围绕创新能力培养的机械设计基础教学改革

黄辉祥 张 敏 鹿新建 李 果 贾文华

（南京工程学院机械工程学院 江苏·南京 211167）

0 引言

机械设计基础是高校工科非机械类、近机类本科专业培养学生机械设计能力和创新能力的一门专业技术基础课，是以机械制图、理论力学、材料力学和公差与技术测量等课程为先修课程，在学生学习专业课程中具有承上启下的作用，在学生的知识、能力和素质培养体系中占有十分重要的地位。该课程主要介绍常用机构、通用零件、机械传动装置及简单机械的结构组成、工作原理、特点、设计计算及应用维护等内容。在培养应用型工程技术人才的培养体系中，本课程能增强解决机械技术问题的能力，为后续专业课以及今后从事机械方面的设计、制造及研发工作奠定重要基础。

传统的机械设计基础教学是以教师课堂讲授为主，少量的实验教学和题目单一的课程设计实践教学为辅，这种教学模式难以激发学生的学习兴趣，不利于学生创新思维和实践能力的培养。在当今以创新为主旋律的时代背景下，机械设计基础课程的教学需要继续深化改革，在注重对学生创新能力的培养的同时，还要注重学生的工程实践性，将两者结合起来，使学生成为全面发展的应用型人才。因此，有必要对机械设计基础课程教学改革进行探讨。

1 教学内容体系的改革

1.1 优化教学内容、突出重点

机械设计基础课程包含机械设计和机械原理这两门课程的内容，是精简的少学时课程。该课程具有涉及面广、概念多、知识点分散、各章节独立性强和逻辑性差、综合性和实践性强等特点，为学生学习该课程带来一定的难度。因此，在教学内容上要突出重点和难点，遵循“三个简化三个强调”，即：简化公式推导，强调公式应用；简化机理分析，强调参数选择（设计）；简化参数计算，强调结构设计。比如在讲解齿轮的齿面接触疲劳应力公式时，简要介绍该公式是怎样由赫兹接触理论推导而来的，让学生知其所以然，以便于理解公式及其参数的选择。

1.2 精心设计教学内容

在教学过程中，应注重理论基础知识与工程实际应用相融合，在教学内容上多结合工程实例进行讲授，可以选择具有动画演示的二维码扫描的教材，特别是在讲解平面连杆机构内容时，诸多类型的机构配合动画会能起到复杂问题简单化的效果。在实例的选择上多选择学生比较感兴趣的典型例子，比如在讲差动轮系以及轮系的运动合成与分解内容时，以汽车的差速器为例可以使学生从枯燥的理论中回到丰富的生活中，也可以适当播放讲解差速器工作原理的视频，更能引人入胜，这样既活跃了课堂氛围又易于理解。此外，尽量选用日常生活中常见的实例进行讲解，容易引发学生去主动思考问题，例如在讲授轴根据受载荷情况分类时，以学生较为熟悉的自行车为例，引导学生判断自行车的前轴、中轴和后轴三个轴各属于何种类型。

对于重要知识点可以从不同角度进行讲解，比如在讲授直齿圆柱齿轮渐开线的形成时，可从发生线在基圆上做纯滚动而形成的角度，也可将缠绕在基圆上的绳子切于基圆进行展开来考虑，将它们结合起来进行讲解，这样学生对渐开线的形成及其特性就很容易融会贯通。

2 教学方法的改革

2.1 科研促进教学

高校教师在承担教学任务的同时，还兼顾着科研工作。教师将科研工作与课堂教学内容结合起来，以科研来促进教学，会取得较好的教学效果。科研是教学的“源头活水”，将科研成果融入于教学中，教学更容易做到“深入浅出”，也能使学生理论联系实际，有助于学生对课程相关知识的学习和理解，并且扩展了知识面。笔者在攻读博士期间设计发明了“一种可分离的往复式扳手”，该设计是利用棘轮机构实现扳手的往复运动，同时将扳手夹体设计为类“手铐”式的可分离结构，能够方便解决不便于从物体两端套入扳手的问题，例如输油管道或燃气管道接口处法兰。在讲解机械设计基础课程棘轮机构的时，将该发明的设计思想及原理引入到教学中，易于启发学生的想象力，能够吸引学生的兴趣，大幅度提高课堂的教学效果。

2.2 突出以学生为主体，教师为主导的积极作用

机械设计基础课程具有较强的理论性和抽象性，可以采用案例法教学模式，教师提前做好充分的准备，根据课程知识点和原理预设案例和问题场景，引导学生进行分组讨论，从而提高学生探索新知识的兴趣，促进学生进行自主学习和思考，教师针对学生的设计方案的可行性进行指导并综合评定。在讲解轴的结构设计时，可以根据学生的专业背景来选择工程实际机器的轴作为案例来讨论，教师提前准备好能演示轴上零件安装过程的三维动画，使学生对轴系结构有比较清晰的认识，从而提高学生学习的积极性和主动性。

3 教学手段改革

机械设计基础课程的实践性较强，传统的教学手段难以解决课时少与内容多等问题。随着现代信息技术的发展和多媒体技术的广泛应用，以网络信息化技术为纽带的新媒体教学已在逐步成为机械设计基础课程重要的辅助教学手段。将传统的教学手段与信息多媒体技术相结合，同时将信息技术手段作为模拟教学、案例教学等辅助手段，可以容易达到课堂理论学习和实践学习的充分结合，这点在我们讲述机械设计课程中较为抽象的内容时尤为重要。同时，通过机械设计基础课程相关前沿知识的资源网络共享，拓宽学生的知识范围和视野。现场教学和网络教学相结合可以提高学生自主学习的主动性和积极性，教师在课堂上可以通过网络教学软件设置某些题目或者问题的抢答环节，给学生留有表现的机会。鼓励学生通过网络教学平台（如中国大学MOOC、学习通等）进行作业和讨论的互评、互改及相互交流。翻转课堂、慕课以及微课三种教学手段的有机结合更有利于培养学生的创新思维和能力。

4 实践教学改革

课程设计是与机械设计基础课程相配合的必不可少的实践性教学环节，是培养学生工程实践能力和创新能力的重要途径，是该课程和机械制图、工程力学、互换性与技术测量等先修课程所掌握的基础理论知识、基本技能的综合应用。传统的机械设计基础课程设计是二级减速器为设计对象，具有设计题目单一、设计内容不足、设计方法和手段落后等缺点，不利于学生创新能力的培养。为开拓学生思维，课程设计题目和设计内容应体现多样化和新颖性，可以选择贴近工程实践的科研项目、大学生创新设计大赛的作品或者典型有创意的结构设计类专利作为课程设计的内容和题目。将计算机绘图引入课程设计的教学中，特别是三维 CAD软件如 Solidworks、UG等，可以调动学生的课程设计的积极性，激发学习的兴趣。此外，还可以引入现代设计方法中的有限元方法、虚拟样机技术等到课程设计中去，全面提高学生的综合应用和创新能力。

5 结语

应用型人才创新能力的培养是目前机械设计基础课程教学改革的重要内容之一。在课程教学过程中，结合现代信息技术，通过精心设计和优化教学内容、完善教学方法和提高教学手段等对机械设计基础课程教学进行改革探索，实现学生的创新能力的培养和发展。