“机械原理”与“机械设计” 课程设计教学改革

工程教育专业认证是针对高等学校工科专业实施的专门性认证，也是实现工程教育和工程师资格国际互认的重要基础。高等教育质量问题成为社会关注重点，为进一步提高工科专业教学质量，对标国际标准，教育部于2006年启动了工程教育专业认证试点工作，2013年，中国成为《华盛顿协议》预备会员，2016年正式加入国际工程教育组织。“机械原理与机械设计课程设计”是机械类专业培养学生综合机械设计能力和创新能力的重要实践教学环节。课程主要任务为简单结构运动分析，简单的机械设计，旨在引导学生整合机械原理和机械设计的所学知识：机构运动简图、基本零部件设计校核、传动方案设计等，以期培养学生工科思维。如何对“机械原理”和“机械设计”课程设计教学进行改革，以适应新时代工程教育认证的新要求，是摆在各工科院校面前的一大挑战。
1、对“机械原理”和“机械设计”课程设计现状的分析“机械原理”和“机械设计”作为机械专业学科非常重要的专业基础课程，其课程设计大纲明确了常用机械零部件、机械传动系统、联系实际设计过程、正确的设计思想、分析和解决问题能力等要求指标。但传统的课程设计难以满足新时代工程教育专业认证标准。
本校目前仍存在以下问题：①机械课程设计的选题较为单一。“机械原理”课程设计只是对典型机构、四杆机构或凸轮机构运动分析。“机械设计”课程设计一直以来都是以二级圆柱齿轮减速器作为设计题目。题目传统单一，学生抄袭现象严重，不求甚解风气较重。与工程教育专业认证标准的符合学校定位、适应经济发展需要的培养目标尚有差距。
机械作为一门工科，理应与实际接轨，应与生产实践相结合，与社会发展需要契合，充分体现出各地区高校的机械专业特色。②机械课程设计的相关性不足。虽然机械原理中的执行机构和机械设计中的零部件设计都得到了训练，但学生学完机械基础系列课程后，缺乏对整体机械的认识，“机械原理”课程设计着重于运动分析，“机械设计”课程设计着重于机构零部件性能参数，二者甚至不在同一机构中，两门课程没有建立必要的对接点，使学生没有形成一个有机的整体系统工程的认识以及掌握机器设计的完整过程。
2、课程设计改革探索
景德镇陶瓷大学于2019年全面启动工程教育专业认证工作，“机械原理”和“机械设计”课程设计正是培养机械电子工程学院学生创新及实践能力的关键教学环节之一。对照工程教育专业认证标准，考虑将“机械原理”和“机械设计”课程设计在选题和内容上加以融合，实行统一题目，并且结合立足于本校特色的陶瓷机械，以期满足工程教育专业认证标准的培养目标、课程体系、毕业要求等要求。对照标准，在教学内容、教学目标和组织实施上提升对机械课程设计的改革。
2.1教学内容的改革
对照工程教育专业认证标准的培养目标标准：突出学校特色、学校课程特色。根据本校培养方案和要求指标，教研组对课程设计大纲进行探讨，将课程设计的选题立足于极具本校的陶瓷机械特色。从实际陶瓷机械中提炼难度适中又符合机构运动和传动教学重点来自陶瓷生产中实际的设计题目，如颚式破碎机、高压注浆机、厢式压滤机、真空练泥机等。并且带学生进入现场参观陶瓷生产过程，讲解陶瓷机械的内部结构和动作。例如讲解颚式破碎机连杆机构的粉碎黏土材料过程，辊压机的电机到辊轴上的传动过程，在学习专业知识的同时还与实际结合、与陶瓷特色相融合。另一方面，结合教师的科研项目拟定合适的课程设计题目，允许并鼓励学生根据经验和兴趣自己拟定课程设计选题。
2.2教学目标的改革
工程教育专业认证标准的课程体系标准为工程类专业课程要体现整体系统设计和实现能力的培养。本课题课程设计的选题需具有综合性，全面培养学生的机械设计能力，所选的设计题目所需的机构应覆盖“机械原理”课程中所学的主要机构和“机械设计”重点讲授的带传动系统。在工程教育专业认证理念指导下，将“机械原理”课程设计和“机械设计”课程设计结合起来，统一题目，完成设计的全过程训练。使学生将“机械原理”和“机械设计”的课程设计为相同机构的不同题目，例如高压注浆机机构及传动装置设计、厢式压滤机机构设计及传动装置设计、真空练泥机机构设计及传动装置设计、颚式破碎机机构及传动装置设计，如图1所示。内容之间逐步递进，深入完成课程设计，并且题目贯穿两个课程，由浅而深引导学生自主思考，完成综合性的课程设计。

