時間：2023-12-27 10:45:34
引言：易發表網憑借豐富的文秘實踐，為您精心挑選了九篇機械原理的課程設計范例。如需獲取更多原創內容，可隨時聯系我們的客服老師。
機械原理課程是車輛工程專業的主要技術基礎課程之一，在專業課程體系中處于承上啟下的重要地位，機械原理課程設計是課程教學的重要實踐環節，其目標是提高學生基礎知識運用能力并增強機械設計創新意識[1]。隨著時代的進步，賦予傳統實踐教學新教學手段的教學改革勢在必行，作為目前流行的集成化系統軟件UG，憑借其卓越的設計分析應用功能，可為課程設計教學提供十分強大的支持。針對我院車輛工程專業機械原理課程設計存在的瓶頸，基于專業特點，提出了基于UG平臺的課程設計新模式，并通過實例分析探討了具體實施方法，為機械原理課程設計的教學改革提供了新思路。
1 當前課程設計在教學中面臨的瓶頸
1.1 設計思路單一，技術手段滯后
設計思路以參照機械原理課程教學中機械系統方案設計的知識體系進行，每名學生針對所選機械系統提出設計方案，通過對比方案選出最優設計，最終通過二維設計軟件AutoCAD將設計構思表達出來。顯然，這種基于傳統圖解法的二維設計已無法有效激發學生的設計熱情，使本應生動的實踐過程變得枯燥。
1.2 專業特色不突出，難以調動學生積極性
課程設計選題仍以通用機械為主，且學院各專業選題內容沒有區別，車輛工程專業學生在設計中很難將本課程與車輛工程聯系起來，這種有效關聯學生難以構建，因而難以有效調動學生的積極性。
1.3 缺乏現代工程軟件應用能力
我院隸屬于農科院校，先進設計手段在教學中的應用還較為滯后，尤其是在現代工程軟件的應用方面，至今學生還未系統地學習一款三維設計軟件。先進的設計工具凝聚著先進的設計思想，如何借助現代工程軟件平臺，最大化地將現代設計思想灌輸給學生，是我院亟待解決的問題。
1.4 缺乏設計分析一體化的整體思維能力
由于缺乏現代工程軟件的應用支撐，學生在課程設計中往往只是一些機構的簡易拼湊，對方案的可行性、合理性、工作是否會相互干涉等問題無法進行深入思考與切實驗證，從而無法有效獲得機械系統整體思維能力。
2 課程設計新模式
為了改變目前我院車輛工程專業機械原理課程設計的現狀，提出了基于UG平臺的課程設計實施新模式，通過將現代工程軟件融入課程設計中，提高學生的設計能力。
2.1 工程設計軟件平臺的選擇
針對機械原理課程設計特點，選擇的軟件平臺應具有三維建模、機構仿真、運動及動力學分析功能，另外，考慮到本科階段學生能力和精力有限的特點，不宜涉及多款專業軟件，盡量以學習一款能解決設計中諸多問題的集成化軟件為佳， UG正是集CAD/CAE/CAM一體化的大型系統軟件，而且實用性好，越來越受到中國高校及企業用戶的青睞，而且UG每個版本的更新都能同步反映當代最新的設計方法和理念，為學生今后的知識更新與擴容奠定基礎。
2.2 具有專業特色的課題選擇
在課程設計題目的選擇上，緊緊圍繞車輛機械這條主線，針對車輛工程領域常見的機械結構進行傳動方案設計、運動仿真以及動力分析。選題基本方針是將各種車輛機械中相應的常見機構作為優選課題，并且為避免課題單一，必須在題目設計上實現多樣化、個性化。例如同一機構類型在不同車輛類別、不同型號車輛、不同設計參數下進行設計，這樣既能保證學生設計不重題，又能有效促進學生之間的討論與交流。以專業特點為導向的課題選擇，不僅實現了課程學習與專業學習的融合，達到了學以致用的效果，而且也很好地激發了學生的學習動力。
2.3 分層次的設計與指導
分層設計與指導從兩個層面展開，其一，擴大選題范圍并增加選題層次；其二，基于因材施教的原則，將3～6人作為一個小組，新模式下的分層設計是將一個大課題細化為若干層次的小課題，組員根據自身能力和興趣選擇一個，小課題難度分層次且關聯遞進，整個大課題只有在每個小課題都完成的情況下才能完成。這種模式不僅便于指導教師的分類指導，也有利于學生獨立思考與團隊合作。
2.4 新模式的實施框架與目標
通過框架圖可以看出，新模式的技術載體是UG軟件，UG軟件工具運用的熟練程度直接決定了整個課程設計的進展情況。因此，新模式的前期準備階段至關重要，為了在課程設計正式開始之前使學生對軟件有一定的了解，需要教師將工程軟件有效引入整個機械原理課程教學中，這方面已有許多教學工作者將之引入機械原理課程教學中，并在提高教學效果的同時就如何提高學生軟件運用能力方面作了有益的研究和實踐[2，3]，值得借鑒。教師指導重點是把握課題的分層次布置、設計方法的引導以及軟件使用技巧的點撥。在整個設計過程中，小組成員共同討論方案的擬訂，然后根據能力層次分工完成機構建模、運動分析、動力分析、設計優化等環節，每個環節在獨立設計的基礎上又離不開團隊合作，在設計完成后以期每名學生既能對所選課題建立起系統的認識，又能熟練掌握相應設計環節的軟件運用。
通過這種新模式的實施，所要達到的實踐教學目標如圖2所示。借助UG平臺進行的課程設計，基本目標是使學生同時獲取綜合運用基礎知識和軟件應用能力，理想目標是學生完成課程設計后能形成系統的設計思維，創新能力有所提高。
3 新模式實施案例
以具有車輛工程專業特點的典型汽車發動機機械系統為例說明，新模式的實施。三維虛擬設計模型框圖如圖3所示。
3.1 針對專業特點挖掘設計課題
挖掘具有專業特點的設計題目，發動機是車輛的心臟，透徹了解它的結構是車輛工程專業相關課程教學的一個重點。如圖3所示，將發動機整個機械系統作為一個大課題，以發動機活塞運動仿真與分析a、發動機氣門運動仿真與分析b、發動機氣閥聯動運動仿真與分析c為子課題，其中a對應于曲柄滑塊機構，b對應于凸輪機構，c對應于齒輪機構，這些常用機構建模、裝配及仿真，教師在前期準備環節中，都應通過UG軟件平臺將其融入機械原理課程教學中。類似的課題還可以從車輛傳動機械系統轉向機械系統、制動機械系統等中挖掘，車輛類別可從普通汽車擴展到農用車輛、鐵路車輛等。
3.2 分層次地設計指導
本課題可根據學生能力和成績，按分層教學思想和模式分配給3～6名學生共同完成。其中對于成績差的學生，指導重心應放在運用基礎知識創建典型機構的運動方案上，如活塞運動、氣門運動、氣閥聯動的工作原理擬定及運動尺寸的確定，并學會運用UG創建單個零件的三維模型；對于成績較好的學生，指導重心應是學會運用UG進行單一機構的裝配設計和干涉檢查；對于成績好、能力強的學生，指導側重點放在整機的運動仿真及方案優化上。在整個設計過程中，每個層次的指導又不是割裂的，每個子課題相互關聯遞進，強調每名學生在有所側重的基礎上共同參與，實現系統思維的構建、綜合能力的培養。
3.3 基于UG的設計過程
在機械原理課程設計中，UG軟件平臺主要借助建模、裝配和運動仿真三大模塊功能。首先，學生要對UG建模模塊中的常見操作命令熟練掌握，領會三維建模思想，這是每一名學生在課程設計開始之前必須達到的要求；其次，學生進入UG裝配模塊進行機構的裝配設計并進行干涉檢查，這一環節需要教師進行示范演示并穿插上機強化；最后，在機構裝配完成后進入UG運動仿真模塊，學生通過仿真結果，給出方案評價或方案優化。
4 結束語
UG軟件平臺背后的CAD/CAE技術已逐步成為現代產品設計的主流技術，我們必須樹立新的教育質量觀念，調整和改進機械原理課程設計的內容和手段，提高課程設計的技術含量和設計質量。如何更有效地發揮諸如UG這一類現代工程軟件在工科教學中的作用，是我們教學工作者面臨的一個重要課題。
參考文獻
[1] 王濤，張艷華.機械原理課程設計新模式的探索與實踐[J].中國電力教育，2010（1）：155-156.
[2] 陳奇，朱家誠，公彥軍.將計算機軟件引入機械原理教學的探索與研究[J].合肥工業大學學報：社會科學版，2011（1）：145-148.
[3] 華劍，晏亮.工程軟件在機械原理教學中的應用 [J].長江大學學報：自然科學版，2008（3）：363-365.
