高校机械设计课程群教学改革--创新人才培养

机械设计课程群包括《机械原理》《机械设计》《机械创新设计》等课程，是应用型高校培养工程技术和应用技术型人才的重要课程。随着创新创业等内容的实施，目前的教学思想、方法、实验实践等内容已不能适应教学要求，因此迫切需要针对机械设计课程群进行教学改革。
　　一、机械设计类课程教学遇到的问题
机械设计类课程教学主要包括理论和实践教学。理论教学主要包括常用传动机构的设计及各种常用零件的设计计算等。实践教学主要包括教学配套实验和课程设计。最近很多应用型高校已认识到要加强大学生创新能力培养，对机械设计类课程也开展了教学改革，但就教学现状及效果分析，仍存在一些问题：
（１）机械工程专业相关学科近年来取得了较快的发展，机械设计类课程在教学内容上却没有及时更新。机械创新设计近年来出现了较多新型创新设计思路，课堂上却很少介绍，且机械创新设计课程滞后于机械原理和机械设计课程，因此使得学生所学的课程内容与学科的最新发展脱节，不能适应大学创新人才的培养。
（２）机械设计类课程与工程实际联系紧密，具有很强的实践性，目前课程的教学大纲偏向于理论知识的传授，而对于实践教学特别是工程实例教学缺乏足够的重视，不利于学生创新能力的培养。近年来虽然在实践课程和应用能力课程方面有所加强，但还存在与实际应用脱节、与生产与制造环节脱节、缺少工程实际创新能力培养等方面的问题。
总的来说，机械设计课程类课程存在各门课程衔接、教材案例与工程实际发展需求脱节、教学内容与学科的发展脱节、不能开拓学生创新思维等教学问题，尤其缺少对学生工程实际创新能力的培养，导致目前机械基础类课程创新设计教学效果不理想。
二、机械设计课程群及课程关联矩阵的建立
将机械设计类课程，《机械原理》《机械设计》《机械创新设计》《有限元分析》《基于ＡＤＡＭＳ的机械动力学仿真》《优化设计》《创新项目实践》建立课程群，通过实际产品的创新设计，将整个设计过程分散到各门课程的教学环节中，建立各课程之间的关联矩阵；针对课程群的实验和实践教学内容、教学方法进行改革和尝试，形成学习、实践、创新三结合，理实一体化的教学方法，提高学生的创新和实践能力。
机械原理课主要介绍机械系统运动方案、分析和设计机构，使学生掌握机械系统总体方案创新没计的初步能力；机械设计课介绍传动件和轴类零件的设计原理、设计方法和机械设计的一般规律，使学生能够综合运用理论知识设计机械系统的能力；机械创新设计课培养学生对机构、结构进行创新设计的方法和能力、以及创造性开发等方法。有限元分析介绍有限元法的基本思想，基于Ａｎｓｙｓ软件让学生掌握对机械和机器系统进行结构学分析、温度场分析、流场分析的能力。基于ＡＤＡＭＳ的机械动力学仿真课程对机械系统建模和动力学分析，输出系统的响应和运动副作用力。优化设计课程介绍了最优化理论、满足给定的约束条件下寻求最优解的方法，使学生掌握优化设计的基本理论及运用软件进行优化分析等。创新项目实践以实际项目为载体，由学生根据兴趣选题、在教师指导下完成项目并撰写报名参加答辩，培养学生解决工程项目难题能力的课程。
目前各门课程相对独立，从系统角度看，这种以讲解简单机构、具体零部件设计准则的教学方式忽视了总体设计的概念；且注重对课本知识讲解而忽视对创新能力的培养。为加强机械基础类课程之间的联系，需要建立机械设计课程群的概念，须从机械系统设计的角度修订教学大纲。
为解决机械设计群中各门课程之间的教学内容自成体系、衔接欠佳且不能综合应用的缺点，机械设计课程群改革将机械原理、机械设计、机械创新设计等相关课程作为课程群进行整体性建设，课程群内容具体包括：机械原理、机械设计、机械创新设计、优化设计、有限元分析、基于ＡＤＡＭＳ的机械动力学仿真、创新项目实践。
以“机械手”作为产品创新设计的实例，下图给出了机械设计课程群及课程的关联矩阵。其中，机械设计课程群以产品创新设计项目为载体，并机械设计课程群内专业课程进行了内容整合和重组，将各门课程依据所要培养的能力划分为若干模块，同时将产品创新设计的主线分解为方案设计、方案评价、零件设计、部件与总体设计、结构创新设计、优化设计、制造与测试等内容，贯穿于机械设计课程群内各课程教学的全过程。机械设计课程群内以机械原理、机械设计、创新项目实践三门课程为主干课程，基于ＡＤＡＭＳ的机械动力学仿真、机械创新设计、有限元分析、优化设计四门课程为辅修课程，通过课程内容的重新设计与整合，建立各相关课程之间的关联矩阵，修订教学大纲，进行课程衔接与一体化设计。

