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化工机械基础课程设计是化工专业重要的实践教学环节,对于提高学生的装置设计水平,增强工程意识具有重要的意义。随着高等教育改革的深入,原有教学方法的弊端逐渐显现,课程设计急需改革。本文分析了课程设计面临的问题,以课程的教学目的为依据,提出在设计时间、设计题型、学科交叉、设计规范、成绩考核等方面的改革方案。通过教学改革,激发了学生的学习兴趣,提高了机械设计水平,起到了良好的教学效果。
关键词:
化工机械基础;课程设计;教学改革;工程意识
化工机械基础课程是化学工程与工艺专业的必修课程,涉及化学、化工、机械、材料、物理、力学、数学等学科知识[1],具有学科交叉复杂、内容丰富、理论联系实际紧密、工程实践性强等特点[2]。通过课程学习,学生可以掌握基础的工程力学知识,熟悉材料特性,学会常用化工装置的设计方法,了解化工机械安全使用的检验原理[3-5],对于提高化工专业学生设计水平,增强工程意识,培养分析问题、解决问题的能力具有重要的意义[6]。化工机械基础课程设计是继该理论课程之后的一次集中实践教学环节[7],能够起到将机械设计知识融会贯通,发挥理论与工程实际、基础知识与专业技术之间的桥梁作用[8]。学生在设计化工装置时,既要基于学科理论,又要遵循国家标准和行业规定;既要装置结构合理,又要保证安全经济,是多门学科知识综合运用,多种专业技能强化锻炼的重要过程,为化工类学生更好地服务化工行业奠定良好的专业基础,因此,应予以足够的重视。
一、课程设计面临的问题
针对化工专业学生开设的化工机械基础课程设计开课于大三,这个阶段,学生刚接触专业课学习,对本专业知识体系还不熟悉,对专业设计更是知之甚少,急需专业教师悉心指导,同时,一直沿用的课程设计内容、课程安排及考核形式等都无法与高等教育改革的新形势相适应,课程设计急需改革。1.课程设计时间短,与理论课衔接不合理一般化工机械基础课程设计安排在理论课结束后一周内完成。要做好课程设计,学生要查阅相关装置的设计资料,熟悉涉及物料的性质,了解国家设计规范,选择合适的设备材料,合理设计装置内部结构,完成设计尺寸计算及强度、刚度、稳定性校核,绘制装置设备条件图,编制设计说明书[9],设计工作量大,专业知识要求高,学生很难在一周时间内完成。而此时段,学生已完成理论课的学习,对于设计中用到的知识已经淡忘,需要重新查找复习,不利于理论知识的学以致用。同时课程设计处于期末考试阶段,考试压力较大,学生忙于准备考试,很容易出现应付或抄袭现象,无法真正起到增强学生工程意识、提高装置设计水平的作用。
2.课程设计题型少,装置结构简单以往的化工设备设计题型比较单一,只做一些压力容器设计,课本中有该类装置的设计例题,学生只需将设计条件带入,参考例题,按部就班地计算就可以完成,学生学习兴趣不大,完成质量也不高。设备一般不进行内部结构设计,只进行外部壳体计算,设计难度较小,无法激发学生的探索欲望,学习主动性较差[10]。
3.不同学科间知识交叉少,装置设计不完整化工装置的设计包括工艺设计和机械设计两部分[11]。工艺设计是根据设计任务提供的原始数据和生产工艺要求确定设备的主要尺寸;机械设计是根据工艺尺寸设计设备的结构、选择结构材料及进行强度、刚度和稳定性计算,给出设备与零部件的条件图。对于化工专业的学生来说,化工原理课程设计做的是工艺设计,化工机械基础课程设计做的是机械设计。教改之前,这两个设计没有交叉点,学生每门课程只做一部分设计,而没有化工装置设计的完整训练,不利于学生设计能力的提高[12]。学生提交的设备条件图,大多采用手画的形式,而不采用现行各设计院普遍采用的AutoCAD绘图软件,无法锻炼学生机械制图的能力。设备条件图绘制简单,各物料进出管口、自动控制方案都无法体现,化工设计及化工自动控制课程所学知识不能应用到化工机械基础课程设计中,学生综合运用所学知识的能力无法得到锻炼。
4.学生工程意识不强,设计不规范生产中使用的任何机器或设备的构件都应满足适用、安全和经济三个基本要求,其中,安全是核心。为了保证装置安全可靠运行,降低生产成本,提高劳动生产率,便于构件互换,国家和有关部门制定了各类化工装置设计的标准和规范[13]。学生对相关的标准与规范不熟悉,容易造成其无法将标准和规范应用到化工装置的设计中,与生产实践脱离。比如,计算容器的物料接口尺寸,很多学生计算出结果后没有规整,即使规整了,也没有查阅国家制定的各种钢管公称直径的规范,采用标准尺寸。在选择设备材料时,一般选择适用范围广,性能优异的材料,没有考虑会使设备成本大大提高的风险。在设计压力容器时,计算出的容器壳体壁厚与封头壁厚不一致,很多学生本着经济的原则,没有设计为相同尺寸,影响容器的焊接和安全。这些都是理论设计与生产实际偏离、工程意识不强的体现,没有达到强化工程概念的教学目的[14]。5.考核方式不合理,无法体现设计水平以往的课程设计是根据学生提交的设计报告给成绩,对学生的平时表现,设计的合理性、规范性及严谨程度没有体现[15]。设计报告抄袭或模仿现象严重,单纯凭借设计报告无法反映学生真实的设计水平,不能体现公平、公正、合理的考核原则。针对化工机械基础课程设计存在的这些问题,按照高等教育改革的要求,我们对课程设计进行了改革。
二、课程设计改革措施