【關鍵詞】機械原理課程設計；團隊；現代設計方法；創新
0 引言
機械原理課程設計是機械類學生進入大學以來第一次真正意義上的課程設計，是利用已學過的知識進行比較全面地、具有實際內容和意義的設計，也是機械原理課程學習的一個必要實踐環節[1]。為了適應競爭日益激烈的企業對具有高素質工程人才的需求，有關機械原理課程設計的教學改革如課程設計的方式、內容、組織形式、探索如何培養學生的創新設計、計算機輔助設計以及團隊合作的能力等，一直在各高校中進行[2-3]。
目前國內高校對機械原理課程設計的選題一般采用兩種做法：一種是選用已有的典型機械（如牛頭刨、壓床等），進行比較系統的運動分析、力分析等，重點在于加深學生對機械原理課程各章節的理解和掌握；另一種是以培養學生的創新能力為目標，學生自選課設題目以小組為單位進行課程設計，亦或是在機械原理課程設計中引入創新實驗等[4-5]。
這些以提高學生創新能力為目標開展的多形式改革，打破了傳統設計中的問題和不足，建立起了傳統課設中缺乏的工程價值觀，能充分調動和發揮學生的主動性，均值得我們學習和借鑒。
1 傳統“機械原理課程設計”中存在的弊端
1.1 傳統設計題目單一，時間短、任務重
我學院十幾年來一直延用同一個課設題目――小型精刨機主切削運動機構設計，每位設計者采用圖解法完成機構在兩個瞬時位置時的運動分析和力分析，手繪在A1的圖紙上，并編制相應的設計說明書。一方面教師指定了課設內容和課設題目，學生只要按照要求按步驟進行即可，造成學生因有完整現成資料參考而缺少方案創新，達不到訓練學生收集和運用設計資料的能力，與時展和要求特別是與面向工程實際應用的卓越人才培養有了不小的距離[6]。
另一方面，課程設計安排在課程講授完，大概十四周之后，由于班級較多，可用教室較少，需要串聯進行，其中總會有四個～八個班將被安排在考試周或考試周的前一兩周進行，正值各科考試（電工技術、工程材料、材料力學）陸續進行，學生忙著應對考試，加上真正用于課設的時間不足四天，時間短任務重，留給學生思考的時間不多，便會導致學生著急趕進度，一味追求進度而忽視了設計的質量，出現投機取巧的現象。往往學生還沒有太明白是怎么一回事，課設就結束了，來不及對方案進行思考和分析，更談不上鍛煉和提高學生的設計能力。
1.2 傳統設計手段落后，理論脫離實際
教育部高等學校機械基礎課程教學指導分委員會2009年制定了“關于深化機械原理課程實踐教學改革的意見”，其中明確指出目前機械原理課程實踐教學改革應當重點關注的問題之一是商業軟件（如ADAMS、Pro/E等），在實踐教學中應用的相關問題。計算機三維虛擬設計技術的應用已經成為社會對工程技術人員一項必不可少的需求條件。而傳統的設計方法無論是用圖解法還是解析法，設計中都是過于側重理論，偏重知識的積累，這種模式是中國傳統的高等教育的人才培養模式，在歷史上曾發揮過重要作用。隨著產業結構的轉型升級，傳統的教學模式暴露出了許多缺點，設計過程與工程實踐完全脫節，學生在設計過程中僅是被動地接受知識，無法真正培養工程應用能力，對工程意識建立、工程應用能力培養等都有不利影響，根本談不上培養學生理論聯系實際的思想，也訓練不了學生編輯計算機程序來輔助解決問題的基本技能。
1.3 傳統設計參數差別不大，缺乏創新能力
傳統課設過程中，教師給每個班級分配三個方案，一個小組完成其中一個方案，對于同一小組的各成員，其設計參數僅限于原動件的角位移的區別，其它一概相同。而且一般是幾個班同時進行設計，而各不同班級之間的區別也僅在于行程速比系數的差別，雖然各學生設計任務中的結構尺寸有差異，然而差異卻不明顯。這便使得部分學生有了可乘之機，借助復印手段，學生從設計開始手頭就有了往屆學生的設計說明書作為參考，他們只需要將其中相應的數據加以簡要改動，照著說明書的步驟照貓畫虎開始畫圖，自然說明書中的錯誤也將被一并帶入新的設計，甚至有的學生為了交差，說明書全盤照抄別人的，使得說明書數據與圖紙對不上也是時有發生。這樣的課程設計對于學生理論知識的鞏固起不到多大作用，沒有主動參與和思考的熱情，體會不到設計的樂趣所在，更不要說對創新能力的培養了。
1.4 傳統設計個人意識強烈，缺乏團隊協作精神
由于全班同學課程設計的方案和內容相同，每位同學完成從結構設計到運動分析、力分析一項完整的任務，不需要同學間的協作，最多涉及到同學間幫帶的關系，大多學生自己埋頭做自己的，團隊之間相互協作的精神也很難發揮，體現不出團隊合作中的榮譽感和責任感。
2 基于創新能力培養的《機械原理課程設計》改革實踐
2.1 提前布置課設題目，建立工程意識
目前的課設任務均是課程設計周的第一天布置，學生直到課程設計開始才明白要完成的任務，一些接受能力差一些的學生或者基礎理論不扎實的學生很難在第一時間進入設計狀態。
為給學生留出較多時間來查閱相關資料，課程設計的任務布置應安排在學生開始上課后的前面階段，這樣一方面使得學生有了更多的時間來收集相關資料，為課程設計的進行積累更多的理論基礎；另一方面，學生帶著課設任務進行平時課程的學習，使得學習過程有了目標性和針對性；同時可以將學到的理論知識用于指導實踐，有助于學生從平日的生活和工程實踐入手選題，以產品為導向，使傳統課程設計理論實踐相脫離的問題得以改善，更加強調學生綜合能力的培養，有利于激發學生學習興趣、建立工程意識。
2.2 引入現代設計方法，提高設計主動性
將現代工程設計方法和手段融入課程設計，更新課程設計的方法，改變傳統的手繪制圖的落后方式，不僅可以鞏固對三維設計軟件的掌握程度，為今后的學習和工作奠定基礎，同時，使課程設計中遇到的運動學、動力學等復雜問題變得簡單、直觀和精確，彌補學生力學知識的薄弱和實踐經驗的不足，增加學生的成就感，可以提高學生創新的積極性，建立傳統教育中缺乏的工程價值觀，從而激發學生的學習興趣，轉變學習態度，有助于營造獨立創新、自由探索的良好環境，提高學生設計的主動性。
2.3 擴大設計題目類型，培養創新能力
從日常生活、工程實際中廣泛搜集合適的課程設計題目，擴大題目的數量和類型，提高學生的興趣，也給學生以充分的想象和發揮的空間，使他們學會獨立思考、積極創新。特別是前期學生通過互聯網、圖書館，有的還討教自己的親朋好友。搜集資料的過程中，不僅增長知識，同時可以培養學生檢索文獻的能力。
2.4 以小組為單位，激發團隊責任感
為更好地體現課程設計的目的，鞏固學生的理論知識，更清楚認識設計的概念，同時培養團隊合作的精神，以培養學生的綜合設計能力，采用研究設計小組形式，發揮每個人的特長，集思廣益，互相合作，能夠比較全面有效地解決問題，使知識的掌握更加準確和深刻培養學生團隊協作能力，增強每個學生的參與意識和設計的積極性。同時也可避免互相抄襲現象，調動后進學生的積極性，使其體會到團隊的力量是無窮的，形成協作意識，增強責任感，有利于發展良好性格，為將來工作崗位上的合作奠定基礎。
3 課程設計改革的實施內容
3.1 制定課程設計實施規范
機械原理課程設計改革首先要明確的是統一整體操作規范，若每位教師都有各自的實施方式和評價標準，沒有形成統一的評價體系，這對所有學生來說是不負責任的，容易造成不良影響，甚至是教學事故。為了規范課程設計，需制訂實施規范，主要包括實施方式、實施步驟、考核及評分方式等內容。
3.2 搜集課程設計題目
課程設計題目的制定是課程設計順利開展的關鍵。一方面鼓勵學生自選課題開展研究，另一方面教師從日常生活、工程實際中廣泛搜集合適的課程設計題目供學生挑選。不管哪種方式，教師均需從可實施性方面考慮，從整體上把握課題的難度及工作量；同時從課題的內容上考慮，讓學生覺得既有興趣又不陌生；還要從創新角度考慮題目的新穎性，給學生以充分的想象和發揮的空間，鍛煉創新能力。“設計也是一種創新”，在培養學生創新能力的同時，典型機械的分析和設計對于學生來說也是不能缺少的，可以要求學生在現有傳統方案基礎上進行進一步的設計和優化。
3.3 編制“基于SolidWorks的機械原理課程設計”指導書
為改變傳統的手繪制圖的落后方式，適應現代工程的需要，我們將三維設計軟件SolidWorks引入課程設計，由于學生對該軟件比較陌生，教師需編寫相對應的基于SolidWorks的課程設計指導書來輔助學生在較短時間內完成相關工作。指導書內容以一種典型傳動機構（例如小型精刨機）為例，詳細介紹基于SolidWorks對機構進行結構分析及運動仿真的詳細步驟，一方面包含參數化機構的創建，另一方面為機構的運動仿真，即通過SolidWorks Motion 和SolidWorks Simulation 模塊對方案進行動態仿真分析。
4 結束語
基于創新能力培養的《機械原理課程設計》改革實踐，通過以小組協作形式完成課程設計，改變了以個體為單位的傳統模式，更有利于調動和發揮學生的主觀能動性，培養學生團隊協作能力。
課程設計題目從生活實踐入手選題，以產品為導向，使傳統課程設計理論實踐相脫離的問題得以改善，更加強調學生綜合能力的培養。
將計算機輔助設計引入課程設計，更新課程設計的方法，不僅鞏固對三維設計軟件的掌握程度，同時提高學生創新的積極性，建立傳統教育中缺乏的工程價值觀，可以推廣至機械相關專業。
【參考文獻】
[1]安子軍.機械原理[M].北京：國防工業出版社，2009.
