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摘要：通過對目前《機械原理課程設計》教學中存在問題的分析，基于機械創新設計的理念，依托太原理工大學機械工程學院“思拓大學生機械創新設計基地”以及“第八屆全國大學生機械創新設計大賽”主題，主要從設計題目的創新選題、系統方案的創新設計、虛擬仿真技術與圖解法相結合的課程設計方法、合理的能力評價方法等4個方面對機械原理課程設計的教學方法進行了改革研究。研究表明，這種方法能夠從系統與細節上將機械創新設計的理念慢慢滲透進整個機械原理課程設計的教學過程之中，使學生的理論及實踐動手能力都能有一個新的提高。
關鍵詞：機械原理課程設計；教學改革；創新理念；設計創新
《機械原理課程設計》是本科學生在學習完《機械原理》理論課程之后進行的一個重要的實踐性教學課程，是機械類各專業必修的一門主干核心技術基礎課［1-2］。按照《高等工科院校機械原理課程教學基本要求》，機械類（含近機類）專業應安排機械原理課程設計單獨授課，學時在1～1.5周，且一般安排在本科二年級下學期或三年級上學期。這門課程在太原理工大學（以下簡稱我校）機械制造與自動化專業2016版培養計劃中已提前至大二下學期授課，且承擔的主要任務是鞏固和加深學生所學理論知識，進一步培養學生應用本課程的有關知識獨立解決實際問題的能力，使學生對機械的運動學和動力學的分析和設計初步具有較為完整的概念，通過課程設計提高學生計算、制圖和使用技術資料的能力?？梢?，《機械原理課程設計》在主要研究機械一般共性問題的基礎上，主要應培養學生的設計實踐動手能力以及系統分析能力，并研究各種機器中常用機構的運動、動力性能分析與設計方法、機械傳動系統方案設計等基礎問題。因此，該課程是為了培養學生機械系統運動方案設計和創新設計能力、應用計算機解決工程實際中各種機構設計和分析能力服務的。
1機械原理課程設計現狀分析
國內許多高校教師在近十幾年來對《機械原理課程設計》的教學改革進行了探究與嘗試，包括本科型、面向應用型等不同高等專業學校［3-4］。具體的教學改革內容主要體現在課程設計的題目、教學方法和形式、培養能力等方面。張晉西、尹旭妮從題目的合理設定方面分析了其對學生設計能力的重要性，提出選題應多樣化［5-6］。王濤、黃小龍等對機械原理課程設計的教學模式進行了探討，提出將圖紙設計與虛擬仿真相結合的模式［7-8］。王俊峰、朱玉和吳斌等人分別研究了工程建模分析軟件Matlab、PRO/E、Adams和Matlab/Simulink在機械原理課程設計中的應用［9-11］。陸鳳儀、劉麗明則從教學方法和手段的多樣性方面入手，闡述了教學過程中方法的重要性。通過對文獻綜述，結合我校課程教學以及學生特點，筆者認為，目前《機械原理課程設計》在教學環節中存在以下一些問題。
1.1現有的課程設計題目單一且重復性高
目前國內多數高校的課程設計題目類型單一、重復性高。我校目前采用4種機械裝置課程設計題目，分別為牛頭刨床、單杠四沖程柴油機、壓床和插床。其中，機械系統的運動方案已經提供，要求學生根據系統方案對其中的平面連桿機構、凸輪機構以及齒輪機構進行設計分析計算，并在此基礎上進行機構動態靜力分析和確定飛輪的轉動慣量。雖然其中的每一個題目都能鍛煉學生的分析計算能力和實際動手能力，而且系統地將機械原理中連桿機構、凸輪和齒輪三大典型常用機構糅合在一個機械裝置中，使學生能夠系統掌握這幾種機構，不再孤立分析問題。但是，這些題目中的機械還是偏于傳統型，而且題目類型固定，對于基礎較好的學生來說，這些題目無法體現出創新設計的思想。更加靈活性的半開放式的題目，才更有利于學生創造力的發揮。而且，4種固定式題目仍然稍顯偏少，每一屆學生重復性雖然可控，但是前后屆學生之間依然存在重復性高的問題。
1.2設計手段未與計算機輔助設計技術相結合
由于題目偏于固定，學生興趣不是很高，很多學生都是為了獲得學分而完成任務。尤其是對于基礎較好的學生，缺少了對他們更高的要求。隨著計算機和虛擬仿真技術的發展，應該使學生將虛擬仿真技術與課程設計內容有機結合，增強他們使用這些工具的能力，并在實踐中鞏固所學的理論知識。通過參加全國類的機械原理課程經驗交流會并跟同行交流，大家有一致共識，圖解法仍然應該是機械原理機構分析不可忽視，甚至更應該加強的手段。除此之外，應該將解析法與虛擬仿真技術結合，通過虛擬仿真技術對機構進行運動、動力分析，并結合圖解法進行驗證分析，從而讓學生能夠深刻理解理論知識。
1.3創新性能力體現不足
