機械設(shè)計與制造課程設(shè)計改革淺析

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摘要：文章首先闡述了機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計的必要性，然后分析了當前機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計體系及其存在的問題，最后論述了機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計改革路徑。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計；慧魚模型；考核評價體系

機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計是一門重要的專業(yè)實踐課程，該課程知識面覆蓋廣、實用性強，一直以來都備受關(guān)注。隨著近年來機械設(shè)計與制造行業(yè)的快速發(fā)展，市場對相關(guān)人才的要求有所提高。在此背景下，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、創(chuàng)新創(chuàng)造性，加強學(xué)生的實踐技能，鍛煉學(xué)生的團隊合作精神，教師有必要實施機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計改革。

一、機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計的必要性

機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計是機械設(shè)計及其自動化、機械電子工程和車輛工程專業(yè)非常重要的一門實踐課，它是專業(yè)理論課程教學(xué)后對所學(xué)知識和技能的一次綜合運用，也是培養(yǎng)學(xué)生工程系統(tǒng)設(shè)計思想和工程實踐能力的途徑之一，可為學(xué)生進行畢業(yè)設(shè)計和將來從事機械專業(yè)工作打下堅實的基礎(chǔ)。開展機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計的必要性主要體現(xiàn)在以下三個方面。

（一）學(xué)生缺乏對專業(yè)的認識

雖然輔導(dǎo)員在新生入學(xué)時會對學(xué)生進行專業(yè)教育，介紹人才培養(yǎng)目標、專業(yè)培養(yǎng)計劃、主要課程設(shè)置及其原則，并且會就就業(yè)方向問題進行說明。教師在授課前也會對每門課程的教學(xué)大綱進行介紹，說明該門課程的目的、任務(wù)及專業(yè)地位。但是大部分學(xué)生對自己的專業(yè)仍沒有足夠的了解，時常會問：“學(xué)了這門課程有什么用呢？這些理論能解決什么問題？做這些作業(yè)對以后找工作有用嗎？以后工作會用到嗎？我們這個專業(yè)畢業(yè)以后都能去什么企業(yè)工作呢？”換言之，大部分學(xué)生不明白本專業(yè)與實際工作崗位的聯(lián)系，甚至有些學(xué)生不理解本專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和專業(yè)課程設(shè)置。即使在教師的耐心解答下，學(xué)生對專業(yè)的認識還是不夠系統(tǒng)和全面。

（二）學(xué)生缺乏對不同專業(yè)課程之間聯(lián)系的了解

機械設(shè)計及其自動化、機械電子工程和車輛工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程有機械原理、機械設(shè)計、機械制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機電傳動控制、單片機原理及應(yīng)用等。教師在教學(xué)過程中只是根據(jù)教學(xué)大綱講解課程的知識，很少從專業(yè)角度系統(tǒng)地向?qū)W生介紹各門課程之間的聯(lián)系。學(xué)生對每門課程也是進行獨立的學(xué)習(xí)，很少有機會運用幾門課程的理論知識去解決一個問題，因而難以系統(tǒng)全面地了解專業(yè)體系。根據(jù)專業(yè)方向的不同，學(xué)生在學(xué)完所有基礎(chǔ)理論課程后還會進行相應(yīng)的專業(yè)方向課程設(shè)計，如機器人產(chǎn)業(yè)班的學(xué)生會進行機器人課程設(shè)計、機械原理授課結(jié)束后教師會安排學(xué)生進行機械原理課程設(shè)計、機械設(shè)計授課結(jié)束后教師會安排學(xué)生進行機械設(shè)計課程設(shè)計[1]。但是目前的教學(xué)過程中，這三個課程設(shè)計是獨立設(shè)置的實踐環(huán)節(jié)，內(nèi)容上沒有關(guān)聯(lián)。機械原理課程設(shè)計是根據(jù)給定的生產(chǎn)率和電機參數(shù)設(shè)計平臺印刷機或平壓印刷機的傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)，并根據(jù)工藝動作要求確定運動循環(huán)圖；機械設(shè)計課程設(shè)計是根據(jù)給定參數(shù)設(shè)計一個二級齒輪減速器，繪制零件圖和裝配圖，并進行運動分析；專業(yè)課程設(shè)計是根據(jù)專業(yè)方向開展的，而按照這樣的教學(xué)安排，學(xué)生難以系統(tǒng)地掌握機械原理、機械設(shè)計和專業(yè)課程的基本概念和理論方法。對此，融合機械原理、機械設(shè)計和專業(yè)課程的綜合課程設(shè)計，能夠促使學(xué)生連貫地和全面地運用所學(xué)課程的理論和方法系統(tǒng)地解決工程實踐問題，提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力和系統(tǒng)設(shè)計能力。