[2]黃小龍，劉相權.機械原理課程設計改革的研究與實踐[J].科技教育創新， 2011，24：182.
[3]朱玉.CDIO 工程理念在“機械原理課程設計”教學中的應用[J].中國電力教育CEPE，2010，1：138-140.
[4]張傳敏， 崔寧， 張恩光，等. 獨立院校機械原理課程設計教學改革與實踐[J]. 科技信息： 15-16.
關鍵詞 機械原理 機械設計 課程優化
機械原理與機械設計課程開設歷史悠久，兩門課程始終作為全國各工科院校機械類專業主干技術基礎課程。近年來，隨著機械學科的飛速發展、我國高等學校機械類專業人才培養實施寬口徑化、21 世紀人才綜合能力培養的需求，再次審視兩門課程的教學體系、課程內容和教學方法，認為依舊存在問題需要探究與改革。
一、存在的問題
（一）內容有交叉與重復現象。機械原理和機械設計兩門課程的教學內容基本變化不大，課程內容自成體系，相互之間缺少銜接，存在內容交叉和重復的問題。
（二）缺少系統性。兩門課程缺少對機械系統的介紹，學生學完了兩門課程，仍對機械沒有整體的認識，對機械的設計過程缺少了解，兩門課程的總體效能未能充分顯現。
（三）實踐環節不足。兩門課程的實踐環節難以適應對學生工程意識和實踐能力培養的需求，缺少主動性實踐的環境。
二、理論教學體系的整合與優化
機械產品的設計一般要經過產品的規劃、方案設計、技術設計等環節，通過機械原理和機械設計課程的學習，學生不僅應掌握一般機械產品設計所需的基本理論知識，還應對機械系統有一個整體的認識，并應了解機械產品設計的基本過程。為此筆者嘗試突破“機械原理”和“機械設計”兩課程的界線，將教學內容和教學環節進行了重組、融合及整體優化，合并為“機械設計課程。
（一）課程目標。通過本課程理論教學、實驗及課程設計等環節，實現總體教學目標：培養學生的工程意識和創新精神；使學生對機械產品具有整體的概念和正確的設計思想；掌握機械系統設計的基礎知識，初步具備一般機械方案設計和分析的能力；掌握常用機構及其傳動的運動學設計和工作能力設計的基本知識，掌握通用零部件設計計算和選用的基本知識，初步具備一般通用機械的設計能力；培養學生查閱和運用機械設計相關標準、手冊及網絡息等技術資料的能力。
（二）理論教學體系。在有限的學時內，合理取舍課堂教學內容，是關系到能否真正實現課程目標的關鍵。經過多年的仔細斟酌、反復探究，提出精、寬、新的授課原則：精——精選重點和難點的內容進行詳解與指點，避免煩瑣公式的推導和易于自學的內容占用過多的學時；寬——拓寬學生的知識面，注重工程應用，啟發學生舉一反三；新——注重機械學科發展、將機械學科的科研成果融入教學，讓學生了解機械學科的新技術、新方法。
三、實踐教學體系的構建
實踐教學體系由實驗教學、機械實例分析與設計（大作業）、典型機械設計（課程設計）三部分組成。三個模塊均以加強自學能力、研究能力、動手能力及工程意識與創新精神為培養目標。
（一）實驗教學。在實驗教學中將計算機技術和網絡技術與現代實技術相結合，加強實驗內容的綜合性與設計性，如增開了典型機器與機構分析、機構系統創意組合、機械系統創意組合等綜合性實驗，對啟迪學生的創新意識和培養學生的設計能力起到非常積極的作用。
（二）機械實例分析與設計。本課程傳統的課外作業內容雖然對一些基本概念、定義的理解起到一定的作用，但是由于各章相對獨立、就題論題、解題方法千人一面等問題，讓學生感到枯燥無味，抄襲現象嚴重。為了解決此問題，將“書本習題”大大減少，增加數個綜合性、實踐性很強的機械實例分析大作業。
（三）課程設計。課程設計是很重要的一個教學環節，課程設計的性質決定了它在對學生進行素質教育，培養學生工程意識和設計能力等方面具有獨特的優勢。原來的機械原理和機械設計的課程設計是分開的，相互之間沒有聯系，機械原理的課程設計是以機構的分析為主，機械設計是以零件的強度分析和繪制圖紙為主，教師不僅限定了設計題目和方案，還給學生提供了非常齊全的參考資料，學生的創新意識得不到發揮。將兩門課程的課程設計進行了優化整合，從題目的選擇到實施過程，更加符合現代機械的設計思路，即把過去僅進行機構和零部件的尺度綜合、運動分析和動力分析，改變為進行機械系統的綜合設計。使學生的創新潛能得到了發揮，提高了設計的能力、計算機運用能力、形象思維的能力。
四、教學方法與手段的改革
近年來，隨著兩門課程體系的改革和深化，課程內容不斷更新和增加，但教學學時相對減少，學時與內容成了突出矛盾。如何激發學生興趣、啟迪學生的潛能, 提高學習的自主性和能動性,使學生在較短的時間內掌握機械設計的基本理論與方法；如何培養學生的工程意識、創新精神和設計能力，是教學方法和教學手段研究的重要課題。
（一）從培養興趣入手。興趣是成才的起點，是成就事業的沃土。學習興趣能激勵學生充分發揮學習潛能，提高學習效率和質量。
（二）開放式教學。開放式的教學方法，一是要打破傳統的“一本書”，大力提倡課外閱讀，讓學生了解教科書之外相關領域的知識，更要讓學生了解新理論、新方法和新技術。二是打破“一言堂”，給學生適當的“自由”，鼓勵學生向老師提出問題，幫助學生樹立“不唯書、不唯師、只唯實”的實事求是精神；三是教師不要把所有的知識點得“完美無缺”，要給學生的自學留有余地和空間。
（三）倡導主動實踐。被動實踐是指實踐的對象、方法、程序等關鍵要素都是由老師制定的, 學生在老師規定的框架中, 沿著老師制定的路線去完成實踐任務。
參考文獻：
[1]濮良貴,紀明剛.機械設計（第八版）[M].高等教育出版社TH122.2006.5.