1.提早布置课题,合理衔接理论教学针对课程设计时间短,与理论教学脱钩的问题,我们对课程设计时间安排进行改革。在完成第一章工程力学和第二章化工设备材料教学之后,我们便将每位学生的设计课题布置下去,理论课程结束后两周上交相关设计文件,进行考核。在布置课题时,利用两节课的时间,介绍各类装置设计的流程,每个环节用到的理论知识也事先向学生明确,使学生对课程设计有大致的了解,并对今后会对用到的知识引起重视。同时,理论课授课教师在今后介绍各类化工装置机械设计时也要对重点知识的应用加以说明,并结合课程设计详细讲解。学生了解设计课题之后即可随着理论课的讲解开始设计,学到的设计知识即刻能够应用到设计中,真正起到了学以致用的效果。在设计过程中,遇到困难,学生可以在理论课堂上提出,经过老师讲解得到解决,提高了设计效率,也方便指导教师掌握学生设计情况。由于设计时间由原来的一周延长为多半个学期,学生在理论课结束时便完成了大部分的设计计算及校核,利用两周时间整理数据,绘制装置图,撰写说明书,不会耽误期末考试复习,避免了应付抄袭现象的发生,真正锻炼了学生的机械设计能力,达到了课程设计的教学目的。2.增加设计题型,重视设备内件设计课程设计题型的选择关系着化工实践教学的效果。为了使学生熟悉各类化工装置,激发学生学习的主动性,锻炼化工设计能力,我们编制了多种化工装置的设计题型,包括压力容器设计、板式塔设计、填料塔设计、管壳式换热器设计和搅拌反应釜设计,共计五个设计题型。这些装置是化工生产中最常用的,体现了理论设计与生产实践的结合,同时,理论教学讲授的设计知识在这些装置的设计中能得到充分的应用,加深了学生对理论知识的理解,保障了装置设计的质量。对于装置的主要部件,比如板式塔的塔板、填料塔的填料层、反应釜的搅拌器等,也要求学生详细设计,并且给出部件的条件图。通过内部构件的选择、设计和校核,加深学生对化工装置的认识。
将每个班的学生分成5组,每组负责一类装置的设计,并且同组学生的设计条件各不相同。学生要完成自己装置的设计,要查阅大量的文献资料,搜集各种物料性质,学会各类装置的机械设计方法,参考化工容器设计的国家标准,这种形式彻底改变了课程设计形同虚设的尴尬局面,锻炼了学生查找科研资料,积极探索未知领域,不断补充新知识,独立完成科研任务的能力,激发了学生的创新意识,真正提高了化工装置的设计水平。3.加强学科交叉训练,完善装置设计流程化工装置的工艺设计与机械设计是互相影响、密不可分的,工艺设计为机械设计提供工艺条件及设备主要尺寸,而机械设计的结果又反过来影响工艺设计。为了使学生对化工装置设计有完整的设计体验,我们联合化工原理课程设计,将这两个设计有机结合,学生在做完化工装置的工艺设计之后,根据工艺条件及计算出的装置尺寸,接着进行化工装置的机械设计,使学生知道装置的设计流程,为学生将来从事化工设计工作奠定了良好的基础。对于学生提交的设备条件图及主要内件结构图,严格要求用AutoCAD绘制,并且标出各接管及自动控制仪表的安装方位,在设备条件图的右侧表明工艺要求、安装要求、各接管尺寸、材质、采用的国家标准等。
通过这些方式,学生熟悉了化工装置的设计流程,将化工原理、化工机械基础、化工制图、化工设计、化工自动控制等专业课所学知识融会贯通,综合运用,提高了学生学习的积极性和主动性,有利于设计能力的提升。4.严格规范设计,强化工程意识作为一名合格的化工专业学生,必须了解国家制定的有关化工设计的各种行业规范和国家标准。在做任何装置设计之前,都要先查找有关规范和标准,绝不能闭门造车,无据可依。与化工机械基础课程设计相关的标准有《钢制压力容器》《管壳式换热器》《钢制塔式容器》《塔器设计技术规定》《石油化工钢制压力容器》《石油化工自动化仪表选型设计规范》等。学生在做课程设计时,遇到有关尺寸的确定、内件的选择等有疑问的地方,一定要查阅相关标准,养成良好的设计习惯和严谨的工程态度,做一个敢于担当、认真负责的设计者。同时,要注意适用、安全、经济相协调的原则,密切联系工程实际,强化工程意识。5.完善考核体系,激发设计热情考核对于课程设计的质量有着重要的导向作用,公平、公正、合理地对课程设计做出考核,对学生有着监督、鼓励和引导作用。实践类课程的成绩考核不同于理论课,决不能单纯依据提交的设计报告定成绩。化工机械基础课程设计的考核分为平时成绩、设计报告质量和答辩三部分,分别占总成绩的10%、70%和20%比例。其中,平时成绩包括出勤率、学习态度及团队协作能力。设计报告质量包括报告的完整性、设计的合理性、计算的准确性、图纸绘制的规范性等。答辩环节要求每位学生将设计内容做成幻灯片,利用3分钟的时间陈述工作内容,然后由考核教师提问有关问题,学生作答。这种考核形式督促学生实实在在地做设计,认认真真地抓质量,只有付出努力,才能取得好成绩,激发了学生的设计热情,杜绝了抄袭应付现象,达到了教学目的。
三、总结
化工机械基础课程设计是化工专业学生重要的实践教学环节,随着高等教育改革的深入,原有教学方法的弊端日趋显现,课程设计急需改革。针对设计时间短的问题,我们提早布置课题,与理论教学合理衔接,避免了抄袭应付现象。增加设计题型,由原来的单一装置设计增加为五种装置设计题型,并且对装置的主要部件也要进行设计。加强与化工原理、机械制图、化工设计等交叉学科的联系,完善装置设计流程。装置设计要严格遵守国家规范和行业规定,注重适用、安全、经济相协调的原则,增强学生的工程意识。完善考核体系,公平、公正、合理的对课程设计进行评价。通过教学改革,激发了学生学习的积极性,课程设计质量得到提高,杜绝了抄袭应付现象。学生在课程设计过程中,自觉依据国家设计标准,将理论设计与生产实际相结合,增强了工程意识,提高了机械设计水平,起到良好的教学效果。
