基于机械创新设计理念的机械原理课程设计教学

《机械原理课程设计》是本科学生在学习完《机械原理》理论课程之后进行的一个重要的实践性教学课程，是机械类各专业必修的一门主干核心技术基础课。按照《高等工科院校机械原理课程教学基本要求》，机械类（含近机类）专业应安排机械原理课程设计单独授课，学时在1～1.5 周，且一般安排在本科二年级下学期或三年级上学期。这门课程在太原理工大学（以下简称我校）机械制造与自动化专业2016 版培养计划中已提前至大二下学期授课，且承担的主要任务是巩固和加深学生所学理论知识，进一步培养学生应用本课程的有关知识独立解决实际问题的能力，使学生对机械的运动学和动力学的分析和设计初步具有较为完整的概念，通过课程设计提高学生计算、制图和使用技术资料的能力。可见，《机械原理课程设计》在主要研究机械一般共性问题的基础上，主要应培养学生的设计实践动手能力以及系统分析能力，并研究各种机器中常用机构的运动、动力性能分析与设计方法、机械传动系统方案设计等基础问题。因此，该课程是为了培养学生机械系统运动方案设计和创新设计能力、应用计算机解决工程实际中各种机构设计和分析能力服务的。
1 机械原理课程设计现状分析
国内许多高校教师在近十几年来对《机械原理课程设计》的教学改革进行了探究与尝试，包括本科型、面向应用型等不同高等专业学校。具体的教学改革内容主要体现在课程设计的题目、教学方法和形式、培养能力等方面。从题目的合理设定方面分析了其对学生设计能力的重要性，提出选题应多样化。对机械原理课程设计的教学模式进行了探讨，提出将图纸设计与虚拟仿真相结合的模式。人分别研究了工程建模分析软件Matlab、PRO/E、Adams 和Matlab/Simulink在机械原理课程设计中的应用。则从教学方法和手段的多样性方面入手，阐述了教学过程中方法的重要性。
通过对文献综述，结合我校课程教学以及学生特点，笔者认为，目前《机械原理课程设计》在教学环节中存在以下一些问题。
1.1 现有的课程设计题目单一且重复性高
目前国内多数高校的课程设计题目类型单一、重复性高。我校目前采用4 种机械装置课程设计题目，分别为牛头刨床、单杠四冲程柴油机、压床和插床。其中，机械系统的运动方案已经提供，要求学生根据系统方案对其中的平面连杆机构、凸轮机构以及齿轮机构进行设计分析计算，并在此基础上进行机构动态静力分析和确定飞轮的转动惯量。
虽然其中的每一个题目都能锻炼学生的分析计算能力和实际动手能力，而且系统地将机械原理中连杆机构、凸轮和齿轮三大典型常用机构糅合在一个机械装置中，使学生能够系统掌握这几种机构，不再孤立分析问题。但是，这些题目中的机械还是偏于传统型，而且题目类型固定，对于基础较好的学生来说，这些题目无法体现出创新设计的思想。更加灵活性的半开放式的题目，才更有利于学生创造力的发挥。而且，4 种固定式题目仍然稍显偏少，每一届学生重复性虽然可控，但是前后届学生之间依然存在重复性高的问题。
1.2 设计手段未与计算机辅助设计技术相结合
由于题目偏于固定，学生兴趣不是很高，很多学生都是为了获得学分而完成任务。尤其是对于基础较好的学生，缺少了对他们更高的要求。随着计算机和虚拟仿真技术的发展，应该使学生将虚拟仿真技术与课程设计内容有机结合，增强他们使用这些工具的能力，并在实践中巩固所学的理论知识。
通过参加全国类的机械原理课程经验交流会并跟同行交流，大家有一致共识，图解法仍然应该是机械原理机构分析不可忽视，甚至更应该加强的手段。除此之外，应该将解析法与虚拟仿真技术结合，通过虚拟仿真技术对机构进行运动、动力分析，并结合图解法进行验证分析，从而让学生能够深刻理解理论知识。
1.3 创新性能力体现不足
创新是文明进步的原动力，是技术和经济发展的原动力，是民族进步的灵魂。创新的重要性不用赘述，大家都知道需要创新，然而创新不是口号，而是应该从一点一滴的工作中体现创新的理念。目前多数的课程设计都基于系统方案已经确定或者基本成型的基础上进行，从一定意义上来讲缺失了创新设计理念。高校的许多教师已经逐渐尝试从课程设计的选题、方法及考核等方面与创新思想相结合，探索能够体现创新设计的课程改革，不过这个任务任重道远，还需要更多地努力和探索。