摘要：本文以六桿機構牛頭刨床為例，在運動學分析的基礎上，應用Matlab軟件編程實現了牛頭刨床的位移、速度和加速度的變化曲線，完成了對牛頭刨床的運動仿真，通過使用Matlab，為機械原理課程設計的改進提供了一個新的思路。
關鍵詞：Matlab；機械原理；課程設計；六桿機構；運動仿真
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）52-0077-02
機械原理課程設計是機械原理課程重要的實踐環節，培養學生機械系統運動方案設計的初步能力。目前機械原理課程設計的方法有圖解法和解析法兩種，圖解法需要學生列出矢量方程式，作圖求解，其優點是幾何概念清晰、形象，缺點是作圖比較煩瑣、精度不高[1]。解析法需要學生針對給定機構建立運動學模型，求解出位移方程、速度方程和加速度方程、編程求解，根據求解結果繪制相應曲線。解析法需要學生具有一定的編程能力，其優點是求解精度高，培養了學生運用現代化的手段解決設計問題的能力。
Matlab是美國Mathworks公司開發的大型科學計算軟件，本文以機械原理課程設計中常見的牛頭刨床為例，首先利用矩陣法對機構進行運動學分析，然后利用Matlab編程求解，繪制仿真曲線，直觀再現牛頭刨床從動件的運動規律。
一、牛頭刨床工作原理概述
牛^刨床是一種用于平面切削加工的機床，圖1所示為牛頭刨床主運動機構的運動簡圖，由導桿機構1-2-3-4-5帶動刨頭5及其上的刨刀作往復切削運動。刨頭右行時，刨刀速度較低，刨刀進行切削，為工作行程。刨頭左行時，刨刀快速退回，刨刀不切削，有急回特性，為空回行程。設計數據如表1所示。在工作行程中，牛頭刨床受到很大的切削阻力（在切削前后各有一段約0.05H的空刀距離，H為行程距離），而空回行程中則沒有切削阻力[2]。
二、Matlab仿真分析及參數測量
當牛頭刨床六桿機構中導桿CD處于左極限位置時，曲柄與x軸夾角為194.84度，刨頭上E點坐標為（796.52，-495.5），為便于分析，以此位置作為曲柄順時針旋轉和刨頭位移的起始位置，在Matlab中編寫程序，首先定義各桿長度及曲柄旋轉角速度，然后根據先前推導的運動學方程編程實現[3]，其源代碼如下：
n1=72；w1=2*pi*n1/60；Lac=430；
Lcg=796.52；Lab=110；Lcd=810；Lde=291.6；
dy1=[]；ddy1=[]；Pos=[]；
for theta1=（194.82/180*pi）：-pi/100：
（194.82/180*pi-2*pi）
S3=sqrt（（Lab*cos（theta1））^2+（Lac+Lab*sin（theta1））^2）；
theta3=acos（Lab*cos（theta1）/S3）；
theta4=pi-asin（（Lcg-Lcd*sin（theta3））/Lde）；
Se=Lcd*cos（theta3）+Lde*cos（theta4）；
SS=[theta1，theta3，theta4，S3，Se]'；
Pos=[Pos，SS]；
A=[cos（theta3），-S3*sin（theta3），0，0；
sin（theta3），S3*cos（theta3），0，0；
0，-Lcd*sin（theta3），-Lde*sin（theta4），-1；
0，Lcd*cos（theta3），Lde*cos（theta4），0]；
B=[-Lab*sin（theta1）*w1，Lab*cos（theta1）*w1，0，0]'；
dy=A＼B；
dy1=[dy1，dy]；
dA=[-dy（2）*sin（theta3），
-dy（1）*sin（theta3）-S3*dy（2）*cos（theta3），0，0；
dy（2）*cos（theta3），
dy（1）*cos（theta3）-S3*dy（2）*sin（theta3），0，0；
0，-Lcd*dy（2）*cos（theta3），-Lde*dy（3）*cos（theta4），0；
0，-Lcd*dy（2）*sin（theta3），-Lde*dy（3）*sin（theta4），0]；
dB=[-Lab*cos（theta1）*w1^2，-Lab*sin（theta1）*w1^2，0，0]'；
ddy=A＼（dB-dA*dy）；
ddy1=[ddy1，ddy]；
end
theta1=-1*（Pos（1，：）*180/pi-194.82）；
theta3=Pos（2，：）*180/pi；
theta4=Pos（3，：）*180/pi；
S3=Pos（4，：）；
Se=Pos（5，：）+495.5；
Ve=-1*dy1（4，：）；
Acc=ddy1（4，：）；
plot（theta1，Se），grid on
xlabel（'曲柄轉角（^o）'）；
ylabel（'刨刀位移（mm）'）；
axis（[0，360，0，450]）；
title（'位移曲線'）
plot（theta1，Ve（1，：）），grid on
xlabel（'曲柄轉角（^o）'）；
ylabel（'刨刀速度（mm/s）'）；
axis（[0，360，-2250，1500]）；
title（'速度曲線'）
plot（theta1，Acc（1，：）），grid on
xlabel（'曲柄轉角（^o）'）；
ylabel（'刨刀加速度（mm/s^2）'）；
axis（[0，360，-20000，20000]）；
title（'加速度曲線'）
編好程序后，可調用繪圖函數繪制相應的位移、速度和加速度曲線。
三、結束語
將Matlab引入機械原理課程設計的教學中，能夠使學生掌握利用解析法計算公式設計機構的實際技能，提高學生利用計算機進行機械設計的能力，激發學生的學習興趣，使其動手能力和創新能力均得到提高。
參考文獻：
[1]孫恒，作模.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2012.
關鍵詞：卓越教育；機械原理；機械設計；精品課程；課程改革
作者簡介：張洪雙（1976-），男，吉林梅河口人，河海大學機電工程學院，講師；樓力律（1973-），男，浙江湖州人，河海大學機電工程學院，副教授。（江蘇 常州 213022）
基金項目：本文系2013年江蘇省高等教育教改研究立項課題（課題編號：2013JSJG121）、面向“卓越計劃“的機械設計課程教學改革研究和實踐（項目編號：XZX/13A001-25）的研究成果。
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0067-03
我國提出的“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱“卓越計劃”）旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才。河海大學是首批卓越計劃的試點高校，同批的高校包括清華、北航、浙大、南大等重點高校，目前國內各高校在機械原理和設計課程上主要從課程的教學體系、課程內容、教學方法、課程的配套教材、課程的師資隊伍建設、教學管理等方面進行努力和嘗試，提高學生的創新意識和能力，提高學生的工程實踐能力。[1]國外和國內“卓越計劃”相近的工程教育模式為CDIO：[2]構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate）。該工程教育模式由麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學自2000年起，經過四年的探索研究后提出的，是近年來國際工程教育改革的最新成果。
機械原理及機械設計是以高等數學、機械制圖、理論力學、普通物理、材料力學和工程材料等先修課程為基礎的，并為學習有關機械類專業課程奠定必要基礎的一門課程。通過課程的學習，學生需要掌握機構學和機械動力學的基本理論、基本知識和基本技能；初步具有擬定機械系統方案、分析和設計機構的能力；掌握通用機械零、部件的設計原理、方法和機械設計的一般規律，具有設計通用機械零件和簡單的機械裝置的能力；具有運用標準、規范、手冊、圖冊和查閱有關技術資料的能力等。因此本課程具有從理論性課程過渡到結合工程實際的設計性課程，從基礎課程過渡到專業課程的承先啟后的橋梁作用。機械原理及設計課程理論性較強和實踐結合緊密，且各章節相對較獨立，內容多，因此在其教學過程中應注重貫徹少而精原則，不強調面面俱到，知識點要突出，適當增加寬廣度，注重機械發展的新概念和新方向。
國家提倡的精品課程建設是以一流教師隊伍、一流教學內容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理等為特點的示范性課程。面向卓越工程師的機械原理及設計精品課程建設的目的是針對卓越教育的特點，從教學隊伍建設、教學內容和課程體系改革、先進的教學方法和手段、教材建設、理論與實踐結合、課程建設全面規劃等方面進行努力和發展，使卓越教育的機械原理課程教育教學在各方面符合國家示范性課程的要求。[3]
一、課程建設方法
根據精品課程建設的要求，并結合河海大學（以下簡稱“我校”）自身的發展和基礎條件，從以下幾個角度進行了相關工作：
1.面向工程應用的課程設置
機械原理及設計是機械類專業的一門重要的專業基礎課，在整個專業培養和課程體系中具有十分突出的地位，是從基礎課過渡到專業課、從理論性分析為主過渡到工程實踐為主的一門課程。該課程是學生接觸工程化的第一個實踐環節，因此如何深化工程化的概念對于機械原理的教學十分重要。