（三）學(xué)生缺乏理論與實際結(jié)合的實踐機會

基于目前的課程設(shè)置，學(xué)生可能學(xué)習(xí)了十幾門的理論課程，但是課程設(shè)計類的實踐課程卻只有兩三門，這種設(shè)置導(dǎo)致理論與實踐嚴重脫節(jié)。當前，高校的教學(xué)手段比較單一，以教師課堂授課為主，學(xué)生學(xué)習(xí)變成了應(yīng)付考試，忽略了將理論應(yīng)用于實踐的訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生不僅知識面窄、自學(xué)能力差，同時發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力較弱。有些學(xué)生盡管具備了良好的專業(yè)基礎(chǔ)知識，但由于缺乏實踐的機會，工程創(chuàng)新意識和工程設(shè)計能力比較薄弱，不能自主地參與一些工程實踐課的學(xué)習(xí)[2]。另外，在機械原理課程設(shè)計和機械設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)中，學(xué)生往往獨立完成教師布置的選題，學(xué)生之間缺乏團隊合作的機會，導(dǎo)致其綜合運用專業(yè)知識解決一個系統(tǒng)工程問題的能力得不到鍛煉。因此，教師很有必要以小組為單位開展綜合課程設(shè)計，鍛煉學(xué)生以團隊合作精神系統(tǒng)全面地解決工程問題的能力。針對以上問題，在機械設(shè)計及其自動化、機械電子工程和車輛工程專業(yè)開展綜合課程設(shè)計，可促使學(xué)生更深入地理解專業(yè)知識，提高學(xué)生綜合運用專業(yè)知識解決實際問題的能力，提升本科教學(xué)質(zhì)量。

二、當前機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計體系

（一）目的和任務(wù)

教師實施綜合課程設(shè)計，可使學(xué)生將所學(xué)的課本理論知識和工程實踐相結(jié)合，綜合運用理論知識解決實際的工程問題，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，鍛煉學(xué)生的設(shè)計能力，從而將學(xué)生培養(yǎng)成能夠運用有關(guān)課程基礎(chǔ)理論和技能解決實際問題的人才。綜合課程設(shè)計是進一步提高學(xué)生專業(yè)基本技能和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)之一，通過課程設(shè)計，學(xué)生能在設(shè)計方法方面得到初步訓(xùn)練，能用文字、圖形和現(xiàn)代設(shè)計方法系統(tǒng)地、正確地表達設(shè)計成果。以佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院（以下簡稱“我院”）為例，機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計的任務(wù)如下：在CAD/CAM系統(tǒng)上完成選定塑料件的形狀、尺寸設(shè)計；進行模具材料選擇，型腔設(shè)計；進行刀具及切削參數(shù)選擇，編制出各工序刀具加工參數(shù)表；進行刀具加工模擬；將上述程序進行后置處理，轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機床NC代碼；選擇毛坯和加工方案。

（二）課程特色

機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計跟機械原理課程設(shè)計、機械設(shè)計課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計是有區(qū)別的，它是針對機械設(shè)計及其自動化、機械電子工程和車輛工程專業(yè)的機械原理、機械設(shè)計、機械制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機電傳動控制、單片機原理及應(yīng)用等幾門專業(yè)基礎(chǔ)課程而展開的，其以生活中的機械產(chǎn)品為設(shè)計對象，覆蓋了機構(gòu)設(shè)計、力學(xué)分析、機械制圖等知識。該門課程的重點是鍛煉學(xué)生的設(shè)計水平、分析能力和綜合運用能力，激發(fā)學(xué)生的工程系統(tǒng)思維。因此，綜合課程設(shè)計的開展要始終貫徹系統(tǒng)設(shè)計理念，運用現(xiàn)代設(shè)計理論及方法解決機械產(chǎn)品設(shè)計問題，促使學(xué)生掌握機械產(chǎn)品設(shè)計的規(guī)律，從而達到理論知識與實踐緊密結(jié)合的效果。

（三）基本要求

機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計應(yīng)安排在大三第二學(xué)期，在學(xué)生修完了專業(yè)基礎(chǔ)課、機械原理課程設(shè)計、機械設(shè)計課程設(shè)計后進行。教師應(yīng)要求學(xué)生綜合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課程的理論知識和兩門課程設(shè)計的實踐經(jīng)驗，解決工程中的機械產(chǎn)品設(shè)計問題，掌握機械產(chǎn)品設(shè)計的一般規(guī)律，學(xué)會運用計算機輔助設(shè)計軟件繪制機械產(chǎn)品的零件圖和裝配圖，并熟悉零部件的工藝流程和安全技術(shù)。

