关于机械设计基础课程的教学改革方案

世界正以多种方式发生着变化，未来的工程师需要多种技能，如创造力、灵活性、领导能力以及商业才智等品质。美国《培养2020的工程师：为新世纪变革工程教育》描绘了未来工程师应该具备的品质，包括：（1）很强的分析能力；（2）实践才能；（3）创新意识和创新能力；（4）较高的伦理道德标准以及职业素养；（5）动态、机敏、具有弹性、灵活地更新并应用知识的能力；（6）良好的沟通能力；（7）商务与管理技能；（8）领导才能；（9）终身学习能力。

卓越工程师不仅要具备上述的未来工程师的品质，而且，还应该兼具以下特质：（1）对局部或整体工程价值的科学判断力；2）对权威工程学术或工程技术独到的批判力；（3）对历史工程文化承载现代工程文化内涵以及未来工程文化趋势的深刻洞察力；（4）优秀民族工程文化传承与世界先进工程文化吸收的责任感；（5）工程环境影响的感知与和谐意识的自觉；（6）正确理念的坚持或自我否定的勇气。只有具备了上述15种品质特征的工程师，才能称得上是真正的卓越工程师。因此，形成能够进行自我调整和更新的、面向卓越工程师培养体系的教学改革是值得研究的重要课题。

1.面向卓越工程师培养目标的教学要求

卓越工程师人才培养目标是具有国际视野的行业领军人才、国际认可的高级工程技术人才和创业研发型高端人才。卓越工程师的核心是创新能力。随着知识经济的到来和信息技术的迅速发展，社会对人才的需求产生了很大的变化，更加强调实践能力和创新型人才的培养，面向卓越工程师培养计划的教学，不仅要培养学生熟练掌握专业基础理论知识的能力，还要注重培养学生的实践应用能力、思维开创性和创新能力。

2.机械设计基础课程教学的现状

机械设计基础课程是一门理论性和实践性较强的课程，既强调知识的综合性、实用性，又强调创新能力、综合分析和解决生产实践问题的能力，这也是“卓越工程师教育培养计划”所要求的。

但是现有的机械设计基础课程教学存在一些问题亟待解决。传统的教学过程是一种“填鸭式”的教学，一切都是由教师决定，学生只能被动地参与。如机械系统的结构设计是机械设计基础课的重要教学内容，也是过去讲课的难点，由于受到传统教学手段的限制，电类专业学生对此方面内容的掌握比较困难。

现有课程内容体系建立在知识的系统性和完整性之上，在知识点的选择和安排上没有脱离传统的教学理念，所用教材的知识内容体系创新性不够，没有体现“卓越工程师教育培养计划”中所要求的“能力”主线，与生产实际要求的课程内容或知识点的编排存在一定的差距。另外，教师不注意采用先进的教学手段来充实自己的教学活动，忽视案例教学、问题教学等方式的运用，导致教学信息量太小，无法传授更多的知识。课程教学中只是理论知识的简单讲解，没有结合工程实际进行教学。

3.机械设计基础课程的教学改革

按照“卓越工程师教育培养计划”的目的和培养要求，以及在以往机械设计基础教学过程中所发现的问题，借鉴皮亚杰提出的建构主义理论，对机械设计基础课程教学改革提出如下建议与改革措施。

3.1 确定教学目标

“机械设计基础”课程具有很强的工程性、实践性和实用性，其主要的教学目标是培养学生机械系统方案设计的能力。教师以自己制定的教学目标为导向，在整个教学过程中围绕教学目标与学生一起展开教学活动，并以此来激发学生的学习兴趣与积极性，激励学生为实现教学目标而努力学习。

“机械设计基础”上半部分的核心内容是各类常用机构的设计和应用。要设计和应用机构，首先必须认识各类机构，通过一些典型的机构系统了解机构的具体结构、工作原理、特征和它在系统中的作用，从机械系统的总体去认识机构，用系统的观点将各类机构联系起来，将系统的要求贯穿于机构的设计之中。学生不应孤立地去认识和设计机构，而应以系统为主线来掌握机构分析、设计的基本理论和方法，确定机构设计的要求。

例如教师在讲授“机械设计基础”第一章“机构自由度”的内容时，首先向学生说明学习机构自由度在实际工作中的意义，并在本章最后给出关于牛头刨床的机构设计错误的例子，让学生通过计算机构自由度予以改正，以此来激发学生的学习兴趣与积极性，充分发挥学生的主观能动性，训练他们的创造性思维。

另外，在学习平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构这3大类常用机构过程中，由于该3大类机构又可划分出很多种类，学生常感到各类机构缺少联系。由于往复式四冲程内燃机涵盖了这3大类机构，所以可通过介绍往复式四冲程内燃机工作过程的4个冲程运动将这3大类机构运动作为教学背景或目标，将3大类机构联系起来。

如内燃机通过平面连杆机构中的曲柄滑块机构将活塞的直线往复运动转换为曲轴的回转运动；通过凸轮机构控制进气门、排气门开合时间的长短；通过齿轮机构协调燃气推动活塞运动时，进气门、排气门有规律的启闭。以往复式四冲程内燃机工作过程介绍3大类机构各自的优缺点和不可替代性，对增强学生的感性认识、加深对知识的理解和掌握，培养创造性思维能力都非常有益。内燃机工作过程所涉及的内容包含了“机械设计基础”上半部分需要讲授的所有主要内容，所以应该在第一章的授课中较详细地介绍内燃机的工作原理，并在以后各章的教学中加以利用。