隨著各高校的擴招，年輕教師的數量越來越多，而且具有博、碩士學位的比例越來越高。目前各校新引入的年輕教師主要是從學校到學校，缺少工程經驗；企業導師具有豐富的工程實踐經驗，但在理論高度和課程教育上又有所欠缺，所以工程化教育的師資隊伍建設成為時展的需求。結合國家級“河海大學—寶菱重工卓越工程實踐中心”的建設，為增加年輕教師的工程實踐經歷，在學生進駐企業的同時，各專業指導教師需要全程陪同，參與到企業的實踐項目建設中。建立企業內實踐的各學習模塊，為各模塊配備校內教師和企業導師，采用雙導師制，企業導師負責實踐教育，校內教師負責理論教育，相互學習，既提高了校內教師的實踐能力，也為企業帶來了較新的理論分析方法。而為了提高課堂教學時課程中工程應用的比例，進一步借鑒了蚌埠學院的相關做法：[4]優先引進同時具有高學歷和工程實踐背景的師資人才，聘請企業內高級技術人員做校外兼職導師；集合學院乃至校區的力量，積極參與常州市及周邊地區的建設，增強校企聯合；鼓勵專利、產學研結合和技術服務，而不僅僅是理論研究和科技論文。
2.課程實施條件
在課程建設的具體實施過程中，主要從教師隊伍建設、教材規劃、教學條件保障等方面入手。
（1）主講教師：從機械原理及設計的教學人員構成來看，任課教師中有1名教授、1名副教授、3名講師，學歷均在碩士以上，年齡從35歲到50歲，結構合理、年富力強，形成了一個教師梯隊。課程的主講教師在本科教育教學、教改研究等方面具有十分豐富的經驗。為了提高教育教學效果，全體任課教師定期召開教學例會、集中備課、針對教學過程中出現的問題及時處理和分析，不斷總結經驗。
（2）教材規劃：理論課教學選用了由東南大學出版、吳克堅編著的《機械設計》教材。該書是教育部“高等教育面向21世紀教學內容和課程體系改革計劃”的研究成果，是面向21世紀課程和普通高等教育“十五”國家級規劃教材。該教材以機械系統設計為主線，將機械原理和機械設計內容進行有效的整合。精品課程建設中，教材規劃參考天水師范學院的立體化教材建設方法。[5]立體化教材包括主教材、教師參考書、學習指導書、電子教案、CAI課件、網絡課程、試題庫等。該教材的建設與機械原理和機械設計的課程內容、改革體系相結合，電子教案和課件能夠及時反映教學改革的要求，網絡課程建設促進教學改革的嘗試，逐步提高機械原理及機械設計的教學水平。
（3）教學保障：卓越機械原理及機械設計的教育依托于本科教學平臺，能夠充分保障課程教學的教學要求。20多年來，學校不斷加大投資力度，完善建設，學院的教學設備先進、設施齊全。學院設有本科教學的機械基礎省級實驗教學示范中心、河海大學常州校區工程訓練中心、機械基礎省級實驗教學示范中心，其中省級實驗教學中心在2007年立項建設，2010年順利通過江蘇省驗收；專用與通用儀器和設備價值達2000余萬元；學院實驗室占地4000余平方米，擁有實驗設備儀器1200余臺套。目前實驗室開設的實驗課程主要包括：機構運動簡圖測繪、齒輪參數測量和范成、機構運動參數、螺栓連接、軸系零件組合、減速器拆裝和自行車拆裝等基礎實驗，以及機構運動拼接和機構組合實驗等多個創新型實驗環節。通過基礎實驗環節，學生能夠加深對課程內容的理解和把握；通過創新型實驗環節可以進一步提供學生的創新實踐能力。除了校內的實驗環節，還依托“河海大學—寶菱重工卓越工程實踐中心”，對企業內部的設備、設計、工藝和檢驗等環節進行跟蹤學習，讓學生深入到車間生產一線，切身體會和了解企業內生產流程，為更好地適應企業環境打下良好的基礎。
（4）網絡化教學：為了提供一個自主的學習平臺，提高教師對學生的教學管理能力，增強學生全方位的素質，完善了網絡化教學模式。[6]我校機械原理及機械設計的精品課程網站內容（圖1）主要包括課程簡介、教學管理、教師隊伍介紹、教學資源等。其中教學資源主要包括助學式課件、思考題、練習題、習題答案、課程重點及難點解析等。網站中設有留言信箱，方便同學對于課程的疑問和問題能夠及時與老師溝通、聯系。
3.課程評價體系
課程評價圍繞課程培養目標，不僅要評價學生掌握的知識與技能，而且還要評價學生課堂的表現、出勤率和學習過程。評價時以課程考試為主要的評價方式，并輔助以課堂表現和出勤率等，力求評價方式的多樣化。[6]單純的期末考試不能完全反映學生對課程的掌握程度，目前各高校大多都采用多種方式，如課后作業、報告、實驗、小測驗、考試等進行考核，表1所示為根據我校卓越教育的特點采用的評分標準和比例。多樣化的考核方式使學生必須注重平時的學習積累，不能通過突擊的方式完成課程考試，學生有了積極學習的壓力和動力，更能均衡地反映學生學習的實際水平和學習效果，符合正態分布。
表1 多樣化的考核方法
考核項目
作業 實驗 隨堂測驗 企業實踐 期末測試
20% 15% 20% 15% 30%
4.課程改革與創新
機械原理及設計課程具有較強的實踐性和可動性的特點。即課程研究的所有問題都來源于生產和生活中實際的機構與機器。因此學習方法要注意課程的特點，在學習過程中尤其應注意理論知識與實踐應用的相結合、機構運動簡圖與具體實物的結合、機構的靜態分析與動態分析相結合、形象思維與邏輯思維相結合，將理論分析內容和工程軟件的應用相結合。
機械原理及設計的課堂教學、教學方法與手段等方面力求創新改革，探索適合卓越計劃學生學習的課程體系和教學方式，培養學生的學習興趣、創新思維和獨立分析問題、解決問題的能力。
（1）教學內容的創新：針對卓越計劃教育中學生的理論學習時間壓縮而需要提高實際應用能力的學習特點和需求，在機械原理及機械設計課堂教學中的主要內容為：機械運動方案選型設計、機構運動分析與尺寸綜合、機械動力學分析和設計、常用零部件的選擇、常用機構選擇及設計、機械系統設計等。此外還要重視介紹學科發展的新動態、新方向、新內容，注重激勵學生的學習欲望，調動學生的積極性，讓學生了解更多更新的理論、技術與方法。實踐教學方面主要包括小項目和專題、實驗教學、課程設計、課外創新等。[7]近年來國家以及江蘇省組織了大學生創新訓練計劃、機械創新大賽等，在創新競賽的過程中提高了學生的創新意識，使學生得到了實踐鍛煉的機會，開闊了眼界。
（2）教學方法的創新：機械原理及設計教學方法配合教學內容的改革，加強與學生的互動，將以教師為主的‘灌輸式’教學向以啟發式、問題式、討論式教學為主的新的教學方法轉變，讓學生從被動學習轉變為主動學習，真正成為教學活動的主體。
鼓勵學生應用成熟的工程軟件進行相關課程內容的學習中。例如在原理部分章節中涉及到的圖形法采用AutoCAD軟件來分析和設計，既可以得到比手工繪圖精確得多的解，又可以鍛煉利用AutoCAD軟件繪圖的能力。在解析法中可以結合matlab軟件教學，既可以直接利用matlab編程的方法，具有豐富的庫函數、編程簡單、可視化功能強，又可以采用simulink和simMechanics進行機構的運動學和動力學分析。[8]如圖2所示，某曲柄搖桿機構中，各桿件長度分別為l1=120mm，l2=40mm，l3=70mm，l4=100mm，在曲柄運動角速度250rad/s，利用simulink分析得到桿件BC和CD的角速度曲線。零件的強度分析是機械設計中的一個重要內容，應用有限元軟件可以得到非常直觀的應力及位移圖形。[9]如圖3所示為應用ANSYS 13.0對某齒輪進行強度分析的應力和位移圖，其中齒輪模數mn為2mm，齒數z為24，螺旋角β為10°，材料45鋼，在輪齒上受到20Mpa的力。對于這類專業軟件有時學習起來比較困難，耗時間，可以采用一些其他三維造型軟件自帶的一些插件進行近似的分析，如Solidworks Simulation等，雖然結果上有一定的差異，但對于受力的整體變形趨勢的分析仍然有很大的參考價值。
（3）教學手段的創新：在教學手段上，著重培養學生對機械系統的整體認識，突出課程重點，有效分析課程難點，課堂教學過程能夠吸引學生的注意力，注重學生的參與，啟發學生的思考和聯想，加深學生對課程基礎理論的理解。培養學生主動應用課程所學內容，鍛煉其獨立解決工程實際問題的能力。教學方法得當，充分利用多媒體教學，激發學生學習興趣，提高教學效果。[10]多媒體課件中除了課程的文字性內容外，還要包括自制的動畫課件和機械相關的視頻信息，如企業內各種設備、工具和零部件及加工錄像等。此外，在機械原理及設計課程中有關結構分析、運動分析、常用零部件選型、強度分析和計算等方面的教學還應該注意多媒體和板書的綜合利用。
二、總結歸納
機械原理及設計課程在“卓越計劃”教育的課程體系中處于承上啟下的地位，因此加強卓越班級機械原理及設計的精品課程建設具有非常重要的意義和作用。在課程建設過程中，從面向工程化、保證課程實施、課程評價體系以及課程改革和創新等方面采取不同的措施和方法，可進一步提高卓越計劃的教育教學質量，提高學生的學習興趣和自主性，提高學生的實踐能力和創新能力，使學生能夠牢固掌握機械原理及設計中的相關基礎知識和內容，為機械類后續課程的學習打下良好基礎。
參考文獻：
[1]林健.“卓越工程師教育培養計劃”通用標準研制[J].高等工程教育研究，2010，（4）：21-29.
[2]王剛.CDIO 工程教育模式的解讀與思考[J].中國高教研究，
2009，5（1）：86-87.
[3]Zhang H S，Liao H，Liu B，Zhou J.Discussion on Education of Innovation and Practice Talents [J].Education and Education Management 2012，（3）：349-353.
[4]李大勝，張輝，呂明，等.“工程化”背景下《機械原理》實踐教學體系改革的探索[J].赤峰學院學報（自然科學版），2013，（29）：222-225.
[5]羅海玉，李琴蘭，鄭麗.機械原理課程的立體化教材建設研究[J].天水師范學院學報，2007，（27）：75-77.
[6]董惠敏，錢峰，高媛，等.基于網絡的機械原理自主學習模式[J].實驗技術與管理，2011，（28）：133-136.
[7]趙世田，周海，劉道標.“機械原理”雙語教學實踐與探索[J].中國電力教育，2012，（31）：31.
[8]王俊峰，田麗萍.Matlab運動仿真在機械原理課程設計中的應用[J].機電產品開發與創新，2009，（4）：187-188.