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关键词:机械设计基础;课程设计;教学方法;研究
作者简介:闫存富(1972-),男,河南安阳人,黄河科技学院工学院,副教授,工程师;孔令云(1966-),男,河南安阳人,黄河科技学院工学院,教授。(河南 郑州 450063)
基金项目:本文系郑州市重点实验室建设项目(项目编号:121PYEZX179)、郑州地方高校新世纪教育教学改革及人才培养工程(项目编号:ZZJG-C6022)、河南省重点学科建设(项目编号:豫教高[2012]186号)的研究成果。
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)02-0125-02
机械设计基础课程是高等学校机械类专业学生的一门很重要的专业基础课,其课程设计是在学生机械设计基础课程结束之后,进行的一项综合性课程设计,是机械类专业学生一个重要的实践教学环节。
课程设计是使学生根据老师给定的题目和要求,通过自己查阅相关资料,进行结构设计、理论计算、绘制相关图纸并最后写出设计说明书。以培养学生机械设计能力、独立运用所学知识分析和解决工程实际问题的能力,提高基本技能为目的。在课程设计中,不仅要使学生得到基本技能的训练,还需提高他们的工程设计及创新设计能力,为后续课程的学习、毕业设计及毕业后从事科学研究奠定基础。
一、当前课程设计中存在的问题及原因
结合教学经验,总结当前机械设计基础课程设计教学中主要存在的几方面问题。
1.学生先修课程基础较差,课程设计质量得不到保证
在课程设计中,要涉及到工程力学、工程制图、互换性与技术测量及机械原理等先修课程的知识,由于这些课程学习时是分开单独学习的,在设计中则需要综合应用,此时问题就会暴露出来了。该方面问题在图纸上表现特别突出,主要表现为制图时不知道先画中心线、标题栏位置不对、图中箭头画法和一些零件的简化画法错误等,其他如正确标注装配图和零件图中的尺寸公差和位置公差错误,图上的技术要求临时凑上一些内容等问题;工程力学方面的问题主要表现为不能很好地应用工程力学知识去对轴、轴承及其他零件进行强度校核,有些学生在设计计算时不知道什么是截面法等;机械原理方面则主要表现为对有些常用机构的特点不清楚,如有的学生在设计时将蜗轮设计为主动件去带动蜗杆转动,根本就不知道蜗轮蜗杆传动具有自锁性。另外说明书书写不规范,有些图、表和相关符号标注不符合相关规定等问题也是很常见的现象。
上述问题常见的原因主要是学生先修课基础知识掌握较差。学生反映说是在学习时有些知识点老师没有讲或没有重点讲,再去问老师,老师则说课时太少,没时间讲,此类问题就需要指导老师在设计前给学生补充讲解一下。
2.学生在课程设计过程中缺少思考,盲目照抄现象严重
目前我校“机械设计课程设计”课题都采用减速器作为设计题目。指导老师给出已知数据,由学生完成拟定传动方案、选择电动机、计算相关参数、设计主要零件、绘制装配图和主要零件图及编写设计说明书。课程设计的题目单一,设计过程大同小异。虽然在课程设计结束时,大部分学生都能完成设计任务,但学生大多是机械式的模仿设计,缺乏主动思考。加上多数学校都是将课程设计集中安排在2~3周内完成,学生又是初次接触设计,没有经验,在时间安排上不重视,到后面真正去做时才发现很多问题。如果老师又催得紧,这时候有些学生就会去拷贝、复制别人的东西。有些学生还会有选择地作一些轻微改动,而有些学生则干脆完全照搬过来,只改纸上的姓名、学号,其他数据计算和结构设计都相同,抄袭现象特别严重。
3.学生对课程设计不重视,学习态度不够端正
笔者在教学过程中发现,大部分学生都能完成工作任务,但是有一部分学生根本就不重视课程设计。他们认为反正自己将来不从事这个专业,所以就没必要下功夫去做,只把课程设计看成是一次大作业。而且由于学生是初次接触这种设计型任务,在刚开始设计时,往往不知如何入手,时间安排上很松散,效率不高。而等学生慢慢入门以后,时间已经所剩无几,以至于在最后几天加班加点,随便抄袭别人或一些书中的现有设计来应付交差。有些老师把关不严,使得这种现象更为严重,这种做法就会影响到下一届的学生,造成恶性循环。
4.课程设计学生多,指导教师偏少,影响课程设计质量
随着招生规模的增大,学生人数比以前增加了许多。而在设计过程中负责指导的专业课教师有限,经常是一名教师指导一个班或两个班的学生,教师在指导课程设计时很难照顾到每一个学生。教师在设计时也就很难发现学生存在的问题,直到课程设计结束,交图纸和说明书时才发现问题。而有的学生在设计过程中不懂装懂,老师不催,他们也懒得做,直到最后老师催缴课程设计时,才匆匆整理一下,凑出一个设计交上来。这样的课程设计,其质量可想而知,学生的综合设计能力很难得到提高,课程设计的目的也就难以实现。
二、课程设计教学改进措施
针对课程设计中存在的上述问题,在课程设计教学中提出如下改进措施:
1.加强与前修课任课教师沟通,夯实基础,保证课程设计质量
通过与前修课的任课教师进行沟通,将课程设计中发现的专业课问题适当提出来,在上课时作为重点来讲,提前为课程设计奠定一个扎实的基础;在课程设计开始前要将设计过程中容易出错的部分给学生提前强调一下,将错误消除在萌芽状态;在课程设计过程中教师要勤于检查学生的进度和质量,发现问题及时提出,督促学生改正。
2.课程设计题目多样化,杜绝抄袭现象