（四）選題方式

綜合課程設(shè)計能否達到預(yù)期的目的，關(guān)鍵在于選題，因為有了一個合適的選題才能讓學(xué)生的能力得到充分發(fā)揮。目前的綜合課程設(shè)計選題大部分是教師指定給學(xué)生的，以我院為例，機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計教師經(jīng)常指定給學(xué)生的選題之一是塑料模具CAD/CAM，該選題對學(xué)生的機構(gòu)分析能力、模具設(shè)計能力、三維軟件繪圖能力等的訓(xùn)練較好，但工藝性單一，對機械原理與機械設(shè)計的理論運用較少，更重要的是難以做出實物，導(dǎo)致學(xué)生的工程實踐能力還是得不到足夠的鍛煉。

（五）課程實施

以我院為例，機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計共計5周，分為以下六個方面的內(nèi)容。第一，布置任務(wù)，溫習(xí)有關(guān)模具及CAD/CAM軟件使用知識，熟悉設(shè)計內(nèi)容，共計2天。第二，在CAD/CAM軟件上進行工件設(shè)計、上下模模具設(shè)計，共計6天。第三，選定刀具及切削參數(shù)，編制各工序刀具加工參數(shù)表，共計8天。第四，調(diào)試好上述參數(shù)表，使之可在MasterCAM進行模擬加工，共計4天。第五，熟悉應(yīng)用的數(shù)控機床，對程序進行后處理，轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機床NC代碼，共計2天。第六，撰寫設(shè)計設(shè)明書，準備答辯，共計3天。

（六）課程考核評價

機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計成績由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生在課程設(shè)計期間的工作態(tài)度、課程設(shè)計任務(wù)的完成情況、設(shè)計說明書的水平及對相關(guān)知識能力的掌握情況進行綜合評定。課程設(shè)計的成績采用百分制記分，具體成績評定標準為能否獨立完成設(shè)計工作、是否體現(xiàn)一定的創(chuàng)新能力、設(shè)計是否符合規(guī)范、說明書是否規(guī)范化、圖面是否清晰、有無違紀情況等。

三、當前機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計存在的問題

（一）選題

當前，機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計的選題由指導(dǎo)教師指定，設(shè)計題目更新較慢，有的題目可能已經(jīng)用了五六年，很容易造成學(xué)生模仿或互相抄襲的問題。而且老舊的選題可能已經(jīng)跟不上社會發(fā)展的步伐了，跟市場需求聯(lián)系不夠緊密[3]。更重要的是，當前的選題只是針對學(xué)生獨立完成，往往局限于設(shè)計一些簡單的機械產(chǎn)品，難以鍛煉學(xué)生的工程系統(tǒng)思維、綜合運用能力和團隊合作精神，這個情況跟現(xiàn)在的企業(yè)人才需求相脫節(jié)，難以引起學(xué)生的興趣。

（二）課程實施方式

當前的機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計的實施方式比較單一，教師指定選題后，讓學(xué)生根據(jù)任務(wù)書上的任務(wù)要求和時間安排開展，實施方式太單一，難以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識、團隊合作和實踐能力。同時，當前的時間安排過度固化，不利于強調(diào)綜合性的應(yīng)用型選題的實施。而當前課程實施方式之所以存在不足，主要是因為教師過多地考慮課時和教學(xué)任務(wù)的要求，未能從學(xué)生實際出發(fā)探究課程實施方式。

（三）考核評價體系

當前的考核評價體系只是指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、設(shè)計說明書內(nèi)容進行評價，這樣做的結(jié)果就是忽略了學(xué)生在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題能力的培養(yǎng)，同時學(xué)生查閱文獻的能力、通過現(xiàn)代計算機輔助設(shè)計手段解決問題的能力、溝通交流學(xué)習(xí)的能力等在評價體系中也得不到體現(xiàn)，跟教學(xué)目的有出入。因此，筆者認為應(yīng)該設(shè)計一種多元化的評價體系。

四、機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計改革路徑

（一）選題多樣化

機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計的選題應(yīng)由原來教師指定選題向選題方式多樣化轉(zhuǎn)變，由原來學(xué)生單獨完成改成學(xué)生三至五個人組成一個團隊開展。選題主要來自三個方面：一是教師根據(jù)實際工程問題，結(jié)合專業(yè)特點提取出一些綜合性較強的選題供學(xué)生選擇，如自動巡航小車、避障機器人、自動分揀機、貨物搬運小車等；二是教師結(jié)合自己的科研項目，提出一些適合團隊開展的選題[4]，如管道清潔機器人的設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動力學(xué)分析、運動學(xué)分析、運動控制等；三是教師要鼓勵學(xué)生在合適范圍內(nèi)自由選題，從而充分調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力和創(chuàng)新創(chuàng)造意識，讓學(xué)生可以根據(jù)自己的特長選擇合適的題目，如擅長做機構(gòu)優(yōu)化的學(xué)生可以做機械產(chǎn)品傳動機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、擅長做運動控制的學(xué)生可以選一些避障類的選題。這樣不僅可以給學(xué)生充分的想象空間和發(fā)揮空間[5]，同時還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的思考能力。

