識到要加強大學生創新能力培養，對機械設計類課程也開展了教學改革，但就教學現狀及效果分析，仍存在一些問題：
（１）機械工程專業相關學科近年來取得了較快的發展，機械設計類課程在教學內容上卻沒有及時更新。機械創新設計近年來出現了較多新型創新設計思路，課堂上卻很少介紹，且機械創新設計課程滯后于機械原理和機械設計課程，因此使得學生所學的課程內容與學科的最新發展脫節，不能適應大學創新人才的培養。
（２）機械設計類課程與工程實際聯系緊密，具有很強的實踐性，目前課程的教學大綱偏向于理論知識的傳授，而對于實踐教學特別是工程實例教學缺乏足夠的重視，不利于學生創新能力的培養。近年來雖然在實踐課程和應用能力課程方面有所加強，但還存在與實際應用脫節、與生產與制造環節脫節、缺少工程實際創新能力培養等方面的問題。
總的來說，機械設計課程類課程存在各門課程銜接、教材案例與工程實際發展需求脫節、教學內容與學科的發展脫節、不能開拓學生創新思維等教學問題，尤其缺少對學生工程實際創新能力的培養，導致目前機械基礎類課程創新設計教學效果不理想。
二、機械設計課程群及課程關聯矩陣的建立
將機械設計類課程，《機械原理》《機械設計》《機械創新設計》《有限元分析》《基于ＡＤＡＭＳ的機械動力學仿真》《優化設計》《創新項目實踐》建立課程群，通過實際產品的創新設計，將整個設計過程分散到各門課程的教學環節中，建立各課程之間的關聯矩陣；針對課程群的實驗和實踐教學內容、教學方法進行改革和嘗試，形成學習、實踐、創新三結合，理實一體化的教學方法，提高學生的創新和實踐能力。
機械原理課主要介紹機械系統運動方案、分析和設計機構，使學生掌握機械系統總體方案創新沒計的初步能力；機械設計課介紹傳動件和軸類零件的設計原理、設計方法和機械設計的一般規律，使學生能夠綜合運用理論知識設計機械系統的能力；機械創新設計課培養學生對機構、結構進行創新設計的方法和能力、以及創造性開發等方法。有限元分析介紹有限元法的基本思想，基于Ａｎｓｙｓ軟件讓學生掌握對機械和機器系統進行結構學分析、溫度場分析、流場分析的能力?；冢粒模粒停拥臋C械動力學仿真課程對機械系統建模和動力學分析，輸出系統的響應和運動副作用力。優化設計課程介紹了最優化理論、滿足給定的約束條件下尋求最優解的方法，使學生掌握優化設計的基本理論及運用軟件進行優化分析等。創新項目實踐以實際項目為載體，由學生根據興趣選題、在教師指導下完成項目并撰寫報名參加答辯，培養學生解決工程項目難題能力的課程。
目前各門課程相對獨立，從系統角度看，這種以講解簡單機構、具體零部件設計準則的教學方式忽視了總體設計的概念；且注重對課本知識講解而忽視對創新能力的培養。為加強機械基礎類課程之間的聯系，需要建立機械設計課程群的概念，須從機械系統設計的角度修訂教學大綱。
為解決機械設計群中各門課程之間的教學內容自成體系、銜接欠佳且不能綜合應用的缺點，機械設計課程群改革將機械原理、機械設計、機械創新設計等相關課程作為課程群進行整體性建設，課程群內容具體包括：機械原理、機械設計、機械創新設計、優化設計、有限元分析、基于ＡＤＡＭＳ的機械動力學仿真、創新項目實踐。
以“機械手”作為產品創新設計的實例，下圖給出了機械設計課程群及課程的關聯矩陣。其中，機械設計課程群以產品創新設計項目為載體，并機械設計課程群內專業課程進行了內容整合和重組，將各門課程依據所要培養的能力劃分為若干模塊，同時將產品創新設計的主線分解為方案設計、方案評價、零件設計、部件與總體設計、結構創新設計、優化設計、制造與測試等內容，貫穿于機械設計課程群內各課程教學的全過程。機械設計課程群內以機械原理、機械設計、創新項目實踐三門課程為主干課程，基于ＡＤＡＭＳ的機械動力學仿真、機械創新設計、有限元分析、優化設計四門課程為輔修課程，通過課程內容的重新設計與整合，建立各相關課程之間的關聯矩陣，修訂教學大綱，進行課程銜接與一體化設計。