数十年来,课程设计的选题大同小异,都以减速器或皮带机为设计题目,每届学生都重复同样的设计内容,会影响教师的创新精神。而有的学校在制图课的测绘练习时也选择减速器,使得课程设计的题目过于重复。所以指导老师最好能深入现场发掘新的题目,给学生提供多个题目,尽量避免设计题目的重复,从源头上杜绝抄袭。
3.加强师资培训,提高指导老师专业水平
课程设计实际上是学生第一次独立的将所学理论知识应用到实际中的一次演练,在此之前学生对实际工程设计了解很少,作为指导老师自身应该具有较高的设计水平和一定的设计经验,这样在给学生指导时才能直奔主题,使学生少走弯路。而现实中由于近几年学校扩招,有工作经验的老师相对较少,所以有些学校就只有让一些刚出校门的毕业生去带学生的课程设计。而这些教师自己就对实践设计知之甚少,只有跟着前辈们“依葫芦画瓢”,可以想象这样的老师能带出什么样的课程设计效果。即便是凑合着带着学生做出来了,课程设计的质量又如何得到保证。
4.严格设计进度,保证设计质量
另外机械设计课程设计是一项较复杂的工作,包括大量的计算、设计、绘图及编写说明书等,需要查阅有关设计手册和资料,并综合运用多学科的知识。设计进度过快,在设计过程中就会缺乏深入细致的研究工作,出现不求甚解的现象,难以保证设计质量;若设计进度过慢,就会出现前松后紧现象,到后期会出现抄袭现象,同样也无法保证课程设计质量。所以应由教师提出一个设计进度计划,明确设计过程中各阶段应完成的内容,要求学生基本上按着该进度计划进行设计。
5.端正学生学习态度,改进考核方式
那些认为反正自己将来不从事这个专业,所以就没必要下功夫去做,不重视课程设计的学生,可以给他们解释课程设计不仅仅是让他们完成一次设计任务,根本目的是培养学生对所学知识的综合应用能力、创新能力和独立做事的能力;同时通过独立完成课程设计,可以培养学生独挡一面的能力,为学生的将来奠定基础。由此提醒学生,那种将课程设计仅仅看成是一次大作业的看法是极端错误的。
由于各个学校的具体情况不一样,当前各个学校采取的考核方式也不完全一样。大部分学校采用指导老师一人说了算的考核方式,而有些老师平时又对各个环节把关不严,在最后验收时又没有详细审查设计内容就匆忙给个成绩了事。这样致使比较努力的学生得不到好成绩,而有些完全照抄过来的学生却能得到好的成绩,造成部分学生存在侥幸心理,认为即使不认真做最后也能合格。所以笔者建议对课程设计的考核采用分段给分制,即可将总成绩分为平时成绩、成果的质量和答辩成绩三部分。其中平时成绩包括平时的考勤及设计过程中与设计的计划进度的符合程度,成果的质量包括设计说明书和绘图,答辩成绩即最后由答辩评委给出的成绩。
三、结束语
机械设计课程设计作为机械类专业学生的重要实践教学环节之一,具有承上启下的作用,无论机械设计课程设计采用何种方法和手段,但目标是统一的。学生先修课程基础差、在课程设计中缺少思考、对课程设计不重视、参与课程设计的学生多、指导教师偏少等是影响课程设计质量的主要因素。采用提高先修课程的上课质量、课程设计题目多样化、提高指导老师专业水平、严格设计进度、端正学生学习态度及改变传统的考核方式等措施能有效提高教学质量。
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课程体系综合设计研究
将机械原理、机械设计课程设计内容进行整合,探索机械原理、机械设计课程设计中如何培养学生的机械运动方案设计、机械创新设计和解决工程实际问题的能力,提出适合创新人才培养目标的机械原理、机械设计课程设计实施方案,并完成2008级机制班机械基础课程综合设计教学实践。同时,考虑机制、模具、汽车、机电方向的不同,选择适合不同方向的综合设计题目,以设计对象为主线,尝试在综合课程设计中引入机构运动演示,要求学生用计算机仿真验证机构运动设计的合理性[4],尝试在综合课程设计中引入机械方案创意设计模拟实验,要求学生利用运动方案进行模型拼装创新实验,验证机构运动设计的科学性、合理性。通过机械基础设计课程改革,加强学生创新能力培养。把机械原理、机械设计课程设计时间由原来的分开设计整合为一,机械原理、机械设计两门课程的课程设计题目选择范围加大,同时增加设计时间,激励学生对这类题目产生较大的兴趣,每一位学生都积极思考,差不多每人都提出一到几种运动方案,然后通过小组讨论,挑出最佳方案后,由各组确定自己的最终机械系统运动方案。通过这些创意设计活动,可大提高学生的创新设计能力,改革课程体系综合设计手段,加强CAD、CAM、CAE等技术应用[5]。运用虚拟样机技术,可以大大缩短产品的开发周期,因而受到了制造厂商、科研机构、大学、公司的极大重视。其中ADAMS是美国MDI开发的非常着名的虚拟样机分析软件。尝试以ADAMS为工具,让学生对自己设计出的机构进行建模与仿真,真实地仿真机构的运动过程。改革设计手段,将给课程设计赋予新的活力。
课程体系综合设计的实践及应用
1改革设计题目,注重学生素质的培养
机械CAD能力、综合应用与设计能力和创新设计能力是新世纪高素质机械工程技术人才的重要素质。因此,机械基础课程综合设计训练主线则是以典型机械系统设计为内容,并将机械原理和机械设计的两课程设计贯通,由根据设计要求到机械运动方案及其运动与动力设计(即机械运动简图设计),再到机械系统结构设计和工作能力设计(即装配图及零件工程图的设计),从而形成一条加强机械系统设计和综合设计能力训练的设计训练主线[6]。使学生经过原理方案的设计、执行机构的设计、传动方案的设计、结构设计等过程,加深对机械系统的整体认识,加强设计中的工程意识,培养综合创新设计的能力。目前各高校都在进行课程设计改革实践,但两门课程设计合在一起的课程设计指导书还很少见[7]。因此,根据我校实际情况,编写了适合于本科机械类的机械基础课程综合设计指导书,指导老师可根据不同方向教学班次选用设计题目。
