機械設計課程設計的三位一體模式研究

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摘要：

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

關鍵詞：機械設計；課程設計；模式；探索

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

1機械設計課程設計教學現狀

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

（1）多數學生對綜合應用所學知識與技能解決實際問題的能力較差，對減速器的結構缺乏認識；

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

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

2機械設計課程設計改革措施

現代經濟社會發(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。機械設計課程設計作為一門機械專業(yè)機械設計綜合知識與技能應用的平臺，是提高學生機械設計與工程素質的重要環(huán)節(jié)。機械設計課程設計的教學目標不僅是為培養(yǎng)學生機械制造與設計的設計過程，也是在培育學生掌握機械產品或機械結構的創(chuàng)新設計思維，以及培養(yǎng)學生對現代機械產品的自主創(chuàng)新設計技術工作的適應能力。針對傳統課程設計的不足，基于培育具備理論設計、實踐加工、理念創(chuàng)新的新型機械設計人才，對機械設計課程設計的實踐教學體系進行探索性改革，具體措施如下：

（1）重組機械設計課程的實踐教學體系。傳統的教學模式下，機械設計的實驗課程開設認識性或驗證性的實驗，主要包括機械零件結構認識現場教學實驗、帶傳動實驗、液壓滑動軸承實驗、軸系部件設計實驗、減速器拆裝實驗等項目。以培養(yǎng)機械設計與制造能力為主線，重組機械設計課程的實踐教學體系，增設實操性實驗，制定新的教學計劃?；趥鹘y的教學模式下，對已有實驗項目做改進增設實踐操作性內容。以帶傳動試驗為例，以往實驗要求學生觀察帶傳動彈性滑動和打滑現象，計算帶傳動的參數，新教學體系在此基礎上增設帶與帶輪的安裝和拆卸。

（2）課程設計內容改革。傳統的教學模式下，機械設計課程設計以設計二級減速器為主，設計內容以理論設計計算為核心。針對課程設計內容實踐性環(huán)節(jié)不足，課程設計選擇相對較為簡單的一級減速器作為設計內容，增設減速器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，此項內容增設依據新大綱模式下機械制圖、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床加工。在新課程設計內容與模式下，安排學生開展為期3周的機械設計課程設計，學生以6~8人為一小組合作完成一級減速器理論設計計算、二維和三維圖繪制、模型制作。新課程設計模式大幅增加了課程設計實踐性環(huán)節(jié)，不僅促進了學生課程設計的興趣，也消除了課程設計片面最求負責機構設計而教學效果不良的現象。

（3）創(chuàng)新環(huán)節(jié)。課程設計選題采取多樣性、靈活性原則，將固定式的減速器設計改變?yōu)閯?chuàng)新與思考結合的裝置設計?；诖藶橥怀稣n程設計的創(chuàng)新性，開展創(chuàng)新設計項目的調研、機械裝置設計方面專利文獻資料的檢索與收集、裝置設計方案構思。課程設計內容應涉及機械設計課程中所學的機構與傳動方式。設計任務確定為每組按照所選定的設計題目，綜合運用機械設計課程以及其他先修課程的理論和技能，運用合理的方法設計出方案。學生小組可選擇指導教師擬定設計題目，學生小組也可自行擬定確定設計題目，但需指導教師審核。

3設計模型加工

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

4“三位一體”模式構建

在1979年，北京科技大學“機械設計制圖”課程教學團隊對非機械類機械基礎系列課程進行了改革試驗，把“畫法幾何及機械制圖”、“機械原理”、“機械零件”三門課程有機地整合為一門課，在教學內容、教學模式和教學方法上進行了改革創(chuàng)新，并多次獲得教學成果獎。國內諸多教學工作者開展了二維教學模式向三維立體教學模式的轉化與融合的嘗試，提出了工程制圖三維化教學模式。舒宏等提出CAD制圖內容穿插在制圖教學中開展。在制圖課程中融入形體、零件三維建模，部件的裝配與驅動關系，直觀地理解零件的形狀、配合、部件的工作原理等。三維CAD教學從產品設計的角度，以三維產品設計到二維工程圖為主線。機械制圖、三維實體設計、機械設計三門課程的內容相互聯系緊密，國內外諸多教育工作者試圖將此三門課程融合為一體。而此三門課程內容在機械設計課程設計的設計內容中得到綜合體現與應用，將設計與加工制造結合可將設計思維正確與否得到準確的驗證。故探索將模型3D繪圖與加工制造引入機械設計課程設計中，探索理論計算、設計繪圖、加工制造“三位一體”的教學模式。在此教學模式中，學生的課程設計不在單純意義上的設計計算，設計模型加工與制造是課程設計重要的組成部分。以往依據理論計算，確定零件尺寸與裝配關系，依據選材校核零部件的強度與剛度。現在需要依據加工單元與材料來考慮所設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、零件設計計算等一體化的設計加工模式。以一級減速器設計模型為例，新教學模式下齒輪、軸的模型設計需要依據微型模具加工機床加工范圍來設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、銷等標準零部件可選配或采用其他材料替代。零部件理論設計計算、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制粘帖，且在整個設計過程中需要多位同學協同完成設計。

5實踐效果

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

參考文獻

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作者：李勇 范修文 張宏 單位：塔里木大學機械電氣化工程學院