【關鍵詞】機械設計；課程；創新能力培養
0.前言
創新是一個民族的靈魂，是人類社會發展的不竭動力，自19世紀工業革命以來，創新推動著機械工業不斷發展。特別是近十余年來，包括信息科技在內的高新科技與傳統機械科技的融合，形成了新的概念與思想、新的結構與功能，新產品新工藝不斷涌現。機械工業的進步促進了機械工程學科的創新與發展，同時對機械工程教育提出嚴峻的挑戰。在我國，高職院校機械類專業均開設了《機械設計》課程，它為一般的機械類產品設計提供了基本原理和設計方法，而設計原理、設計方法的創新同產品綜合性能的創新是一脈相承。因此，對于機械類大學生而言，如何在課程教學中加強創新意識、創新思維、創新知識、創新人格的培養就體現的尤為重要。本文將分析目前高職院校機械設計創新教育存在的問題，通過創新教學思想、創新理論教學內容、創新實踐教學內容和創新綜合課程設計等，對培養學生創新能力進行了有益的探索。
1.目前高職院校《機械設計》創新教育存在的問題
1.1教學方法與手段方面
隨著科學技術的日益發展，提倡在教學中充分利用多媒體技術的背景下，受教育資源等客觀因素的影響，相當一部分學校的《機械設計》課程教學仍處于傳統的教學模式中，即教師借助于掛圖、簡易的實物模型等來說明機械的工作原理、結構、設計理論與計算方法。由于教師語言的表達能力的差異和學生知識水平的參差不齊，這種教學方式很難達到教與學的共鳴，理論與實踐的嚴重脫節，部分學生聽完也只能知其然但不知其所以然，導致學生在下面被動聽的應試教育，把設計看作是自己遙遙不可及的頂點，甚至認為和自己沒有關系，被動學習，沒有創新意識。
1.2人才培養的目標不明確，影響創新教育
教學目標是教學的靈魂，教學要以目標為起點，又要以目標為歸縮。我國在很早就提出建設創新型國家，所以高等學校都具有培養創新型人才的重任，即把培養具有創新精神和實踐能力作為重要的質量目標，重點是提高學生的發展能力。什么是學生的發展能力？我們認為它應該具備適應社會發展需要，既適應當前又適應未來的能力，而一些專業教師對當前經濟發展狀況和未來趨勢陌生，對企業發展人才需求及崗位能力要求缺乏應有了解，對企業技術進步和科技發展前沿、新技術應用缺乏足夠的了解、認識和掌握，缺乏實踐經驗等，這些因素往往會造成他們對所承擔的專業教學培養目標定位不準，從而也就無創新能力教育可談。
1.3教學內容的選擇不合理，忽視學生創新能力的培養
目前，我國的高等教育由精英教育轉變為大眾教育，高職生源素質有了很大的變化，其高考文化成績大都位于考生群體的中間層，邏輯思維智能優勢不突出；另一方面隨著社會發展與科學技術進步，新技術、新工藝不斷涌現，催生了特殊功能的零件，出現了許多新的設計理念和設計方法，特別是計算機輔助設計。因此在教學中應適當增加新知識、新方法和新理論。
1.4客觀條件的利用和創造存在局限性
雖然有的學生具有創新動機，能積極尋找新的學習方法，但由于學校創造性學習條件的局限以及學生自身不善于利用學校的現有條件，缺乏向知識經驗豐富的老師或同學請教的勇氣，往往不能把握本學科最新發展的動態和相關學科知識的橫向關系，由此制約了學生創新能力的進一步發展。
2.本課程教學中創新能力培養思路
2.1教學思想的創新
2.1.1教師要有強烈的創新意識
自古以來，我國教師的職責被限定為“傳道，授業，解惑”，它對教師所持的“以傳授知識為中心”的教學觀念，有著根深蒂固的影響。如果教師本身缺乏對認知理論的學習和研究，自身沒有建立起創新教育的意識，對學生創造性天賦和行為所表現出來的個性特征了解的十分有限，缺少促進學生創造性思維發展所需的具體教學策略和技能。只停留于替學生“解惑”，而沒有讓學生學會和掌握“解惑”。一個創新精神、創新能力方面的欠缺的老師，如何對學生所進行創新能力教育。
2.1.2創新能力的培養作為《機械設計》教學的一個重要目的
傳統的課程教學的目標只是要求學生掌握，機械零件設計的基本原理和基本方法。創新教育只是作為其中一個內容而非目的。實踐證明培養學生的創新能力比單純讓學生掌握機械設計的基本知識更為重要。機械設計理論和方法是機械創新的基礎，而創新能力是學生進行機械創造活動的出發點和內在動力。這就需要把對學生創新能力的培養與正常的教學活動有機的融為一體。需要把這兩者都作為教學目標進行考核和評估。
2.2創新理論教學，培養學生創新能力
2.2.1構建有利于培養學生創新能力的課程教學內容
傳統的機械設計課程是以工作原理—常見類型—失效形式—結構的合理設計—參數的合理選擇—必要強度、剛度及壽命計算為教學路線，這種教學內容突出是機構分析和機械設計理論，邏輯性較強，但學生一旦遇到工程實際問題就會茫然不知所措，也即解決實際問題能力十分有限，因此我們要改變傳統的以機構分析為主線的課程體系，構建以機械設計為主線、創新能力為培養目標、基于工作過程的新課程體系。該體系可將教學內容劃分為三大模塊十三大項目（如上圖），積極采用項目教學法，以工程事例為任務起點，以解決實際問題為歸宿，增強教學內容與職業活動之間的聯系。新課程體系更加貼合工程實際和人才培養的規律，充分體現了學生設計能力培養的循序漸進性，為學生創新能力的培養建立了一個良好的基礎。
Abstract： The mechanical design is based on practice and application of a highly basic course. On the one hand, this paper proposed to develop and apply a set of courseware system with modern teaching methods to improve teaching effectiveness, on the other hand, to enhance four abilities of students in basic courses of mechanical design.
關鍵詞： 機械設計基礎課程；能力；培養
Key words： the basic course of mechanical design; ability; training
中圖分類號：G71 文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2010）35-0282-01
1加強機械設計基礎課程的教學優化
1.1 改善現有的教學手段，研究開發出一套新型適應現代化教學的課教系統，提高機械設計基礎及其相關課程的教學效果電化教育是現代社會經濟，科學技術與教育發展的產物，是實施教改和開展課題研究的需要，是提高教師自身業務素質的需要，是加強教師備課程度，優化課堂教學過程的需要。使用電化教學要注意以下幾個要點：①要有利于創造生動和諧的教學情境；②要有利于發揮學生學習的主動性；③要有利于學生智力發展和能力培養。而不論是傳統教學方法還是現代電化教學方法，都應堅持“學生為主體，教師為主導”，要有效地發揮學生的主體作用，真正突出學生的主體地位，防止電教為“電灌”。因此，在教學設計上，預先估計學生在學習過程中心理上會發生變化，適時合理運用電教媒體，實現教學過程的優化。媒體使用的最佳時機，主要有以下幾種情況：重點內容尚未引起學生注意時，學生思維展開尚缺少形象材料時，復雜機械動作的運行方式難以想象時。投影片的使用方式，可以是老師先演講，后播放，再概括；也可是先設疑，后播放，再演講；還可以邊播放邊講解等。為獲得課堂電化教學的最佳效果，必須先進行教學設計，然后再動手制作教學課件。
1.2 利用新型的動態模型展示，提高學生實踐感受力華裔諾貝爾獎得主楊振寧等人也多次對我國教育不重視培養學生的創造性提出批評。提倡死記硬背，實行題海戰術，使用標準答案，壓制學生的個性發展，把教學過程單純理解為對現有知識傳透和積累，在教學方法和考試制度上也是重繼承輕創新、重灌輸輕發現等等，這是當前我國教育包括高等教育普遍存在的流弊。
2提高教師自身實踐創新素質
機械設計基礎課程是一門創新實踐性很強的課程，年輕一代的創新能力要靠教師的創造力去培養。而教師要想勝任自己的教學工作，不僅要善于不斷地更新和擴充自己的知識，還要能交給學生獲取新知識的方法；而這些不斷更迭的新知識、新技能，又難有召之即來的現成的教科書提供答疑和咨詢；只能靠教師本人在豐富多彩的實踐中去摸索、去探討、去學習、去掌握。當前部分教師在認識上有“重理論、輕實踐”、“重課堂、輕課外”的思想，有些人片面的認為只有增加投入才能提高實踐教育能力；另外，在教師能力方面，存在部分教師專業實踐能力不足，不能積極主動地參與實踐教育活動，一些從校門到校門的青年教師扎在的小圈子里，缺乏從事專業實踐教育的底氣。通過探討機械設計基礎課程理論教學與增強實踐相結合的過程中，促進教師對自身實踐創新素質提高的思考。這就要求教師必須具有相應的獨立思考、自主意識和懷疑精神，具有學習能力、實踐能力和創造能力；要注重自身的知識積累；要樂于參加實踐活動，教師的教學實踐能力不僅表現在對學生的方面，而且更體現在對自己教學活動的反思上。這種反思是教師教學實踐的重要內涵。不能及時反思自己的教師不是好教師，而這種反思是教師不斷提高自身素質的一個重要途徑。
3在機械設計基礎課程教學中加強培養高職學生的四種能力
3.1 將四種能力的培養貫穿課程教學過程中高職高專教育是培養面向生產第一線的應用型工程技術人才。從職業教育、專業、職業的關系來看，職業教育課程應以工作過程為導向。既工作過程導向課程的名稱和內容不是指向科學學科的子區域，而是來自職業行動領域的工作過程，且以項目、任務、工藝、范例、案例、設備、產品、實驗、廠家等作為課程的實踐形式。傳統的機械設計基礎課程內容包括機械原理和機械零件兩大部分，理論性強、概念抽象，涉及的基礎理論和知識面廣、系統性強，各自成體系。這種學術型的教學模式顯然不能適應高職高專教育對應用型人才培養目標的要求。根絕從職業群眾歸納整合出的典型的職業工作過程。結合歷屆畢業生的調查反饋信息及用人單位對機械設計基礎課程教學的要求，可對機械設計基礎課程進行全面改革，將原機械原理、機械設計的教學內容按一般通用機械的設計過程來安排。
