機械設(shè)計課程設(shè)計的三位一體模式研究

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摘要：

信息技術(shù)的推廣和工業(yè)設(shè)計、制造技術(shù)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(shè)計課程設(shè)計的教學模式的不足，提出了課程內(nèi)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(shè)計課程設(shè)計中，探索理論計算、設(shè)計繪圖、加工制造“三位一體”的教學模式。經(jīng)實踐證明，新模式下教學效果突出。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；課程設(shè)計；模式；探索

隨著我國社會結(jié)構(gòu)的變化，催生高等教育教學結(jié)構(gòu)與形式轉(zhuǎn)型，國內(nèi)地方高校在不斷探索應(yīng)用型人才的培養(yǎng)模式與體系。機械設(shè)計課程設(shè)計融合了機械設(shè)計基礎(chǔ)、機械制圖、機械制造基礎(chǔ)、極限配合與測量技術(shù)等課程的知識，是機械類專業(yè)培養(yǎng)學生機械設(shè)計能力與創(chuàng)新能力的實踐教學環(huán)節(jié)。因此，機械設(shè)計課程設(shè)計在培養(yǎng)應(yīng)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(shè)計課程設(shè)計仍為減速器的理論設(shè)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(shè)計課程設(shè)計中，探索理論計算、設(shè)計繪圖、加工制造三位一體的教學模式。

1機械設(shè)計課程設(shè)計教學現(xiàn)狀

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

（1）多數(shù)學生對綜合應(yīng)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(jié)構(gòu)缺乏認識；

（2）學生對課程設(shè)計興趣不夠濃厚，缺乏自我設(shè)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(shè)計過程中，設(shè)計計算生硬套搬設(shè)計步驟，照抄設(shè)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(wù)式的心態(tài)對待課程設(shè)計，導致課程設(shè)計抄襲現(xiàn)象，亦無法達到課程設(shè)計原本教學要求。該模式下無法體現(xiàn)出設(shè)計創(chuàng)新與實踐教學，對培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新設(shè)計作用微乎其微。

2機械設(shè)計課程設(shè)計改革措施

現(xiàn)代經(jīng)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(shè)計課程設(shè)計作為一門機械專業(yè)機械設(shè)計綜合知識與技能應(yīng)用的平臺，是提高學生機械設(shè)計與工程素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。機械設(shè)計課程設(shè)計的教學目標不僅是為培養(yǎng)學生機械制造與設(shè)計的設(shè)計過程，也是在培育學生掌握機械產(chǎn)品或機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計思維，以及培養(yǎng)學生對現(xiàn)代機械產(chǎn)品的自主創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)工作的適應(yīng)能力。針對傳統(tǒng)課程設(shè)計的不足，基于培育具備理論設(shè)計、實踐加工、理念創(chuàng)新的新型機械設(shè)計人才，對機械設(shè)計課程設(shè)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(shè)計課程的實踐教學體系。傳統(tǒng)的教學模式下，機械設(shè)計的實驗課程開設(shè)認識性或驗證性的實驗，主要包括機械零件結(jié)構(gòu)認識現(xiàn)場教學實驗、帶傳動實驗、液壓滑動軸承實驗、軸系部件設(shè)計實驗、減速器拆裝實驗等項目。以培養(yǎng)機械設(shè)計與制造能力為主線，重組機械設(shè)計課程的實踐教學體系，增設(shè)實操性實驗，制定新的教學計劃?；趥鹘y(tǒng)的教學模式下，對已有實驗項目做改進增設(shè)實踐操作性內(nèi)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(xiàn)象，計算帶傳動的參數(shù)，新教學體系在此基礎(chǔ)上增設(shè)帶與帶輪的安裝和拆卸。

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

（3）創(chuàng)新環(huán)節(jié)。課程設(shè)計選題采取多樣性、靈活性原則，將固定式的減速器設(shè)計改變?yōu)閯?chuàng)新與思考結(jié)合的裝置設(shè)計?；诖藶橥怀稣n程設(shè)計的創(chuàng)新性，開展創(chuàng)新設(shè)計項目的調(diào)研、機械裝置設(shè)計方面專利文獻資料的檢索與收集、裝置設(shè)計方案構(gòu)思。課程設(shè)計內(nèi)容應(yīng)涉及機械設(shè)計課程中所學的機構(gòu)與傳動方式。設(shè)計任務(wù)確定為每組按照所選定的設(shè)計題目，綜合運用機械設(shè)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(shè)計出方案。學生小組可選擇指導教師擬定設(shè)計題目，學生小組也可自行擬定確定設(shè)計題目，但需指導教師審核。

3設(shè)計模型加工

模型作為設(shè)計理念的具體表達，具有三維直觀、真實準確的特點，是產(chǎn)品設(shè)計最終的設(shè)計表達形式。對于機械設(shè)計專業(yè)的學生，模型制作不僅有助于分析和掌握產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、材料、工藝等，還能夠啟發(fā)設(shè)計靈感，開拓設(shè)計思維。在機械設(shè)計課程設(shè)計中增設(shè)模具加工環(huán)節(jié)，可提升機械設(shè)計與制造專業(yè)學生的設(shè)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(shè)計等多門專業(yè)課程的知識。機械設(shè)計的創(chuàng)新離不開模型設(shè)計加工工具與設(shè)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(shè)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(shè)備。國內(nèi)部分高校已開設(shè)微型模具設(shè)計加工課程應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(zhì)、軟質(zhì)金屬、樹脂膠板等材料進行切、削、磨、銑、鉆等加工功能。據(jù)課程試驗性操作證明，微型加工機床可以車軸（木質(zhì)、鋁質(zhì)等材料）、銑齒輪、鉆孔、裁切板材、磨削毛坯等。在機械設(shè)計課程設(shè)計中引入微型模具加工，極大的提升了學生課程設(shè)計的興趣，也有效提升了學生的動手操作能力，也為了數(shù)控加工課程的學習奠定了基礎(chǔ)。

4“三位一體”模式構(gòu)建

在1979年，北京科技大學“機械設(shè)計制圖”課程教學團隊對非機械類機械基礎(chǔ)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)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(qū)動關(guān)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(chǎn)品設(shè)計的角度，以三維產(chǎn)品設(shè)計到二維工程圖為主線。機械制圖、三維實體設(shè)計、機械設(shè)計三門課程的內(nèi)容相互聯(lián)系緊密，國內(nèi)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(nèi)容在機械設(shè)計課程設(shè)計的設(shè)計內(nèi)容中得到綜合體現(xiàn)與應(yīng)用，將設(shè)計與加工制造結(jié)合可將設(shè)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(shè)計課程設(shè)計中，探索理論計算、設(shè)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(shè)計不在單純意義上的設(shè)計計算，設(shè)計模型加工與制造是課程設(shè)計重要的組成部分。以往依據(jù)理論計算，確定零件尺寸與裝配關(guān)系，依據(jù)選材校核零部件的強度與剛度?，F(xiàn)在需要依據(jù)加工單元與材料來考慮所設(shè)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(shè)計計算等一體化的設(shè)計加工模式。以一級減速器設(shè)計模型為例，新教學模式下齒輪、軸的模型設(shè)計需要依據(jù)微型模具加工機床加工范圍來設(shè)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(shè)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(shè)計過程中需要多位同學協(xié)同完成設(shè)計。

5實踐效果

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