2机械传动方案设计,培养学生创新能力
机械传动方案设计是一个重要的环节。在这一环节中应充分体现以学生为主体,以教师为主导的指导思想。教师在指导时,应因材施教、因人施教,对不同层次的同学要有所区别。在选题方面,提倡设计能力较强的同学选择指导书以外的题目。在指导方面,对这些同学应适当增加设计的难度和深度。方案设计时重点是要把握创新点[8]。在方案分析过程中,为了实现一个确定的设计目标,要求学生至少提出3种可行的方案,并对方案进行分析、比较,总结出其优点与不足。然后确定出设计者认为最优方案作为本次课程设计方案。最后对此方案进行详细设计,包括其运动过程和运动尺寸的确定,进行结构设计和强度设计直至计算。
3引入虚拟样机技术进行机构分析
虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术,是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。运用虚拟样机技术,可以大大缩短产品的开发周期,受到了制造厂商、科研机构、大学、公司的极大重视。其中ADAMS是美国MDI开发的非常着名的虚拟样机分析软件。基于贯彻实施培养卓越工程师思想,在机械基础课程综合设计中引入ADAMS软件对插床导杆机构、冲压机构、摆动式运输机机构、牛头刨床摆动导杆机构等进行运动学和动力学分析,自动绘制刀具的位移、速度、加速度曲线,自动绘制曲柄受到的平衡力矩曲线图等,能通过后期处理绘制最大动态剩余功曲线图,使曲线结果清晰、精确。导杆机构动态仿真时,观察在各位置时所对应曲线含义,加深对课本关于机构有关运动学、动力学相关参数优化设计的理解。ADAMS软件还能对机构采取参数化建模,学生可以通过输入机构不同原始参数,进一步比较不同结果。与过去用图解法或自编程序法进行机械原理课程设计相比,利用计算机对机械进行辅助设计,实现了教学创新,学生普遍反映用ADAMS软件进行课程设计快捷、方便、直观,课程设计能达到满意效果。
4理论联系实际,修改设计对象
在实际工程应用领域中,推荐采用的大多数齿轮减速器都是采用硬齿面。随着工业的发展,新技术新工艺不断涌现,在齿轮行业,特别是随着硬齿面齿轮加工技术的成熟,加工设备的完善,硬齿面齿轮减速器已经成为齿轮减速装置的主流,得到了广泛的实际工程应用,而软齿面齿轮减速装置有被逐步淘汰的趋势。因此,应结合实际,采用硬齿面齿轮减速器设计的题目来进行实践环节的训练。由于硬齿面齿轮减速器的设计与实际结合紧密,学生的自觉性与积极性得到了很大提高[9]。与此同时,有关硬齿面齿轮设计的资料无法从现有资料中直接利用,这迫使学生主动查找相关资料,询问老师,学生的实际设计能力得到了更大的提高。从改用硬齿面齿轮减速器设计结果来看,整机的重量减轻、体积缩小,使用材料大幅减少,相应的造价也随之下降。这使学生认识到科技的进步给生产实际应用带来的巨大影响。
关键词:机械设计基础 理论与实践 创新能力 教学方法
中图分类号:G642.4 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(a)-0212-01
《机械设计基础》是高等院校近机械类专业为培养现代化工程技术人才而设置的一门专业基础课程,主要任务是加强学生对机械零件设计理念的认识,培养学生的创造思维和实践应用能力,在学生的培养环节中占有重要地位。本课程在教学过程中需要应用大量的先修课程知识,具有较强的综合性和实践性,覆盖面广,教学难度较大。从以往教学效果来看,存在学生对所学知识理解不够透彻,设计能力不强、创新设计能力薄弱等问题。因此,改进本课程现有的理论教学与实践教学相结合的模式,加强课堂教学与工厂实际生产要求的联系,培养学生面向产品制造的思维理念,加强学生的创新意识以及动手能力,具有十分重要的意义。
1 加强理论教学与实践教学的结合
实践教学是培养学生运用理论知识解决实际问题、提高学生工程技术能力的重要环节。《机械设计基础》针对机械产品的运动、失效形式和零件加工过程进行讲解,课程实践性较强,知识涉及面广,在讲授时必须注意对课程进行宏观把握。通过近几年的教学过程体会,总结出以下几个方面来加强教学过程中理论学习和实践学习的结合。
1.1 引用实例分析讲解
在课堂教学过程中,多引用实例设计分析,加强学生对各个知识点的理解。在课堂上,通过展出一些典型失效的零部件,如胶合的齿轮,疲劳断裂的轴等,引导学生应该注意观察哪些要点,通过对零件断面的分析,了解零件的失效是怎么形成的,应该采取什么样的措施避免,以此加深学生对理论知识的掌握程度,并应用于实际的零件设计当中。同时,结合多媒体等有效途径,通过播放三维动画或视频资料,使学生更直观的看到机械零件的工作原理及在实际中的应用。
1.2 加强机械设计基础实验环节
机械设计基础实验教学环节包括课程实验和课程设计,对提高学生的工程设计能力有着非常重要的作用。通过亲自动手进行一些机构的拆装,让学生弄清一些构件和机构的概念及构成。例如在讲授完机构分析设计部分后,安排学生进行机构运动试验,通过对实验室的“慧鱼”创意组合模型进行拆装和分析,展示常见机构的工作原理。运用设计构思和实验分析,实现特定运动规律的合成与分解,进一步掌握了课程的理论知识。