“机械设计基础”下半部分主要讲授常用连接（螺纹连接、键连接等），机械传动（螺旋传动、带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动），轴系零、部件（轴、轴承）等。这部分内容相互联系较少，学生感到零散。这部分内容的教学可与课程设计结合起来，课程设计题目在课程开讲前布置到位，使学生带着任务听课。当教师讲到与设计题目中某些方面相关的章节时，学生就开始思索自己题目中相应点的方案设计、结构设计等问题，不太懂的问题可及时与教师或同学进行交流探讨。由于课程设计与专业结合，与理论课同步，学生兴趣浓，学习效果好。

3.2 加强与工程实际的联系

由于学生对机械的感性认识和工程实践知识十分缺乏，不能将所学的知识与实际联系起来，更不会应用于工程实际，因此要结合工程背景来讲解各种机构的原理和应用。

例如在讲解曲柄摇杆机构时，通过对比该机构分别在游梁式抽油机和牛头刨床中的应用，来说明极位夹角的大小对急回运动的影响。这样以实际工程机械为例讲解曲柄摇杆机构的特点，能使学生印象深刻。在讲解四杆机构时，分别列举轮式抓钩机、装载机工作装置、鹤式起重机吊臂等实际工程机械的例子，对比讲解不同机构的工作特点，使学生对机械的机构既有一个整体认识，也有对不同机构异同点的认识，为以后进行机构选型、综合机械设计打下基础。

以凸轮机构实际设计为例，首要问题不是如何设计凸轮的轮廓线，而是如何根据工作要求和使用场合，合理地选择和确定从动件的运动规律、机构的配置和有关基本参数，使所设计的凸轮机构既能满足机械系统的工作要求，又具有良好的运动和动力特性。此外，广泛采用工程应用实例，充实“机械设计基础”教材中的例题和习题，适当增加例题和习题的工程应用背景及创造性意向说明。

3.3 及时更新教学内容

将机械设计方面的新成果、新应用及时引入教学内容，扩大学生信息量。例如在讲解螺栓预紧方法时，介绍电测扳手、液压拉伸预紧方式等新工具和新方法；在讲解齿轮机构时，介绍双圆弧齿轮的优点，反映技术发展前沿成果，增加课堂信息量，调动学生学习的积极性。这样，以实际工程设计计算问题为目标，构建设计基础知识理论较完备，设计方法实用、多样的基础内容体系，提高了教学效果。

3.4 改进教学方法

在课堂教学中，除了传统的教学方式外，需要采用其他一些教学方法与手段，以提高学生对课堂内容的理解和掌握。

“机械设计基础”课程是工程机械教育的重要课程，综合性、实践性强，对培养学生工程设计能力起着重要的作用。由于机械设计基础主要面向电类专业的学生讲授，而电类专业的学生对机械方面知识接触较少，对课程中涉及的各种机构、结构难以理解，尤其是涉及到机构运动、齿轮啮合等动态问题或者螺纹联接、轴承等微变形问题，因内容抽象，学生理解起来比较困难，因而影响了教学效果。

“机械设计基础”多媒体CAI系统运用多媒体计算机技术，对“机械设计基础”理论知识、教学方法等进行信息化处理，利用计算机强大的多媒体表现与信息交互功能，构造了创新设计教学模式。通过现代信息技术的应用，把过去传统的、静态的书本教材形式转变为由声音、文本、视频、动画构成的动态教材。多媒体集成、动画模拟仿真和丰富的图像信息扩展了学生认知的深度与广度，也使教师摆脱了时间和空间对讲授内容的束缚，清楚地显示某些复杂的过程，有利于激发学生的观察力、发现力、想象力、逻辑联想力，有利于认知思维的深化与发展，有利于增强工程设计能力，提高教学效率和教学质量。“机械设计基础”CAI作为教学的一种重要手段，有着良好的应用和发展前景，给“机械设计基础”创新教学以有力支持。

在教学中，为达到良好的教学效果，教师应设法使学生处于积极思维的状态，主动、自觉地完成学习任务，逐步提高分析问题和解决问题的能力，真正成为学习的主人。例如，在讲授螺栓预紧力控制时，强调重要的螺纹连接必须控制预紧力，强调螺栓脱落产生的严重后果。可以列举台湾中华航空公司波音737飞机在日本冲绳那霸机场降落时因螺栓脱落刺穿油箱引发大火的例子，使学生印象深刻。又如在讲授螺栓强度计算前，举出某工厂在吊装床身时，吊环螺栓断裂，致人死亡的例子，借以强调螺栓强度计算的重要性，将枯燥的理论知识变得具体、形象，而且能够使学生在主动思考的同时牢记相关概念、掌握相关原理，达到事半功倍的良好效果。

4.结束语

根据卓越工程师培养计划，“机械设计基础”课程的教学需要建立科学的教学体系，切实提高大学生的工程实践能力，培养学生动手能力和创新思维能力，为参加生产实践和后续课程学习打下良好的基础，实现教学过程中学生能力和素质的协调发展。

作者：李延斌，高有华，田方，姜肜（沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110870）