地方应用型本科高校机械设计课程设计教学改革研究

蒋亮 郭永信 孙雪

摘要：新工科教育背景下，对教学改革和人才培养过程提出了更高要求。本研究针对当前地方应用型本科高校机械设计课程设计的现状及存在的问题，从丰富课程题目设计、运用现代设计工具、强化过程管理、建立全面考核机制等方面讨论了机械设计课程设计教学改革的可行办法。以期提高课程设计的教学效果，强化学生工程意识，激发学生参加工程实践活动的热情，为其他工科课程设计教学改革提供借鉴。

关键词：新工科；过程管理；考核机制；工程意识

机械设计课程设计是工科院校机械类专业及近机械类专业必修的一门重要实践课程，注重学生的工程实践能力和创新能力的培养，其基础性、实践性和综合性等特点十分突出［12］。课程设计作为一门实践教学环节，对其先修课程要求较高，比如：机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、工程材料及成型技术、互换性与测量技术等。通过完成课程设计，不仅可以巩固学生对先修课程基本知识和基本理论的理解，而且可以掌握基本的机械产品的设计方法和步骤，培养学生分析和解决工程实际问题的能力，为后续专业课学习、毕业设计及毕业后从事机械相关工作奠定坚实的基础。

然而，传统的机械设计课程设计教学安排比较集中，一般在2～3周时间内完成。通常以二级齿轮减速机作为设计目标，学生根据给定的设计参数及传动形式，完成全部传动结构的运动学、动力学参数计算，对传动件及附属零件展开设计，完成总体装配图，编制课程设计说明书［3］。该教学方式具有良好的教学效果，但是教学模式单一，实践性较差，学生缺乏主动性和积极性，只需运用前期理论知识，按照经典理论、经典公式和经验数据进行各个零部件的设计与选型，并未考虑合理性、经济性等因素。最终，出现绘制的图纸不完整，零部件结构设计不合理，装配困难或者无法进行装配，整台设备尺寸过大、质量较大等情况，学生创新能力和工程实践能力得不到提升。

与传统的工科教育相比，新工科教育更注重对学生工程实践能力和创新能力的培养。对于地方应用型本科高校而言，以服务地方经济为宗旨，为机械行业培养应用研究和开发的创新人才，学生实践应用能力的培养显得更加重要。因此，作为机械专业及近机械类专业重要的实践教学环节，在新工科建设背景下，加强对该机械设计课程设计的建设，强调理论与实践紧密结合，激发学生的主观学习能动性，提高学生的工程实践能力、创新意识和团队合作精神，达到知识、能力和素质的有机融合。

1课程设计的现状及存在的问题

1.1设计题目陈旧、缺乏创新

由于减速器的设计过程涵盖了机械设计课程的基本理论和设计方法，当前，大多数高校的机械设计课程设计选择以二级齿轮减速器为主体的机械传动装置作为设计课题，具有典型的代表性。具体的设计内容主要包含：零件、箱体的设计，完成零件图、装配图的绘制以及说明书的编写［4］。但是，传统的课程设计题目和给定参数多年不变，而且网络参考资料众多，学生只需要查手册、套公式，完成设计说明书即可，这就导致了相互借鉴的现象。对于课程设计中涉及的装配体结构、装配关系和运动关系等方面知识缺乏主动学习的积极性，严重影响了教学效果和教学质量。此外，传统课程设计题目与专业后续课程、毕业设计没有太大的关联性，导致学生对该课程的重要性认识不足，达不到预期的教学要求和课程设计目的。

1.2设计方法和手段落后

课程设计中涉及多种零部件的参数计算，如齒轮传动、轴、轴承等零件。大多数计算仍采用手工计算，其计算量较大，效率较低，对学生基础知识和能力的要求较高。同时，同类设计对象的步骤相同，重复性的计算工作较多，导致学生很难在规定的时间内完成设计任务，出现错误也不易察觉与纠正。此外，设计过程中涉及零件图和装配图的绘制，传统的课程设计多采用手工绘图，这种制图方式所占课程时间比例较大，严重影响设计效率和课程设计进度，也影响了学生对课程设计的积极性。机械类教学质量国标中要求“具有在机械工程实践中选择、运用相应技术、资源、现代工程工具和信息技术工具的能力。”同时，提出机械工程专业核心知识领域要求包括“计算机应用技术”［5］。因此，学校应该加强普及计算机应用技术，使学生熟悉先进的设计方法和手段，增加学生的设计积极性，提高课程设计的效率和质量，使学生满足“新工科”背景下就业市场的需求。