课程设计如同一条线,把机械设计基础课程中各个相对独立的环节贯穿起来,使学生能够将理论与实际更好的结合。在指导学生课程设计过程中,除了介绍传统的电动机选择、传动比分配及计算、传动装置运动参数及动力参数计算等内容外,还对学生灌输了优化设计等内容。在设计中对学生进行分组,对同一任务要求的不同设计方案进行分析讨论,比较每种方案的优缺点,并要求学生进行改进,在不断的修正过程中锻炼了学生的分析计算、设计和绘图能力,懂得根据实际情况对方案进行取舍和变通。通过课程设计,使学生积累了工程实践经验,同时消化了书本的知识,锻炼学生的创新能力和工程实践能力。
1.3 组织学生积极参加实践环节
引入企业项目,开展第二课堂,组织学生到企业加工车间参观,使学生面对实际生产技术问题,学会灵活运用课程所学知识予以解决。鼓励学生参加省、市、校等举办的机械创新设计大赛、“挑战杯”、全国方程式赛车等竞赛,在任课教师的指导下,利用本课程所学的运动学知识和机械零件设计知识,完成竞赛作品设计。通过参加专业性的实践和竞赛,培养学生理论联系实际的作风,在实践活动中锻炼学生的工程设计能力和产品开发能力。
2 注重学生创新精神与能力培养
2.1 培养学生的创新能力
学生接受书本知识是一方面,如何能运用所学知识进行新的思考和创造,则是创新。因此在课程教学中,除了培养学生思考问题的一般性方法,还应对学生加强创造性思维的训练。
首先,要启发学生的思路。大多数学生是在教师的引导下学习,对于教师所讲的知识仅停留对该知识点的接受阶段,缺乏深入理解和举一反三的外延。因而,在授课过程中要主动启发学生的思维,增加发散性和开放性的习题和讨论,引导学生对问题有更深入和广泛的认识,甚至能联系到交叉课程和交叉学科,使学生对所学知识活学活用。同时,通过讨论也能提高学生的学习兴趣,迸发出新的思想火花,有助于学生思维方法的锻炼和创新方法的培养。
其次,要引入现代化的设计理念和方法。在科学技术日新月异的今天,现代化的设计理念和加工设备,如一股清泉源源不断为机械设计注入新的活力。作为教师,要把握最新动态,不断将新思路、新方法、新设备介绍给学生,结合现代工业产品设计理念,重点培养学生的产品创新能力。
最后,要锻炼创新实践能力。学生只有参加创新实践,才能综合运用所学知识解决问题,形成创造能力。在授课过程中,通过案例分析—提出问题—解决问题—新方案设计这条途径,可以启发学生的创新思维,提高学生的创新能力。通过课程设计、参与科研课题、参加竞赛、工程实习等多种方式,激发学生的创新热情,提高学生的创新设计技能,培养学生理论联系实践的能力。
2.2 重视学生其他能力的培养
在教学过程中,还应注重学生其他能力的培养。比如获取新知识的能力、团队协作精神和语言表达能力。通过小组讨论、项目训练、竞赛等多种形式,培养学生查阅资料、获取新知识的能力,培养学生团队合作,集体智慧的精神,培养学生语言提炼、表达和思考的能力。
3 结语
《机械设计基础》作为一门综合性、实践性较强的专业基础课程,要求教师在工作中不断探索创新,改进教学方法,研究适合培养学生创新能力的教学途径,加强与学生的沟通配合,充分利用好学校和社会搭建起来的实践平台,为现代化社会发展需要培养出具有扎实的基础理论知识、良好的动手实践能力和较强的创新精神的人才。
参考文献
[1] 许玢,钟礼东.机械设设计基础[M].北京:化学工业出版社,2011.
[2] 黄纯颖.机械创新设计[M].北京:高等教育出版社,2000.
关键词:机械设计基础;学习兴趣;互动教学;多媒体教学;课程设计
中图分类号:G712 文献标识码:A 文章编号:1007-9599 (2011) 18-0000-02
Methods to Improve Mechanical Design Basis Teaching
Yang Yang
(Pizhou Campus Xuzhou Radio and TV University,Pizhou 221300,China)
Abstract:The mechanical design is based on a very important professional courses,with a strong theoretical,comprehensive and practical.Teachers should be based on the characteristics and requirements of the course,carefully study the materials,we must change the traditional teaching methods,teachers can not rely solely on the teaching,and allow students to participate in the process of teaching and design practice,innovative teaching methods for teaching practice.Use of appropriate teaching methods to stimulate student interest in learning,improve teaching standards.