3.2 加強教學方法和教學手段的創新研究在教學過程中，堅持教學方法與教學手段的改革，施行“精講多練”及啟發式教學、討論式教學、案例教學等等，突出學生四種能力的培養/如對于機械創新設計方面的內容采用討論式教學，將工程案例引入課堂中，由教師提出案例問題，學生分組討論，激發學生自主學習的積極性，提高學生的創新能力。采用理論教學、現場教學、實驗教學等教學手段相結合，形象直觀，用大量的應用實例讓學生對生產和生活中的機械裝置和機構有更廣泛的了解，開闊了眼界。
3.3 大力開展第二課堂圍繞課程教學內容的改革，大力開展第二課堂活動，如舉辦科技文化藝術節、科技人文講座等，同時積極組織學生參加全國性競賽活動，如全國大學生數學建模競賽、大學生"挑戰杯"創業大賽、機械創新設計大賽等，培養學生的實踐能力、創造能力和就業能力、創業能力。如機械創新設計大賽，學生可自由報名、自選課題參加比賽，在此過程中教師僅起到拋磚引玉的作用，組后學生將自己完成的作品在大賽演示并參加評獎，充分發揮學生的創造能力。此外，還可積極引導學生參與教師承擔的部分科研或科研項目，學生能夠從中或得許多創新設計的感性認識和理論知識，學到許多書本中沒有的東西，并可以綜合運用到已學過的知識，解決實際問題，從而提高學生的實踐能力和創造能力。
針對當前《機械原理》課程設計的教學現狀，分析其不足，并基于OBE工程教育理念，對《機械原理》課程設計的教學模式改革進行了探討并付諸實踐。《機械原理》課程設計是機械類各專業學生在學習《機械原理》課程后進行的一個重要的實踐性教學環節，其模式的改革為適應新形勢下對機械類學生機構選型、機械系統運動方案設計和創新設計能力的培養提供了良好的平臺和借鑒，具有重要意義。
關鍵詞：
OBE；工程教育；《機械原理》課程設計
為了推進工程教育改革，促進中國工程教育的國際互認，培養與國際接軌的中國工程師，由專門的職業或行業協會（聯合會）、專業學會針對高等教育機構開設了工程類專業實施專門性認證，工程教育認證強調工科專業人才培養質量達到行業提出的基本質量標準要求，是一種合格性評價[1，2]。工程教育專業認證強調的三個核心理念：產出導向（Outcomebasededu-cation，簡稱OBE）、學生為中心、持續改進，這些理念代表了工程教育改革的方向，是一種先進的教育理念[3]。我國若要成為《華盛頓協議》正式簽約組織，就必須基于OBE理念，深化我國的工程教育改革和工程教育認證體制。《機械原理》是機械類專業必修的一門重要的技術基礎課，它是研究機械的工作原理、構成原理、設計原理與方法的一門學科，而《機械原理》課程設計是緊隨《機械原理》課程之后的實踐性教學環節，是《機械原理》課程的延伸[4]。基于OBE工程教育認證的12條畢業能力要求及課程規劃，《機械原理》課程設計需培養的主要能力包括：1）掌握工程基礎理論知識并能將其應用于工程問題（畢業要求1）；2）具有分析和解釋數據，得到合理、有效結論的能力（畢業要求2）；3）具有綜合運用機械設計理論和技術手段設計復雜機械系統、部件和過程的能力（畢業要求3）。本文基于OBE工程教育理念對《機械原理》課程設計課程能力的上述四條要求，結合近年實踐經驗，闡述我校《機械原理》課程設計改革模式，并為其《機械原理》課程設計改革提供參考。
一、機械傳動系統設計能力
《機械原理》內容包括兩部分，其一是對現有機構的學習，包括構型分析、運動學和動力學的學習；其二是針對具體任務，利用所學機構學知識，設計傳動方案。前者稱為分析，后者稱為型綜合，《機械原理》學習的最終目的，就是要達到型綜合的高度，《機械原理》課程設計正是鍛煉綜合能力的實踐教學。遺憾的是，傳統的《機械原理》課程設計，體現不出OBE所要求的設計系統的能力，復雜機械系統更無從談起，因此，改革勢在必行。基于OBE教學理念的課程設計改革使設計題目多樣化，調動學生設計的積極性而不限制其思維，并且課程設計只提出最終要求而不限制方法，為了讓學生在規定的時間內獨立完成設計任務，題目不宜太深太復雜，其原則為：題目具有綜合性，以運動方案設計為主；題目要覆蓋《機械原理》課程的主要內容；題目應結合生產實際，是學生在日常生活、生產實踐中所熟悉的；題目的設計結果應包括兩到三種基本機構，也允許選用其他常用機構或組合機構；題目要有一定的靈活性和創新性，有利于發揮學生的創造力。在設計題目確定后，需對已選題目提出三種運動方案，并經反復論證，確定一種最佳運動方案進行設計和分析。這種自由選題的模式可大大提高同學的興趣。設計方案由學生獨立提出，經獨立地分析、比較后確定最佳方案，以發揮其主觀性、創造力，使學生受到一次真實的設計訓練，進而提升其機械傳動系統設計能力。此外，改革后的課程設計，學生們可以自由組合，每個小組自由選擇設計題目，小組成員分工協作，共同完成設計任務。從選題、論證、設計到最后提交設計成果，共同討論、研究，各自發揮自己的長處，不僅培養了創新意識和創新能力，也使他們體會到團隊合作的作用。這也符合OBE培養大綱中工程畢業生個人能力和人際團隊能力培養的要求。
二、工程基礎理論知識應用能力
傳統的《機械原理》課程設計中，方案確定之后，其相關運動參數也隨之給定，每個學生需要做的就是繪制機構運動簡圖，利用圖解法和解析法對所選機構的位移、速度、加速度及力進行分析，并繪制機構運動線圖和作誤差分析，最后編寫課程設計說明書。從本質上來說，這樣的設計僅能算一次作業，效果并不理想。盡管學生都能按部就班地完成設計任務，但卻調動不了學生的設計興趣，對工程基礎理論知識的應用缺乏深刻理解，談不上對學生的畢業能力的培養。基于OBE教學理念的課程設計改革使設計題目多樣化，只提出最終要求而不限制方法，學生可以充分地利用所學的理論知識去解決實際的問題。考慮到《機械原理》課程設計時間較短，教師在《機械原理》課程教學中，需提前做出安排，如現代工具的使用、軟件的學習、各種方法的比較、綜合性作業安排等。任務的不確定性導致解決方法的多樣性。學生需要根據所選擇任務，基于所學的機構學知識，甚至查閱相關文獻去設計解決方案，當多個設計方案確定后，需要比較各方案的優缺點，必然會深入了解每個所設計的傳動方案，最終方案確定后，需對其進行結構、運動學和動力學分析，因有了方案設計的深刻理解，設計的目的已非常清楚，在相應分析時，對方法的選擇和掌握自然水到渠成，加深了對所學理論知識的認識，明確了理論知識的實際應用，從而不至感覺學無所用。
三、分析和解釋數據能力
在我國的工程教育認證中，第二條畢業要求學生能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論[5]。傳統課程設計整個傳動方案為教師所指定，分析方法固定，無需學生深入了解，只需按部就班完成畫圖和分析即可，可見，傳統課程設計在第二條畢業能力要求上基本沒起到培養作用。改革后的課程設計，從設計任務到設計方案的確定，均需要學生根據具體情況進行分析，然后根據所學知識，自己設計傳動方案，并需要通過多方案的比較而得出可行方案。在方案確定后，詳細設計傳動系統時，需要根據實際任務確定各參數，最后對機構進行分析，并對數據進行誤差分析。為了更真實地讓學生理解數據的意義和正確性，要求學生對所設計的傳動方案進行全部或者部分的搭接實驗，通過搭接實物并測量參數，再與理論分析數據進行對比，找出誤差存在原因，從而得出相應結論。
四、考核方式的改進
評估學習產出是OBE教育模式中十分重要的環節，如何合理地對各項能力進行客觀評價，對課程的改革及持續改進有非常重要的作用，與課程設計所培養能力相對應，《機械原理》課程設計成績分為四部分：選題成績、平時成績、設計成績及答辯成績。各部分成績分值及考核依據如下。選題成績占總成績的30%。主要考查設計機械傳動系統方案能力。每個團隊均需通過PPT形式，結合參考文獻查閱或調研情況，對自己團隊的設計任務進行說明，根據所定任務設計兩到三種機械傳動方案，每個方案中必須包含兩至三種典型傳動機構，并且必須包含四桿以上連桿機構。根據傳動方案是否合理、考慮是否周全、有無創新點、是否實用進行綜合考核。平時成績占總成績的10%，主要依據設計階段的出勤情況和態度評定，這是設計正常進行的基本保證，也是初步對畢業要求9中個人與團隊能力的培養。設計成績占總成績的40%，主要評估工程基礎理論知識應用能力與分析和解釋數據能力，根據所選擇分析方法、數據分析的正確性、模型建立、運動仿真、簡圖繪制等進行評價。答辯成績占總成績的20%，各組將集中設計階段的工作及成果以PPT形式作匯報，主要介紹組員分工及完成情況，組員自評分，搭接視頻等，并回答提問，據此評判答辯成績。通過此類考核方式，對畢業生的能力9（個人與團隊）和10（溝通，包括撰寫報告和陳述發言、清晰表達或回應指令）也起到初步培養的效果。此外，上述基于OBE工程教育理念的考核方式對教師的教學投入提出很高要求。例如：教師需要投入較多的精力和心血研究繁瑣的教學目標分解和教學方法選擇，要求其自身具有扎實的專業理論知識、較廣博的基礎知識面、較強的動手能力及計算機應用能力。對設計中可能出現的各種方案及其特點要有充分認識，能夠正確引導學生，使他們經過認真思考和分析比較后，可以選擇一個適當的方案。這樣才能適應當前實踐教學改革和發展的需要，從而有效引導學生積極思考，培養他們的創新能力。
五、結束語
經過近兩年的實踐，發現根據OBE教學理念改革后的《機械原理》課程設計，為學生機械傳動系統設計能力、工程基礎理論知識應用能力、分析問題和解決問題的能力以及團隊合作和工程實踐能力的鍛煉和提高提供了很好的平臺，并確實取得了較好的效果。然而，OBE工程教學模式是一個系統的工程，無論是在設計內容，還是在設計方法和評估方式上，還有很多需要完善之處，需要進一步的改革和探索，持續改進，以更好地培養學生相應的畢業能力，實現培養與國際接軌的中國工程師的目標。
作者：曾達幸 李飛 侯雨雷 宜亞麗 鄭立娟 張芳芳 單位：燕山大學機械工程學院
參考文獻：
[1]中國工程教育專業認證委員會.工程教育認證一點通[M].北京：教育科學出版社，2015.