1.3组织管理不足

传统的机械设计课程设计采用集中安排2～3周的授课方式，在课程设计过程中会穿插各种考试，学生无法集中精力于课程设计，导致学生无法在较短的规定时间内保质保量地完成设计目标，限制了学生创新能力的培养。此外，每个教学班通常只有一位指导教师，需要指导20～30名以上的学生，教师资源严重不足。在课程初期，由指导教师分配设计任务，在整个设计过程起到监督管理的作用，课程设计结束后，学生按时提交设计说明书等相关材料即可［6］。然而，每位学生的学习基础和能力存在不同，在课程设计中需要解决的问题也各不相同，在这种非一对一指导的设计过程中，很难保障每位学生得到有效的指导，影响学生的设计效果和设计进度，最终导致学生无法按时完成课程设计。同时，指导教师不定期抽查，无法精准把握学生课程设计的进度和知识点的掌握程度。有限的教学资源导致教师组织管理不足、学生学习差异的现象进一步扩大，最终成绩呈现两极分化现象。

1.4考核单一

指导教师对课程设计的考核方式过于简单，仅仅根据学生最终的图纸和课程设计说明书等纸质材料来评定学生成绩。该考核方式很难真实有效地评价学生运用理论知识开展机械设计的工程化能力和水平，考核完全取决于教师的主观评价，缺乏标准性和透明度，没有调动学生的积极性，违背了课程设计教学的初衷［7］。此外，传统教学考核方式限制了教学和评估的本质，仅仅注重理论学习结果的评价，忽略了学生在课程设计中体现出来的创造性、团队合作能力以及责任感等难以被量化的成果。教育部所印发的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》文件中强调了教学环节中的考核应加大过程考核成绩在总成绩中的比重，从而真实有效地评价学生工程化能力和水平［89］。因此，急需制定全面的课程评价体系，提高对学生的综合能力水平的考核。

2改革措施

2.1丰富课程设计题目

在新工科背景下，以学生专业能力培养为出发点、落脚点，适当扩大选题范围，丰富机械设计课程设计的题目，对传统减速器题目进行更新替代。课程设计的选题来源很广，主要来源于教师科研课题、机械类相关竞赛和企业项目等方面［10］。首先，高校教师具有扎实的专业理论基础，指导教师从自身科研项目中筛选出具有较好代表性的课程设计题目，将课程设计题目从一般用途的减速器改为高铁、机器人、风机等使用的减速箱或者增速箱。其次，以学科竞赛为驱动，激发学生创新和主动设计的学习兴趣，比如机械创新设计大赛、挑战杯竞赛和全国机器人大赛等。将竞赛内容转化为课程设计内容，丰富课程设计题目，从传统的命题式设计转变为竞赛驱动的探究式学习。最后，校企实践基地可以为课程设计提供新的设计方向，以企业项目任务为驱动，由高校教师与企业工程师共同指导，加深学生对现有产品及技术的认知，形成对复杂工程的系统视野。

此外，设置不同难度等级的课程设计题目，学生根据自身专业水平自选或者自行设计题目，指导教师经过探讨、分析、调整、修改后确定最终选题，确保题目具有可操作性，解决设计题目单一化问题，满足不同层次学生在课程设计过程中各方面能力锻炼要求。这样不仅可以保障课程设计任务的顺利完成，而且可以提高学生理论运用能力及创新能力。

2.2融入现代设计方法

当前，部分高校已经开展现代设计方法在机械设计课程设计中的应用研究，比较常用的就是计算机辅助设计，如CAD二维制图及三维建模，但是对于运动仿真的分析不足，后期应要求学生利用三维软件完成整个课程设计建模及组装，并开展运动仿真的研究，也可借助学校实验室进行3D打印，开展实体装配。传统课程设计按照公式对轴等零部件进行校核，但是计算量较大，容易出现错误，对于较复杂的局部位置的应力强度难以精确校核。可以通过有限元仿真对零部件展开分析，特别是应力集中处的应力强度进行精确校核。当然，鉴于学生的学习能力和专业水平不同，可以分小组形式开展有限元分析或者选择具有代表性的零件进行仿真分析。此外，可以通过ANSYS、MATLAB等具有优化模块的软件开展机械优化设计，如进行成本、寿命、体积和重量等多目标的优化，此环节存在一定难度，作为选做任务［1112］。课程设计融入现代设计方法，加强学生对现代化设计技术手段的应用，同时可以加深学生对整个机械产品设计过程的直观认识和深入理解。

2.3科学组织及强化过程管理

课程设计基于项目教学法展开教学，将课程设计分成若干个项目单元融于教学环节中。课程初期，学生自由组队，形成一个3～5人的小组并确定组长，组长配合教师统筹负责小组设计工作。课程设计过程中涉及多个方面的内容，比如：设计手册的查阅、零部件的设计及校核、零件图和装配图的绘制、三维建模仿真、答辩PPT制作及汇报等工作，学生根据自己的专业水平及兴趣选择相应工作，并建立甘特图，以时间顺序显示所要完成的工作，并及时更新任务进程。尽管每人独立负责其中的某一部分工作，但是仍然强调小组成员之间的相互沟通、相互配合以及相互监督，培养学生的协作设计能力和团队精神。为了充分发挥教师在课程设计过程中的指导及管理作用，为学生选定专用教室，定期检查学生出勤情况。严格的出勤管理可以确保学生在课程设计过程中投入充足的时间，加强学生对课程设计的重视程度。不定期安排线下集中辅导和线上单独解答环节，可以及时纠正学生在课程设计中的错误，精准掌握学生的设计进度，督促学生按照时间节点完成相应的设计任务，还能根据每次的检查结果判断学生是否独立完成相应的设计工作，作为后期课程成绩的评定依据。