图　机械设计课程群关联矩阵
机械设计课程群打破传统从简单机构、到零件、再到创新设计的教学模式，将实际产品的机构、运动原理、相关零件设计、如何进行创新设计的概念贯穿到每门课中，将课程的具体知识点和机械手的创新设计结合起来，上课之初就布置了产品创新设计的题目。将机械设计课程群所要培养的能力分为五个模块：基础理论知识模块、计算分析模块、软件仿真模块、工程实例实践模块和机构创新设计模块。
下面以机械原理课程为例，介绍五个模块的内容。
（１）基础理论知识模块
以机械中机构的结构和运动为核心，贯穿机器的结构、受力、质量和运动分析，融入机构学学科前沿知识。
（２）分析计算模块
采用解析法进行机构的分析和设计，培养学生使用科学计算方法，编程进行理论计算。
（３）软件仿真模块
对于实际的机构，培训学生使用三维软件Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ、ＵＧ建模，在有限元软件Ａｎｓｙｓ、动力学软件Ａｄａｍｓ中进行仿真分析。
（４）工程实例实践模块
结合校内实验基地和校外实习基地，以工程实际机构为例，讲解机构的组成、运动分析和设计过程。
（５）机构创新设计模块
介绍基于组合原理创新、变异构型创新设计、再生运动链法的创新设计方法，介绍典型机构创新设计的思维方法，培养学生形成创新思维、提高创新能力。
教学过程中，在课程教学初期向学生布置产品创新设计题目，引导学生产品设计题目兴趣提交设计题目。历经三个学期，最终完成产品创新设计题目。
首先，机械原理授课过程中，随着课程五个模块的教学进程，同步进行产品方案设计与性能评价，且随着Ａｄａｍｓ、Ａｎｓｙｓ等软件的学习，引导学生使用软件仿真将完成的机构运动方案进行运动学分析，并结合机械创新设计内容进行方案的创新设计，在课程最后一周的课程设计过程中，实现机构运动方案的改进与创新设计。其次，接下来一学期机械设计授课过程中，基于机构运动方案，进行机械零件设计、部件设计与总体设计、结构创新设计。最后，在第三个学期创新项目实践授课过程中，结合优化设计方法对结构尺寸进行优化设计，然后进行产品的样机制造与测试，如果测试不通过，还要返回重新修改方案与设计过程，最终提交满足用户要求的设计参数与实际产品。
产品设计与各课程的关联矩阵，如表１所示，给出了产品设计过程、对应的教学课程和具体的知识点的对应关系。

表１　产品设计与各课程的关联矩阵
　　三、机械设计课程群实验实践教学改革
机械设计课程群实验实践的教学改革，从实验、实践和竞赛三个方面进行教学改革。实验方面，不但有基本演示型、验证性实验，另外增加了设计综合型和创新型实验，搭建了学生可自主设计实验的机械创新实验平台，培养学生针对实际机械产品综合分析的能力及创新能力。实践方面，增加了创新项目实训内容，对学生创新设计的产品进行优化设计与加工制造、检测。竞赛方面，通过各级创新实验项目及参加机械设计产品竞赛等激发学生参与创新实践的积极性。实验实践教学环节与机械设计课程群各课程的关联矩阵如表２所示。

表２　实验实践教学环节与各课程的关联矩阵
　　机械设计课程群实验实践教学改革具体如下：
（１）目前课程的实验教学内容大多数为验证性实验，不利于学生主动思考问题。为了提高实验动手能力，增加了创新型实验和综合型实验。建立以机构设计、零部件设计为主线，侧重既夯实机械基础并拓展知识面，又重视工程素质、工程实践能力，结合“机械创新设计与搭接实验台”，设计“机器人及机械手传动”“复杂传动系统”等实验，提高学生创新设计能力的实践教学思想。将以前纯粹的验证性机械类实验改革为认知、验证和综台型、创新型实验，建立包含机械原理、方案设计、结构设计机械优化设计、创新设计为一体的实验教学环节。
（２）课程设计教学实践改革，之前的课程设计是在理论课程学习完成后进行，改革后在课程开始时就让学生选择课程设计题目，让学生提前知道本次课程设计的内容，使得学生可以充分的查找相关资料，然后再针对设计内容充分进行设计方案的比较与性能分析，并在教师指导下进行系统设计与验证工作。
机械原理、机械设计、机械创新设计课程设计的题目结合“机器人传动系统”“智能自行车传动系统”的创新设计需求，将“新型机器人传动系统机构”“新型自行车传动机构”等作为机械原理课程设计的可选题目，将“机械手传动系统创新设计”“自行车传动系统创新设计”作为机械设计课程设计的可选题目，将“机械手传动系统机构及创新设计”“自行车传动系统机构及创新设计”作为机械工程基础课程设计的可选题目。引发学生结合工程实际思考，帮助学生自觉地走向科学的探索和研究中，引导学生解决实际应用技术问题，培养技术技能型创新型人才。
（３）积极组织大学生参加校内和校外的各项创新创业设计大赛，为学生提供创新实验室空间，激发学生的创新设计兴趣，培养学生将所学机械原理、机械设计、机械创新设计等知识运用到解决实际工程的创新设计能力。
　　四、结论
１．将《机械原理》《机械设计》《机械创新设计》等机械设计类课程整合为机械设计课程群，打破传统从简单机构、到零件、再到设计的教学模式，将机械系统、机械设计的概念贯穿到每门课中；将“机械手传动系统”“智能自行车传动”的机构设计、传动系统零部件设计、系统运动与动力学分析等贯穿于机械设计课程群的整个教学之中，加强课程之间有效衔接。整合和更新教学内容，建立各课程之间的关联矩阵、进行课程衔接与一体化设计。
２．将以前纯粹的验证性机械类实验改革为认知、验证和综台型、创新型实验，建立包含机械原理、方案设计、结构设计机械优化设计、创新设计为一体的实验教学环节。结合“机械创新设计与搭接实验台”，设计“机器人及机械手传动”“复杂传动系统”等综合型实验，提高学生创新设计能力。改革课程实践教学模式，设计题目结合实际机械产品的创新设计需求，培养应用型高校大学生的工程能力以及创新设计能力。
３．通过我校近两年机械设计课程群的教学改革实施情况，对于提升教学质量、提高大学生的创新和实践能力方面起到了良好的效果。