Keywords:Mechanical Design;Learning interesting;Interactive teaching;Multimedia teaching;Curriculum design
机械设计基础是一门非常重要的专业课,本课程的目的是使学生掌握机械设计的基本理论知识,同时通过生产实习、课程设计等实践环节使学生具备分析和解决机械设计问题的能力,学习机械制造的新工艺、新技术及发展方向,为学生走向工作岗位、从事生产设计实践打下坚实的基础。教师应认真研究教材,积极研究教学理论和教学方法,努力提高教学水平。
一、抓住学生的好奇心,培养学习兴趣
爱因斯坦说过:“兴趣是最好的老师。”当人们对某一事物产生兴趣,就会激感、意志去追求和探索这一事物。教学也是这样,一旦学生对某门学科感兴趣,他们就会深入地、兴致勃勃地学习这门课。因此,机械设计基础课的第一节课――绪论课就显得尤为重要。在绪论课的教学中要告诉学生这门课在今后的学习甚至工作中的作用,以及学好这门课将会提高很大的竞争优势,以激发学生的求知欲。讲课时,采用实物与设计过程方法对照讲的方法,使学生从感性上认识到机械设计课的目的。从而使学生觉得既熟悉又新奇,于是追求新知识的愿望油然而生。
二、加强师生互动教学
机械设计基础教师应在专业课上有着丰富的经验和知识,可以通过灵活多样的教学方法,将机械设计基础课程内容生动地传授给学生。对于每节课程教师都应结合内容和设计实践经验进行认真地备课,将教学内容的重点和难点,通过生活和工作中的实际案例进行分析,这样可以化解学生对抽象概念和复杂设计公式和过程的畏难情绪。教师应对学生学习中存在的难点问题进行互动讨论,以降低课程难度。教师应尽量避免抽象的机械概念和公式,而采用直观的教具和生动的比喻加深理解,化难为易。教师还应通过课程作业与学生进行互动,对在作业中存在的问题,在课堂上进行详细的讲解。在课堂进行辅导,能够加深学生对所学知识的理解,从而成为机械设计基础教学的重要组成部分。教师应指导学生从多个角度分析问题,并且应强调对机械结构实物观察的重要性,鼓励学生多查找参考资料,这样就可以拓展解题思路和专业视野。
教学中还可采用头脑风暴式教学方法,即学生按照教师布置的思考题在课前进行准备。课堂上学生各抒己见,相互批判评价,充分地讨论之后,教师做总结,指出要点。例如在学习曲轴设计的内容时,曲轴与一般的轴不同,它由主轴轴颈、连杆轴颈和连接板组成,结构细长,多曲拐,刚性差,其制造过程很有特点。组织学生参观曲轴加工现场并翻阅技术资料,自己根据零件加工特点,提出设计的方法并相互讨论,在此基础上,教师总结曲轴设计的工艺难点和解决方案。这样以学生主动思考、积极讨论为主,教师提示、答疑为辅,能够充分调动和发挥学生的主观能动性,将被动学习变为主动学习,可以收到很好的教学效果,便于培养学生自学能力,促使学生动脑筋想问题,使其思维能力和表达能力都得到锻炼,提高他们分析和解决问题的能力,有利于培养创造性人才。
三、培养学生发现问题和解决问题的兴趣
在机械设计基础课程的教学中,教师提出与课程重点内容相关的问题,激发学生的思考,开展探究性教学。教师设置思考情境,通过学生的思考分析加深对知识的理解。例如,教师讲解传动机构时,可以让学生思考生活中骑自行车,脚踩自行车的反转踏板时,自行车却不能倒车的原因。再如,让学生思考蜗杆传动在实际生活有那些应用。
四、注重各门课程、学科之间、理论与实践的内在联系
机械设计基础课程的目的是要使学生全面掌握机械设计知识和具备一定的机械设计能力,具有较强的理论性、综合性。要注重本课程与其他课程的关系,机械制造技术与其他学科之间的联系,理论与实践的联系。全面了解和掌握专业知识和技能。
机械制造专业的各门课程是一个有机的整体,密不可分。机械设计基础与“机械制图”、“机械原理与设计”、“数控加工与编程”等其它专业课和基础科有密切的内在联系。例如在介绍机床夹具的内容时,夹紧力可以由机械、液压或气动装置提供,夹具的结构就有变化。教学中,要把机械原理、机械零件、气动和液压传动等课程的知识联系起来,使学生全面掌握要点,提高机械设计水平。
机械设计基础和电机与电气控制技术、PLC、单片机及计算机辅助设计与制造等其他学科也有着密切的联系。例如机械装置采用不同的控制方式,导致机械内部结构有很大差异。普通机械有复杂的机械传动和变速机构,而数控机械采用CNC、伺服电机、滚珠丝杠等部件,机械机构大大简化。在教学中,应引导学生了解并掌握不同学科领域的知识,使他们深刻认识现代机械制造技术的飞速发展,从而不断完善知识结构。
理论与实践更是紧密联系密不可分。机械设计技术的实践性很强,在课堂教学时一定要理论联系生产实际,而在实习时要联系理论知识,这不仅有利于知识的传授和能力的培养,还能带出理论联系实际的良好学风。
五、采用多媒体教学方法、实物直观教学方法
当前,由于信息技术的迅速发展,多媒体技术已经广泛应用于学校的教学中。特别是机械类课程,通过多媒体的教学能够改善教学环境,提高以学生为主体的教学实践,通过直观、形象的教学图片等,增强学生的理解力。机械设计基础课程中的机械机构教学内容,客观上应有动态的演示。例如教学平面连杆机构、凸轮机构时,最佳的教学就是应用多媒体教学课件,把曲柄摇杆机构的急回特性、死点位置,在凸轮机构中从动件的运动规律进行直观、生动的演示。教师应选取具体案例并接近生活进行讲授,如缝纫机、内燃机、摇头风扇、汽车雨刷、饮水机等案例,促进学生对平面连杆机构、凸轮机构应用到机器上的理解。因此,教师应采用多媒体案例教学方法扩大学生的空间想象和抽象思维。