圖　機械設計課程群關聯矩陣
機械設計課程群打破傳統從簡單機構、到零件、再到創新設計的教學模式，將實際產品的機構、運動原理、相關零件設計、如何進行創新設計的概念貫穿到每門課中，將課程的具體知識點和機械手的創新設計結合起來，上課之初就布置了產品創新設計的題目。將機械設計課程群所要培養的能力分為五個模塊：基礎理論知識模塊、計算分析模塊、軟件仿真模塊、工程實例實踐模塊和機構創新設計模塊。
下面以機械原理課程為例，介紹五個模塊的內容。
（１）基礎理論知識模塊
以機械中機構的結構和運動為核心，貫穿機器的結構、受力、質量和運動分析，融入機構學學科前沿知識。
（２）分析計算模塊
采用解析法進行機構的分析和設計，培養學生使用科學計算方法，編程進行理論計算。
（３）軟件仿真模塊
對于實際的機構，培訓學生使用三維軟件Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ、ＵＧ建模，在有限元軟件Ａｎｓｙｓ、動力學軟件Ａｄａｍｓ中進行仿真分析。
（４）工程實例實踐模塊
結合校內實驗基地和校外實習基地，以工程實際機構為例，講解機構的組成、運動分析和設計過程。
（５）機構創新設計模塊
介紹基于組合原理創新、變異構型創新設計、再生運動鏈法的創新設計方法，介紹典型機構創新設計的思維方法，培養學生形成創新思維、提高創新能力。
教學過程中，在課程教學初期向學生布置產品創新設計題目，引導學生產品設計題目興趣提交設計題目。歷經三個學期，最終完成產品創新設計題目。
首先，機械原理授課過程中，隨著課程五個模塊的教學進程，同步進行產品方案設計與性能評價，且隨著Ａｄａｍｓ、Ａｎｓｙｓ等軟件的學習，引導學生使用軟件仿真將完成的機構運動方案進行運動學分析，并結合機械創新設計內容進行方案的創新設計，在課程最后一周的課程設計過程中，實現機構運動方案的改進與創新設計。其次，接下來一學期機械設計授課過程中，基于機構運動方案，進行機械零件設計、部件設計與總體設計、結構創新設計。最后，在第三個學期創新項目實踐授課過程中，結合優化設計方法對結構尺寸進行優化設計，然后進行產品的樣機制造與測試，如果測試不通過，還要返回重新修改方案與設計過程，最終提交滿足用戶要求的設計參數與實際產品。
產品設計與各課程的關聯矩陣，如表１所示，給出了產品設計過程、對應的教學課程和具體的知識點的對應關系。

表１　產品設計與各課程的關聯矩陣
　　三、機械設計課程群實驗實踐教學改革
機械設計課程群實驗實踐的教學改革，從實驗、實踐和競賽三個方面進行教學改革。實驗方面，不但有基本演示型、驗證性實驗，另外增加了設計綜合型和創新型實驗，搭建了學生可自主設計實驗的機械創新實驗平臺，培養學生針對實際機械產品綜合分析的能力及創新能力。實踐方面，增加了創新項目實訓內容，對學生創新設計的產品進行優化設計與加工制造、檢測。競賽方面，通過各級創新實驗項目及參加機械設計產品競賽等激發學生參與創新實踐的積極性。實驗實踐教學環節與機械設計課程群各課程的關聯矩陣如表２所示。

表２　實驗實踐教學環節與各課程的關聯矩陣
　　機械設計課程群實驗實踐教學改革具體如下：
（１）目前課程的實驗教學內容大多數為驗證性實驗，不利于學生主動思考問題。為了提高實驗動手能力，增加了創新型實驗和綜合型實驗。建立以機構設計、零部件設計為主線，側重既夯實機械基礎并拓展知識面，又重視工程素質、工程實踐能力，結合“機械創新設計與搭接實驗臺”，設計“機器人及機械手傳動”“復雜傳動系統”等實驗，提高學生創新設計能力的實踐教學思想。將以前純粹的驗證性機械類實驗改革為認知、驗證和綜臺型、創新型實驗，建立包含機械原理、方案設計、結構設計機械優化設計、創新設計為一體的實驗教學環節。
（２）課程設計教學實踐改革，之前的課程設計是在理論課程學習完成后進行，改革后在課程開始時就讓學生選擇課程設計題目，讓學生提前知道本次課程設計的內容，使得學生可以充分的查找相關資料，然后再針對設計內容充分進行設計方案的比較與性能分析，并在教師指導下進行系統設計與驗證工作。
機械原理、機械設計、機械創新設計課程設計的題目結合“機器人傳動系統”“智能自行車傳動系統”的創新設計需求，將“新型機器人傳動系統機構”“新型自行車傳動機構”等作為機械原理課程設計的可選題目，將“機械手傳動系統創新設計”“自行車傳動系統創新設計”作為機械設計課程設計的可選題目，將“機械手傳動系統機構及創新設計”“自行車傳動系統機構及創新設計”作為機械工程基礎課程設計的可選題目。引發學生結合工程實際思考，幫助學生自覺地走向科學的探索和研究中，引導學生解決實際應用技術問題，培養技術技能型創新型人才。
（３）積極組織大學生參加校內和校外的各項創新創業設計大賽，為學生提供創新實驗室空間，激發學生的創新設計興趣，培養學生將所學機械原理、機械設計、機械創新設計等知識運用到解決實際工程的創新設計能力。
　　四、結論
１．將《機械原理》《機械設計》《機械創新設計》等機械設計類課程整合為機械設計課程群，打破傳統從簡單機構、到零件、再到設計的教學模式，將機械系統、機械設計的概念貫穿到每門課中；將“機械手傳動系統”“智能自行車傳動”的機構設計、傳動系統零部件設計、系統運動與動力學分析等貫穿于機械設計課程群的整個教學之中，加強課程之間有效銜接。整合和更新教學內容，建立各課程之間的關聯矩陣、進行課程銜接與一體化設計。
２．將以前純粹的驗證性機械類實驗改革為認知、驗證和綜臺型、創新型實驗，建立包含機械原理、方案設計、結構設計機械優化設計、創新設計為一體的實驗教學環節。結合“機械創新設計與搭接實驗臺”，設計“機器人及機械手傳動”“復雜傳動系統”等綜合型實驗，提高學生創新設計能力。改革課程實踐教學模式，設計題目結合實際機械產品的創新設計需求，培養應用型高校大學生的工程能力以及創新設計能力。
３．通過我校近兩年機械設計課程群的教學改革實施情況，對于提升教學質量、提高大學生的創新和實踐能力方面起到了良好的效果。