针对上述在《机械原理课程设计》教学中的一些共性问题，一些高校的教师在其教学改革中提出应将创新设计理念贯穿于课程设计的整个教学环节。提倡基于“学科竞赛、创新项目”来开展机械原理课程设计，进而培养学生将理论知识与实践相结合的能力。
2 基于机械创新设计理念的教学方法
本文从课程设计题目的创新选题、系统方案的创新设计、虚拟仿真技术与图解法相结合的课程设计方法、合理的能力评价方法等4 个方面进行探索研究，从系统与细节上将机械创新设计的理念慢慢渗透进整个机械原理课程设计的过程之中。
2.1 机械原理课程设计题目的创新选题
基于机械创新设计的理念，依托我校机械工程学院“思拓大学生机械创新设计基地”以及“第八届全国大学生机械创新设计大赛”的主题，对机械专业学生进行拓展性选题。选定“解决小区问题的停车装置”和“辅助人工采摘水果装置”为主题，让学生自行组队，根据自身特点进行选题。选题确定后依次进行系统方案的创新设计、机构实现、机构分析及计算、模型制作。整个选题到分析的全过程任务作为《机械原理课程设计》这门课程的设计任务，完成设计图纸以及设计计算说明书，答辩通过，获得成绩和学分。
2.2 系统方案的创新设计
学生选题确定后，即开展所要完成目标任务的机械装置系统方案设计过程。在这个过程中采取2 次集中讨论的方式进行，由教师对学生的方案进行可行性分析讨论，并提出修改方案，从而形成一套合理的机械结构装置系统方案。整个系统方案的创新设计过程，主要实施者是学生，教师起到引导、监督和可行性指导分析的作用，这样的方法有利于学生发挥主动性并激发兴趣，在系统方案阶段就能将自己的思想融入课程设计之中。
2.3 虚拟仿真技术与图解法相结合的课程设计方法研究
随着计算机辅助设计技术的发展，本科生在本科阶段就应该灵活使用虚拟仿真类软件工具，应该促使学生课堂外利用计算机辅助设计技术进行知识的拓展和贯通。工程建模分析软件Matlab、PRO/E、Adams 和Matlab/Simulink 在机械原理课程设计中应该与图解法进行结合，图解法简单有逻辑性，但是这些工程建模分析软件能够帮助学生提高灵活设计的能力，并且对系统设计和详细设计都有提高。
在机械原理课程设计过程中将虚拟仿真技术与图解法结合分析，即在机械结构系统装置的形成过程中，要求学生通过PRO/E 等三维建模软件进行零部件和装配体建模，并通过这些建模软件中的运动仿真模块或者Adams 软件进行机构的干涉性分析及运动仿真分析。对有精力或者能力更强的学生，提倡其利用Matlab和Adams 进行机构系统的联合仿真分析。所有基于分析软件对系统机构进行的运动、动力学分析都对最终设计结果的优化提供依据。
2.4 课程设计培养能力的合理评价方式研究
基于机械创新设计选题进行的课程设计考核及评价可以从以下几方面进行综合考量：第一，根据组队学生选题后完成的系统结构方案的创新性、机构的合理性进行综合评价；第二，系统机构的详细设计、运动及动态静力分析；第三，最终设计完成的图纸、设计计算说明书；第四，进行答辩，考查学生整个设计过程中的表现。
根据实际运行过程对上述几方面评价指标进行研究，确定出各部分所占分数比重。最终，每位学生的课程设计成绩将根据上述几个方面的表现得分，以及其在整个设计小组里面的贡献多少进行综合评价，进而获得《机械原理课程设计》的课程成绩和学分。
3 结语
通过对目前《机械原理课程设计》教学中存在的问题进行分析，并基于机械创新设计的理念，依托我校机械工程学院“思拓大学生机械创新设计基地”以及“第八届全国大学生机械创新设计大赛”的主题，对机械原理课程设计的教学方法改革进行了分析，从课程设计题目的创新选题、系统方案的创新设计、虚拟仿真技术与图解法相结合的课程设计方法、合理的能力评价方法等4 个方面进行探索研究。该课程设计方法能够从系统与细节上将机械创新设计的理念慢慢渗透进整个机械原理课程设计的过程之中，最后使学生的理论及实践动手能力都有一个新的提高。本文的研究成果同时也能够为机械类相关技术基础课程将来的教学改革提供一点思路。