[2]余天佐，劉少雪.從外部評估轉向自我改進—美國工程教育專業認證標準EC2000的變革及啟示[J].高等工程教育研究，2014，（6）：28-34.
[3]顧佩華，胡文龍，林鵬，等.基于“學習產出”（OBE）的工程教育模式———汕頭大學的實踐與探索[J].高等工程教育研究，2014，（1）：27-37.
機械原理課程設計的內容主要分為兩個階段:第一階段為機械系統的運動方案設計，要求學生通過對常用機構的組合或創新設計，實現簡單機械系統的功能需求;第二階段為機構尺度綜合，以及對機械系統中指定機構進行運動分析和動態靜力分析。目前在機械原理課程設計的教學過程中主要存在問題:
(1)設計題目類型單一，實踐過程枯燥。設計任務主要以典型加工設備為對象，擬定機械傳動方案，對其主傳動機構進行運動分析和動態靜力分析，并在此基礎上通過限定執行構件的速度波動以確定飛輪的轉動慣量，最后設計其中的齒輪機構或凸輪機構。這樣的設計題目單一且缺乏新穎性，與學生的實際生活脫節。設計過程的枯燥使得學生無法正確認識課程設計的重要性，設計興趣不強，參與積極性不高，難以達到實踐目的。另外，由于設計題目比較成熟，與之配套的設計手冊和指導書等資料較多，其設計思路和模式比較程式化，因而學生不需太多思考，僅僅只是按照指導書的要求翻書查表，按部就班地進行模仿設計，這樣的題目不利于學生創新思維和工程實踐能力的培養和訓練。
(2)設計方法陳舊，實踐重點偏移。目前，在機構運動尺寸確定、機構運動分析及力分析等基本知識和基本技能的訓練中，學生主要采用圖解法或解析法。圖解法概念清晰，形象直觀，便于學生理解與分析，但設計精度差，效率低，當學生需要分析多個瞬時的運動情況時，需要花費大量時間作圖，工作量大。解析法能獲得精確的計算結果，學生通過模型建立和程序設計可以分析任意點位置的運動情況。解析法的求解過程要求學生具備較好的數學功底和編程設計能力，但實踐證明多數學生欠缺獨立完成編程求解的能力，他們不得不把大部分精力放在程序實現上，這樣機械原理課程設計就演變成了計算機語言的訓練］，偏離了機構綜合設計與分析的實踐目的。同時，繁瑣的程序編寫，也會影響學生創新設計的積極性。
(3)設計時間緊張，實踐內容縮水。學校目前將機械原理課程設計和機械設計課程設計整合為3周的“機械綜合課程設計Ⅰ、Ⅱ”。由于從內容上設置為同一機械系統的不同階段性設計，因而從時間上兩者并沒有嚴格區分開。統計表明歷屆學生完成機械原理課程設計所需的時間約為1－1．5周，相對而言學時緊張。為了追趕進度，學生避重就輕甚至是掩蓋問題。比如在機械系統運動方案設計階段，學生普遍采用仿型設計和改型設計的方法，照搬相近的設計案例，或是僅改變某些結構和尺寸，更有甚者忽略創新構思的環節設計直接進入常規設計，整個設計過程中，機械系統的方案設計和機構的選型設計等相關內容體現不足乃至缺失，無法鍛煉學生的系統設計能力和創新設計能力。
2機械原理課程設計的教學改革與實踐
教育部高等學校機械基礎課程教學指導分委員機械原理課指組2009年制定了《關于深化機械原理課程實踐教學改革的建議》，明確提出了新形勢下機械原理課程設計教學改革應關注的重點問題。近年來，學校針對相關內容也開展了一系列的改革，主要集中在設計內容、設計方法及組織管理等方面。
2．1設計內容強調“理實一體”，避免紙上談兵
考慮到實踐教學環節是對前期所學知識綜合應用的階段性檢查，機械原理課程設計的內容應盡量包含各種運動形式和傳動機構的基本技能訓練，同時為了提高學生應用所學知識解決實際問題的能力，在題目的選擇上強調了“理實一體”的原則。結合專業方向，突出特色，如包裝工程專業選用石蠟疊摞包裝機構設計，機制方向選用沖床和插床的傳動機構設計，機設方向選用往復式物料運輸機構設計，模具方向選用造型機翻箱機構設計等。這樣將題目與專業有機結合起來，使設計過程充滿現實感，可以有效激發學生設計興趣，端正其設計態度;借鑒學科競賽主題，推動學賽融合，學科競賽的特點在于規定競賽主題的前提下為學生提供更大的創作空間，更符合工程設計的實際情況。因而在題目選擇時，也借鑒了學科競賽中有關無碳小車、家居機械、環保機械以及康復機械等方面的設計主題，一方面能讓更多的學生了解和參與到學科競賽中，加強其在自主設計方面的鍛煉，激發其創造力，另一方面也能發掘和培育優秀的學生和作品，為后續的學科競賽做準備;貼近實際生產生活，倡導學生自主選題，鼓勵學生個人或小組結合學習和生活中遇到的問題，自主擬定課程設計題目，通過發現問題、分析問題和解決問題這一較為系統的實踐過程，全面培養學生主動實踐能力。
2．2圍繞機械系統的運動方案設計和機構綜合，注重“虛實結合”的設計方法
對機械類學生而言，當通過機械原理學習了常用機械的工作原理、組成原理和設計原理后，為滿足工程實際需要或功能需求，首先面臨的是如何構想出一些新的機械系統，或是如何對熟知機構構造出新的集成。因此，機械原理課程設計應注重機械系統的運動方案設計和機構綜合，再輔以對主體機構的運動分析和動態靜力分析。但是由于設計方法和學時等問題，現有課程設計過程中對運動方案進行優化比較以及對運動學和動力學的變參數分析存在諸多局限性，因而將CAD/CAE技術引入課程設計中，通過“虛實結合”的方式提升學生運動方案設計能力，加強其對機構的分析和綜合訓練。當經過初步分析擬定傳動方案后，要求學生利用UG、Pro/e等軟件對傳動機構進行三維建模，并借助ADAMS等仿真軟件對主體機構進行運動或力分析，學生通過對理論分析結果和仿真分析結果進行比較，檢驗其傳動方案的合理性。接下來學生可以利用實驗平臺，自己動手對主體機構進行實際搭接并測試主要運動參數，通過分析實際測試結果進一步證明傳動方案的正確性，從而輔助機構設計。通過這樣的實踐過程，學生可以直觀地體會設計的各個環節，而CAD/CAE技術的應用也讓學生可以及時發現設計過程中的錯誤和問題，使其可以將更多地精力投入到改良設計和創新設計中去，更有利于學生設計能力和創新能力的培養。
2．3加強課程設計的組織和過程管理，強調互助學習和團隊協作
為了克服學時短、任務重的矛盾，在理論課程開始階段，就將課程設計任務書在課程網站上，使學生有充分時間熟悉設計題目，思考設計內容。同時在授課過程中，將設計內容與知識點講解結合起來，既用實例引導加強了學生對基礎知識的學習，又能讓學生提前開展方案的構思。考慮到學生學習能力存在差異，在設計過程中不能一味強調獨立完成，應引導學生互助學習，強調團隊合作。要求學生以小組的形式選定設計題目，然后根據學生的學習能力和興趣特點將設計內容任務化。在設計過程中，指導老師把控該小組的總體任務框架，負責解決團隊所遇到的共性問題，具體任務則由學生通過交流討論，利用合作與他人共同完成。而設計結束時，小組須采取答辯的形式來匯報其設計成果，老師則通過面對面的問答來檢驗學生的設計能力，了解學生對課程設計中相關問題的掌握程度。最后在成績評定環節，老師根據小組的任務難度、設計結果和水平給定該團隊成績范圍，然后各小組根據組員的工作量大小、團隊參與程度等進行自評，兩者相結合客觀地評定每個學生的課程設計成績。
3結論
