机械原理与机械设计大作业改革探索与实践

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　　摘要：机械原理与机械设计是工科高校机械类专业的重要基础课程，对于学科发展与人才培养具有重要作用。在传统的课程教学模式中，对实践教学环节的重视程度往往不够，难以适应当前新工科和工程教育专业认证背景下的教学要求。针对该问题，分析并探讨了机械原理与机械设计大作业设置的必要性以及改革的方法与策略，以期通过大作业改革提高機械类专业学生的综合分析能力、创新设计能力和解决实际工程问题的能力。
　　关键词：机械原理；机械设计；大作业；教学改革
　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）27-0107-02
　　一、引言
　　近年来，我国新工科建设和工程教育专业认证工作快速推进，机械工程专业人才培养任务也越来越重。机械原理与机械设计课程是全国各工科院校机械类专业的主干技术基础课程，具有实践性强、与工程实际结合紧密等特点，是培养学生综合分析能力、创新设计能力和解决工程实际问题能力的重要课程。然而，传统课程教学中对实践环节的重视度不够，难以适应竞争日益激烈的社会发展需要。因此，亟须按照工程专业教育认证和新工科的理念改革传统的教学模式。教学实践表明，设置机械原理与机械设计大作业是培养机械类学生综合分析能力、创新设计能力和解决工程实际问题能力的重要途径之一，本文旨在对机械原理与机械设计大作业改革进行初步的探索与实践。
　　二、设置课程大作业的必要性
　　1.机械类学科是工程实践性很强的学科，《机械原理》和《机械设计》是其中最核心的两门专业基础课。在传统教学过程中，受制于教学理念、实验条件、师资力量等条件的约束，这两门课程的教学往往更侧重于基本知识点的讲授，而对于学生综合实践和创新能力的培养则相对比较薄弱。虽然开设了《机械原理课程设计》和《机械设计课程设计》这两个实践性课程，但往往都是在课程结束之后才进行，时间较短，难以在平时循序渐进地提高学生的实践能力。
　　2.通过布置课后作业可以强化和巩固基本知识点，也可以对一些知识点进行综合练习，但是难以对一些较复杂的工程问题进行综合练习。在进行课程设计或毕业设计时，相当一部分学生一开始都感觉到无从下手，很大一部分原因就是在教学过程中对综合问题训练不够所致。
　　3.通过合理设置大作业环节，可以让学生在平时的教学进程中就能够做到“学中做”和“做中学”，在潜移默化中提高自己解决复杂工程问题的能力，为后续的课程设计、毕业设计或科技创新竞赛等打下坚实基础。
　　三、大作业改革方法及策略
　　1.指导思想及方案设计。（1）机械原理和机械设计两门课程的教学内容缺少衔接，存在内容交叉和重复的问题。对此，将突破机械原理和机械设计两课程之间的界线，按照工程教育专业认证的标准，基于先进的OBE教学理念，将两课程的教学内容和教学环节进行重组。例如：将两门课程的齿轮传动内容进行整合，形成齿轮啮合的基本原理、基本参数、运动设计、强度计算、结构设计及润滑设计等为一体的内容体系。另外，对于轮系和减速器等内容，也可融合为一体，形成传动系统设计的主要内容。（2）以机械系统综合分析和设计能力的培养为主线，突出工程意识和创新精神的培养。例如：可以将各类常用机构（连杆机构、凸轮机构等）及其传动设计的内容均按照“组成结构→工作原理→运动设计→承载能力计算→结构设计”的原则来重新组织教学内容，以求培养学生对各类常用机构及其传动设计的整体概念。（3）从整体设计的思想出发，将机械设计的共性问题和基本理论（如机构的组成、零件的强度、机械的结构和摩擦学等）进行整合，针对具体机械的工况与技术要求，设置合理的大作业题目，引导学生应用基本理论知识解决实际问题。
　　2.教学目标。通过合理设置课程大作业，预期实现以下教学目标：（1）增强学生对基础知识的掌握；（2）培养学生综合分析与设计的能力；（3）促进学生工程设计思维的培养与形成；（4）培养学生对机械设计工作的兴趣；（5）增强学生对机械设计工作的切身体会。
　　3.大作业设置。将机械原理和机械设计两部分内容进行有机融合，扩大大作业的选题范围和设计方法，设置10个左右的实际案例作为大作业题目（包括基础综合题目和复杂综合题目两大类），通过案例驱动、目标导向由浅入深地逐步培养学生解决复杂工程问题的能力。（1）对于基础综合题目，主要是加强学生对基础理论知识的灵活应用，可以分为两个部分：第一部分：主要以平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等常用机构的计算机辅助分析与设计为内容，要求学生独立完成编程、上机运算、绘图和结果分析，最后编写并提交设计说明书，以加强学生的计算机应用能力训练。第二部分：主要以常见机械零部件的设计为内容，要求学生独立完成机械零部件的计算机三维CAD建模、机械力学性能（强度、刚度等）的计算与分析，最后提交设计计算说明书，以加强学生的机械CAD建模能力训练。（2）对于复杂综合题目，主要是应用基础理论知识来解决较为复杂的实际工程问题（例如：按照具体工程要求来设计小型机械装置）。在布置该类型题目时，可将学生分为若干设计小组，在强化锻炼学生实践动手能力的同时，还能够培养学生的团队协作能力。在大作业完成后，要求学生们通过PPT汇报的形式展示小组的设计成果，从而进一步锻炼学生的工程问题表达能力。另外，大作业题目可与课程实验、课程设计等环节有机结合起来，也可将一些题目与机械设计创新大赛及教师科研项目的内容相结合。鼓励学生参加多种形式的实践能力和创新能力训练，有条件的话还可以做出实物或实物模型，以提高学生的成就感，激发学生的学习热情。（3）教学手段。为了进一步发挥信息技术在课程教学中的作用，可在已有的网络教学综合云平台中增加大作业模块，在该模块中集成多个计算、分析、测试类软件工具，可供学生使用，以提高学生的学习效率。另外，学生完成设计内容后，可通过大作业模块上传自己的设计成果，教师与学生都可以在线浏览设计成果，教师能够进行考核打分，学生之间也能够相互学习与评价。（4）考核与评价方式。过去传统的仅以最终考核成绩为准的考核模式，对于全面评价学生的学习质量和能力水平缺乏充分的说服力，更不利于精英式人才的培养，这种重期末、轻过程的考核方法已不能满足现代教育的要求。因此，需要构建一套针对机械原理与机械设计大作业的多元化考核模式与方法。根据课程的教学情况与实际特点，将大作业考核要素分为以下几部分：过程考核（小组讨论、阶段报告等）、成果考核（图纸、计算、小组报告）、小组自评和互评等。合理设置各部分的所占比例，建立考核成绩的综合评定方法。通过多元化的大作业考核方式，能够全面衡量学生的知识掌握情况和解决问题的综合能力，提高学生的学习热情以及增强大作业环节在培养学生综合能力和丰富课程教学体系等方面的作用。
　　四、结论
　　机械原理与机械设计大作业是机械类专业课程中的重要实践教学环节，适应了当前新工科和工程教育专业认证背景下的教学要求。通过进行大作业改革，能够培养机械类专业学生的工程实践能力和机械创新能力，并进一步激发学生对本专业的学习热情。
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