創新是文明進步的原動力，是技術和經濟發展的原動力，是民族進步的靈魂。創新的重要性不用贅述，大家都知道需要創新，然而創新不是口號，而是應該從一點一滴的工作中體現創新的理念。目前多數的課程設計都基于系統方案已經確定或者基本成型的基礎上進行，從一定意義上來講缺失了創新設計理念。高校的許多教師已經逐漸嘗試從課程設計的選題、方法及考核等方面與創新思想相結合，探索能夠體現創新設計的課程改革，不過這個任務任重道遠，還需要更多地努力和探索。針對上述在《機械原理課程設計》教學中的一些共性問題，一些高校的教師在其教學改革中提出應將創新設計理念貫穿于課程設計的整個教學環節［14-15］。王慧明、黃小龍提倡基于“學科競賽、創新項目”來開展機械原理課程設計，進而培養學生將理論知識與實踐相結合的能力［16-17］。
2基于機械創新設計理念的教學方法
本文從課程設計題目的創新選題、系統方案的創新設計、虛擬仿真技術與圖解法相結合的課程設計方法、合理的能力評價方法等4個方面進行探索研究，從系統與細節上將機械創新設計的理念慢慢滲透進整個機械原理課程設計的過程之中。
2.1機械原理課程設計題目的創新選題
基于機械創新設計的理念，依托我校機械工程學院“思拓大學生機械創新設計基地”以及“第八屆全國大學生機械創新設計大賽”的主題，對機械專業學生進行拓展性選題。選定“解決小區問題的停車裝置”和“輔助人工采摘水果裝置”為主題，讓學生自行組隊，根據自身特點進行選題。選題確定后依次進行系統方案的創新設計、機構實現、機構分析及計算、模型制作。整個選題到分析的全過程任務作為《機械原理課程設計》這門課程的設計任務，完成設計圖紙以及設計計算說明書，答辯通過，獲得成績和學分。
2.2系統方案的創新設計
學生選題確定后，即開展所要完成目標任務的機械裝置系統方案設計過程。在這個過程中采取2次集中討論的方式進行，由教師對學生的方案進行可行性分析討論，并提出修改方案，從而形成一套合理的機械結構裝置系統方案。整個系統方案的創新設計過程，主要實施者是學生，教師起到引導、監督和可行性指導分析的作用，這樣的方法有利于學生發揮主動性并激發興趣，在系統方案階段就能將自己的思想融入課程設計之中。
2.3虛擬仿真技術與圖解法相結合的課程設計方法研究
隨著計算機輔助設計技術的發展，本科生在本科階段就應該靈活使用虛擬仿真類軟件工具，應該促使學生課堂外利用計算機輔助設計技術進行知識的拓展和貫通。工程建模分析軟件Matlab、PRO/E、Adams和Matlab/Simulink在機械原理課程設計中應該與圖解法進行結合，圖解法簡單有邏輯性，但是這些工程建模分析軟件能夠幫助學生提高靈活設計的能力，并且對系統設計和詳細設計都有提高。在機械原理課程設計過程中將虛擬仿真技術與圖解法結合分析，即在機械結構系統裝置的形成過程中，要求學生通過PRO/E等三維建模軟件進行零部件和裝配體建模，并通過這些建模軟件中的運動仿真模塊或者Adams軟件進行機構的干涉性分析及運動仿真分析。對有精力或者能力更強的學生，提倡其利用Matlab和Adams進行機構系統的聯合仿真分析。所有基于分析軟件對系統機構進行的運動、動力學分析都對最終設計結果的優化提供依據。
2.4課程設計培養能力的合理評價方式研究
基于機械創新設計選題進行的課程設計考核及評價可以從以下幾方面進行綜合考量：第一，根據組隊學生選題后完成的系統結構方案的創新性、機構的合理性進行綜合評價；第二，系統機構的詳細設計、運動及動態靜力分析；第三，最終設計完成的圖紙、設計計算說明書；第四，進行答辯，考查學生整個設計過程中的表現。根據實際運行過程對上述幾方面評價指標進行研究，確定出各部分所占分數比重。最終，每位學生的課程設計成績將根據上述幾個方面的表現得分，以及其在整個設計小組里面的貢獻多少進行綜合評價，進而獲得《機械原理課程設計》的課程成績和學分。
3結語
通過對目前《機械原理課程設計》教學中存在的問題進行分析，并基于機械創新設計的理念，依托我校機械工程學院“思拓大學生機械創新設計基地”以及“第八屆全國大學生機械創新設計大賽”的主題，對機械原理課程設計的教學方法改革進行了分析，從課程設計題目的創新選題、系統方案的創新設計、虛擬仿真技術與圖解法相結合的課程設計方法、合理的能力評價方法等4個方面進行探索研究。該課程設計方法能夠從系統與細節上將機械創新設計的理念慢慢滲透進整個機械原理課程設計的過程之中，最后使學生的理論及實踐動手能力都有一個新的提高。本文的研究成果同時也能夠為機械類相關技術基礎課程將來的教學改革提供一點思路。
作者:李峰 秦曉峰 鄭樹琴 李秀紅 任家駿 單位:太原理工大學機械工程學院