图1 颚式破碎机四杆机构及部分传动装置
2.3组织实施的改革
工程教育专业认证标准的工程能力和工程要求标准：能否解决简单的实际工程问题，能否就复杂工程问题和同行、其他专业人士及社会公众有效沟通。
考核的标准重点分别放置在如下方面：①学生的工程实践性。学生查阅资料的能力、观察分析问题的能力和设计计算的能力，学生对设计课题的理解程度，传动方案和执行机构是否可行。特别关注受力分析、材料选择、工作能力计算、主要参数及尺寸确定、结构设计、设计资料和标准的运用等。鼓励利用计算机二维CAD或者等三维软件进行课程设计。
培养学生的创新精神，应对未来工程挑战。②学生撰写报告、文稿设计和发言表达能力，答辩时学生的语言表达能力和对问题的论述能力。并全面分析所设计的机构的优缺点。剖析整个设计计算过程，对设计资料和标准的运用情况的表述，提出今后在设计中应注意的问题，并设想出改进方案。通过这个综合课程设计掌握机械设计的方法和步骤，培养学生发现和分析、解决工程实际问题的能力。
3课程设计具体实施
工程教育专业认证标准提倡的是“做中学”的教学模式和“以工程为导向”的教学方法，以期培养学生的工程设计能力与实践操作能力，有效地提高教学效果。以“化整为零”的教学方式进行课程设计改革，结束“机械原理”和“机械设计”课程学习后再将相关课程设计的集中式设计模式，变为先分散再集中的设计模式，使课程设计所进行的理论设计计算与结构分析设计与理论教学同步进行。具体措施如下。
在开始学习“机械原理”课程时，介绍“机械原理”和“机械设计”课程设计的相关内容和设计要求，让学生按自愿组合的方式组成研究学习小组，一般为3～5人，并要求学生优先选择从陶瓷机械中广泛搜集的合适的综合性课程设计题目。
在“机械原理”课程教学结束后，进入综合设计的第一阶段，时间为1周。此阶段包含两方面的内容：方案设计，典型机构的分析与综合。方案设计阶段以小组为单位，组织学生参观讨论，在分析机器的结构、传动方式、工作原理以及各部件的功能顺序的基础上，绘制机器运动循环图，确定最佳设计方案；机构的分析与综合阶段主要是从设计方案中选取最具代表性的机构，进行机构的尺寸综合、机构运动分析和力分析，并初步确定其传动方案，编写机构设计说明书，准备第一阶段答辩。
“机械设计”课程教学结束后，进入综合课程设计的第二阶段——机械设计课程设计部分，时间为3周。针对第一阶段确定的最佳设计方案中的执行机构及其传动方案，在理论教学中，以课外作业形式要求学生完成挠性传动、齿轮传动、键、轴、轴承等零件的设计计算和选用；在“机械设计”课程教学结束后的集中设计阶段，学生利用所学的零件设计的相关知识，评价在第一阶段初定的传动方案的合理性，并加以优化改进。传动方案确定后，进行传动装置的设计计算、零件的结构设计和强度校核，然后绘制装配图和零件图，编写此阶段的设计说明书，准备第二阶段答辩。
明确有目的性的考核。增大课程设计在总分中的比例，以还原工科课程实际工作时的能力要求。考核的标准重点放置在学生的实践性和创新性上，主要考察学生观察分析能力和机械设计计算能力。其中课程期末考试占40%，课程设计占40%，平时成绩占20%。鼓励学生学习并且利用CAD完成课程设计，或者用ADAMS、UG等三维软件进行三维建模或仿真设计，对做出正确仿真的学生给与一定加分。全面准确地反映学生学习能力，刻意地引导学生解决可提升实际运用能力的问题。
4、结束语
传统机械课程设计已然无法满足新时期的工程要求，对机械设计及其自动化专业学生的课程设计进行改革迫在眉睫。工程教育专业认证作为推进工程教育改革的主要手段，是增强工程教育人才培养对产业发展的重要保障，是促进工程教育的竞争力的关键因素。实现工程教育标准对学生能力的要求，在学习中走向实践，在实践中把知识反馈给社会，还需不断探索。