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［摘要］隨著機械類專業越來越多參與工程教育專業認證，機械設計基礎課程被眾多專業設置為必修專業基礎課。然而，傳統的機械設計基礎的教學設置重點是機構組成與運動原理、機械受力分析、機械強度設計等，偏重于機械的尺寸幾何設計與力學分析的內容。這對機械類力學薄弱專業的學生學習帶來了挑戰。提出利用現代教育技術手段，結合計算機輔助圖解法、CAD/CAE工具的方式，開展了教學改革與實踐研究，取得了良好的效果。
［關鍵詞］工程教育專業認證；機械設計基礎；教學方法；改革
工程教育認證對近機械類專業提出了綜合考慮環境與可持續發展的前提下，基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題展開研究，并利用現代設計與分析工具，給出設計與開發方案的高要求。隨著工程教育專業認證在眾多近機械類專業的不斷擴展，越來越多的專業培養方案將機械設計基礎課程設置為專業必修基礎課程，其包含“機械原理”和“機械零件設計”兩部分內容。在培養近機械類工程技術人才的全局中，起到承前啟后的作用，為學生學習后續專業課程打下必要的基礎。基于工程教育專業認證的要求，本課程將培養學生設計能力、創新能力、工程意識作為教學目標，通過理論教學和實踐環節的遞進融合，培養學生掌握機構的結構分析、運動分析、受力分析和機器動力學等方面的基本理論和基本知識，具有初步的機械方案創新設計能力。通過本課程的學習，學生具有運用標準、規范、手冊和現代設計工具的能力，并掌握通用機械零件的設計原理與方法，為后續專業課程學習和今后從事設計工作打下堅實的基礎。然而，由于傳統的機械設計基礎內容的教學設置是面向機械類專業設置，重點是機構組成與運動原理、機械受力分析、機械強度設計等，偏重在機械的尺寸幾何設計與力學分析的內容，這對近機械類力學薄弱專業的學生學習帶來了挑戰。特別是該課程的傳統教學常以理論公式推導為主，對于近機械類專業的學生在認知和理解上有較大的障礙。為此，探討如何在滿足工程教育專業認證目標的前提下，對機械設計基礎課程進行改革，使其適應近機械類學生力學計算知識薄弱的特點，仍然能增強學生的機械理論基礎，提高學生對機械相關技術工作的適應性，并培養其開發創新能力。
一、基于計算機輔助圖解法的機構設計與分析的教學改革與實踐
機械設計基礎內容中涉及機構設計（連桿機構、凸輪機構、齒輪機構）、機構運動分析（速度和加速度計算）、受力分析（力、自鎖分析）、機械平衡等。目前分析機構問題主要采用圖解法、解析法和實驗法等常規方法。由于圖解法直觀易于理解，一直是教學過程中重點介紹的方法。然而，傳統的圖解法求解過程中需要使用尺規作圖工具進行作圖求解，精度較差且僅能求解瞬時位置參數，在工程問題求解中應用受限。解析法雖然精度較高，但是其需要較強的數學基礎和編程能力，這增加了應用的難度。實驗法雖然直觀，但是受限于機構尺寸和成本，應用同樣有局限。為此本文提出在機械設計基礎教學中引入計算機輔助圖解法，用于機構設計與性能分析。也就是采用計算機輔助設計CAD理念，在CAD軟件基礎上二次開發圖解法模塊，可以綜合計算機精度高與圖解法形象直觀的優點，便于學生掌握設計理論與方法，提高主觀能動性。在實踐中，開發了基于NX三維設計軟件二次開發的計算機輔助圖解法進行機構創新設計與性能分析的插件，提供給學生使用。這樣近機械類學生在學習過程中，既可以深刻理解相關基礎理論和掌握機構設計、機構性能分析的方法。如圖1所示，開發的計算機輔助圖解法具備功能模塊，包括機構設計、運動學分析、力學分析三個模塊。
二、基于現代教育技術與CAD/CAE集成流程的機構設計與分析的教學改革與實踐
為了適應網絡在線教學的需求，針對近機類專業學生力學基礎和知識面需求之間的矛盾，將現代教育技術（多媒體和網絡）、數字化設計與分析方法（計算機輔助圖解法、CAD/CAE）、網上虛擬實驗、案例資源、課程創新設計與考核改革等相結合，開展了相應改革與探索實踐。充分利用先進的現代教育技術與設計工具，改進教學內容和教學方法。設計離不開工具，利用CAD成熟的設計工具包（IN-VENTOR和SolidWorks邁迪工具包，有軸、帶輪、齒輪、軸設計工具）和CAE工具，使學生擺脫煩瑣的計算工作，著重在分析設計參數對設計性能的影響分析、多種設計方案的優化比較，建立“設計一評價一再設計”的設計迭代思想。并利用CAD軟件中的機械零件庫，培養學生選型設計、類比設計、改進設計的能力。最后利用三維CAD模型生成二維圖技術，培養學生對空間結構的想象與設計的綜合能力。在此基礎上，開發的網絡在線學習平臺包括理論課程學習模塊、計算機輔助圖解法創新設計工具模塊、CAD/CAE交互設計與分析模塊和虛擬仿真實驗模塊。其中虛擬仿真實驗包括：三維PDF的虛擬機構測繪實驗技術、基于unity3d虛擬現實的虛擬裝配實驗技術、基于CAD/CAE的機械創新設計與方案評價實驗以及基于Dreamweaver的實驗資源（機構運動模塊庫、案例庫）。
三、結論
面向工程教育專業認證，通過對機械設計基礎課程和相應課程設計的教學方法進行優化改革，螺旋漸進式組織開展案例式教學、設計性實驗、項目式課程設計，開展課程基礎內容與課程設計實踐融合的“化整為零”法的貫通式的教學方式等實施，促進了近機械類專業課程間交叉融合。
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作者:劉志強 胡朝斌 單位:江蘇科技大學機械工程學院