2.4建立全面的课程评价体系

课程设计的考核评价综合考虑设计过程、设计成果、答辩评分和组内互评成绩，分别占总评成绩的20%、50%、20%和10%。设计过程主要考虑平时的考勤情况、项目节点完成情况以及解决问题的合理性等方面；设计成果包含传统的零件图和装配体图纸以及设计说明书，重点考核设计的合理性、创新性、图纸的完整性和设计说明书的规范性；强化课程答辩所占比例，邀请具有丰富教学经验的指导教师参与答辩，以小组的形式逐一进行答辩审查，指导教师根据图纸和说明书提出问题，并给出修改意见，同时对每个小组及成员在答辩时的陈述表达能力给予一定打分，客观评定学生对理论知识的掌握情况，在考核评价中加入组内互评成绩，每个小组成员根据组员在设计过程中的表现和贡献进行打分，计入总成绩［6，13］。采用全面的课程评价体系，可以较好地考核学生在课程设计过程中的综合表现，避免出现个别学生在课程设计过程中贡献不足，最终却凭借纸质材料获得较高得分的情况发生。

结语

机械设计课程设计强调理论和实践的有机结合，注重学生综合能力的培养，传统的机械设计课程设计无法满足新工科建设理念，存在以下问题：设计题目陈旧、缺乏创新、设计方法和手段落后、组织管理不足以及课程考核单一，课程改革迫在眉睫。为了满足新工科建设对学生机械设计能力的培养要求，以学生专业能力培养为出发点、落脚点，适当扩大选题范围，丰富机械设计课程设计的题目；融入计算机辅助设计、有限元分析和优化设计三种现代设计方法，提高学生设计能力；基于项目教学法强化过程管理，提高课程设计的实施效果；最终，建立全面的课程评价体系，更加科学、有效、合理地评价学生课程成绩。

参考文献：

［1］黄霞，丁军，吴敏.新工科视角下“机械设计”课程设计改革实践［J］.西部素质教育，2022，8（07）：3739.

［2］温晓荣.微课在《机械设计课程设计》课程中的应用研究［J］.科技风，2021（13）：6061.

［3］崔亚辉，马朝锋，赵桐，等.机械设计课程设计六种能力的培养［J］.机械设计，2018，35（S2）：428431.

［4］杨小高，丁德琼.基于创新能力过程培养的地方普通高等院校机械设计课程设计教学研究［J］.科技资讯，2019，17（27）：6768.

［5］教育部高等学校教学指导委员会.国家普通高等学校本科专业类教学质量国家标准［S］.2018.

［6］方淳.地方高校机械设计课程设计教学环节的探索［J］.科教文汇（上旬刊），2020，499（19）：9091.

［7］李霞，陈建萍，魏敏，等.机械设计课程设计现状与改革实践的探索［J］.教育教学论坛，2016，263（25）：6364.

［8］教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见［J］.中华人民共和国国务院公报，2019（03）：3441.

［9］王健，袁国军.新时代背景下地方应用型本科院校教学质量监控体系构建研究［J］.文教资料，2022（21）：156159.

［10］李秀红，李文辉，任家骏，等.新工科背景下“机械设计课程设计”教学改革［J］.实验科学与技术，2018，16（03）：132134.

［11］肖仕红，黎伟，蒋发光，等.现代设计方法在《机械设计》课程设计中的应用及考核研究［J］.教育现代化，2019，6（96）：98100.

［12］王顺，贾艳辉，王丽慧，等.虚实结合的机械工程专业大学生机械设计基本技能综合培养［J］.实验技术与管理，2020，37（12）：136142+148.

［13］吳红梅，郭宇，张志华，等.OBE理念推动化工设备机械基础课程的改革实践［J］.化学教育（中英文），2021，42（20）：1620.

基金项目：江苏省高等学校基础科学（自然科学）研究项目（22KJB460039）；“太湖之光”科技攻关（基础研究）（K20221048）；无锡市科协软科学研究课题（KX22B45）

作者简介：蒋亮（1987—），男，汉族，江苏淮安人，博士，高级工程师，研究方向：空泡动力学、工业装备研发与智慧运维。

*通讯作者：郭永信（1989—），男，汉族，山东菏泽人，博士，讲师，研究方向：精密制造技术及摩擦学。