（二）課程實施方式改革

1.基于慧魚模型的綜合課程設(shè)計。學(xué)生可利用德國慧魚公司的“智能創(chuàng)意教具”模型，設(shè)計、裝配出較有創(chuàng)意的機構(gòu)或機械設(shè)備模型，并在ROBOPro編程環(huán)境下編寫程序，實現(xiàn)對模型工作狀態(tài)的運動控制。期間，學(xué)生可以根據(jù)自身特點選擇不同的語言進行編程，如VB、C#、Lab－VIEW、MATLAB等。由于這是一個系統(tǒng)的工程問題，故學(xué)生需要根據(jù)任務(wù)搭建模型、選擇合適的傳感器或控制器、編寫控制程序、調(diào)試程序、實現(xiàn)正確的運動控制等。這樣的團隊項目可讓學(xué)生有一個充分的發(fā)揮空間，還能鍛煉學(xué)生的溝通能力、合作能力、解決問題的能力。2.基于3D打印技術(shù)的綜合課程設(shè)計。3D打印是快速成型技術(shù)中的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。要將其應(yīng)用到機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計中，具體可先通過計算機輔助設(shè)計（CAD）或計算機動畫建模軟件建模，接著再將建成的三維模型“分割”成逐層的截面，然后保存成特定的文件格式，之后再將其導(dǎo)入用于3D打印的軟件中，接著該軟件將模型分成逐層的界面，從而指導(dǎo)3D打印機逐層打印。實施中，學(xué)生可根據(jù)選題的任務(wù)要求完成機械產(chǎn)品的三維建模，并將在三維建模軟件中建好的模型保存成打印所需的STL格式，然后導(dǎo)入打印軟件中，調(diào)整好打印參數(shù)、數(shù)量與位置后，便可進行打印。對于一些需要做物理實驗的選題，基于3D打印技術(shù)開展綜合課程設(shè)計是一個不錯的方式。學(xué)生不但可以自己制作產(chǎn)品，還能使用產(chǎn)品進行相關(guān)的力學(xué)、運動控制實驗。這種模式不僅鍛煉了學(xué)生的設(shè)計能力、熟練運用三維軟件建模的能力，同時還讓學(xué)生更加直觀地理解了產(chǎn)品的加工工藝。3.基于計算機虛擬仿真技術(shù)的綜合課程設(shè)計。對于一些需要開展機械產(chǎn)品運動學(xué)分析、動力學(xué)分析的選題，綜合課程設(shè)計的條件不足以支持學(xué)生進行相關(guān)的物理實驗。對此，學(xué)生可以借助現(xiàn)代計算機虛擬仿真技術(shù)開展實驗，這有利于學(xué)生掌握現(xiàn)代設(shè)計手段和提高設(shè)計能力，同時鍛煉運用虛擬仿真技術(shù)對系統(tǒng)進行運動分析的能力。目前常見的計算機輔助設(shè)計及分析軟件有Au－toCAD、Solidwords、ProE、MATLAB、ADAMS等。

（三）考核評價體系改革

本文建議采取過程性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合的方式，由學(xué)生自評、小組評價、教師考核組成考核評價體系[6]。一是學(xué)生自評，在總成績中占15%。學(xué)生主要從理論知識的應(yīng)用能力、工程問題分析能力、解決問題能力、計算機輔助工具的設(shè)計能力、閱讀文獻水平、團隊合作水平、書面規(guī)范化表達七個主要方面進行自評。二是小組組長評價組員，在總成績中占15%。組長主要根據(jù)組員的應(yīng)用能力、工程問題分析能力、解決問題能力、計算機輔助工具的設(shè)計能力、閱讀文獻水平、團隊合作水平、溝通能力、項目管理能力、自學(xué)能力等方面進行評價。三是指導(dǎo)教師評價，在總成績中占70%。指導(dǎo)教師根據(jù)選題的創(chuàng)新性、項目工作量、設(shè)計說明書、機械產(chǎn)品的質(zhì)量等方面對學(xué)生進行評價。總之，機械設(shè)計與制造綜合課程設(shè)計通過選題多樣化、課程實施方式多元化和考核評價體系綜合化的改革，為高等學(xué)校應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供了一個新的途徑和參考。新課程體系下的綜合課程設(shè)計，不僅可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造思維和團隊合作精神，還能夠鍛煉學(xué)生的實踐能力，從而更好地達到實踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)目標。

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作者:韋慧玲 單位:佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機電工程與自動化學(xué)院