另外也可以利用各种教具、挂图、实物、模型、录像等直观教学手段增强学生的感性认识。例如在介绍零件的制造过程时,可通过观看录像让学生直观了解工厂生产的过程,包括生产技术准备、毛坯制造、零件的各种加工过程等。必要时还可以带学生到工厂参观,进行现场教学。对于工步、走刀、工序等较难掌握且容易混淆的概念,可以组织学生观看车削、铣削的加工录像,有针对性地讲解和区分。讲解数控加工机床时,可利用数控加工仿真软件介绍数控车、铣和加工中心的对刀、设置刀具补偿、工件的定位和装夹、刀具运动轨迹等内容,带领学生深入工厂观看数控机床加工现场,都可收到很好的效果。
六、认真搞好课程设计工作
机械设计基础课程设计是学生对理论知识的综合应用,对绘图、制图、加工方法、刀具应用、材料选择、夹具设计和工艺实施等各方面知识和能力的训练,是学生独立思考、翻阅技术资料、完成设计的一个实践过程。设计的课题应选择有一定难度和代表性的零件,要求学生完成工艺设计、专用夹具设计、编写工艺规程等,学生要深入工厂,研究技术资料、夹具、刀具和量具,独立完成课程设计。有生产条件的学校可以组织生产并验证工艺的可行性。
总之,机械设计基础是一门综合性、实践性都很强的课程。任课教师认真研究教学方法,不断提高知识水平,真正做到理论联系实践,必然能教好这门课,取得理想的效果。
参考文献:
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[2]韦竞章.谈如何提高中职学校机械基础教学的实效性[J].中等职业教育:理论版,2010,3:30-31
高校教学原则的内涵是根据教育规律和一定社会的教育目的,在总结教师先进教学经验的基础上,结合高校的特点而制定的,是高等学校教学工作必须遵循的基本要求,包括科学性与思想性相结合、理论联系实际、统一要求与因材施教相结合、知识传授与能力培养相统一、教学与科研相结合、系统性与循序渐进相结合、专业性与综合性相结合原则等诸多方面。
《机械设计基础》是机械类及近机类专业的一门主要技术基础课程,对学生学习专业课程起着重要作用。它的主要任务是使学生掌握各种常用机构及通用零件的工作原理、特点和应用的基本知识,使学生初步学会根据具体条件及与本课程有关的标准、规范,选用机构及零件类型,并能对机构的运动、零件工作能力进行简单的校核,从而具有设计简单机械传动装置的能力。该课程的综合性和实践性都很强,它要求学生不仅要掌握扎实的基础理论知识,更重要的是理解那些从工程实践中得来的知识经验,还要具备将所学知识应用到工程实践中去的能力。在当前《机械设计基础》教学过程中,存在一些问题,比如教学方法不被重视,教学方法改革难以突破;传授知识的教学方法多,忽视发展学生智力的教学方法;运用单一的讲授法多,而运用多种有利于大学生独立学习的方法少;在课堂讲授中,灌注式多,启发式少,讨论式少,学生参与度低;注重集体教学方式,忽视个别教学方式,不能很好的进行因材施教;不能将现代化教学手段与教学方法改革有机结合等现象。
随着教学思想和理念的变化,社会对人才培养质量要求越来越高,现代科技迅速发展,教学时间和内容矛盾越来越尖锐,这就要求我们提高效率,改变低效率的陈旧落后的教学方法;进一步转变教学思想和教学观念,坚持主体式、互动式、启发式教学思想,以学生为本,重视调动学生的学习积极性,重视培养学生的创新精神和探索、研究能力;同时,教学技术的发展及其广泛运用,学生获取知识技能的途径增加,促使教学方法与之适应,科学技术手段的发展,对教学方法的改革提出了新的要求。比如废止注入式或填鸭式教学方法,提倡灵活采用启发式、讨论式、探索式、研究式等教学方法;实行师生互动,课内外结合,集中教学和个别化教学结合,理论教学方法改革与实践教学方法改革相结合,充分发挥各种教学方法的整体功能,根据不同的教学内容和目标来选择与使用不同的教学方法,注意发挥多种教学方法所构成的方法体系的综合整体功能;把教学方法与学习方法统一起来,教师在选择和设计教法时,不能脱离学生的实际,应加强学习方法的研究,把教法建立在学法的基础上,将教法与学法进行统一设计和安排,使学生获得与教法相适应的学习方法等。在《机械设计基础》课程的教学过程中,笔者认为可以从教学对象、教学思路、教学内容、教学方法等方面贯彻高校教学原则。
教学对象。根据专业设置和本、专科、高职的不同层次的现况,按不同专业、不同层次实施教学,注重课程的教材建设,分别制定相应的教学大纲,编写和选用不同的教材。
教学思路。任何一门知识都具有系统性,《机械设计基础》亦如此。确定教学思路尤为重要,因此课堂教学应围绕一定的主线展开,这样学生在学习时能对所学内容有一个整体认识,不会产生杂乱的感觉,有助于学生对知识的灵活应用。
《机械设计基础》上半部分主要介绍了三大类常用机构:平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构,其中各类机构又可划分为很多种类。由于种类众多,容易使学生感到内容繁杂。为了使学生从总体上把握各类常用机构,在讲解时以常见的往复式四冲程内燃机作为这一部分的教学背景或主线。使学生在学习某种常用机构时,联想到其它常用机构,并进一步引导学生主动分析各种常用机构的异同点。
往复式四冲程内燃机利用平面连杆机构变换运动形式(移动形式与转动形式之间的变换),实现可燃气体的进气、压缩及排放;利用齿轮机构变换运动速度;利用凸轮机构变换运动形式(将转动形式变换为移动形式),实现进气阀与排气阀的开关;最后通过飞轮实现输出转速波动的调节。内燃机工作过程所涉及的内容包含了《机械设计基础》上半部分需要讲授的所有主要内容。应该在第一章中给学生较详细地介绍内燃机的工作原理,并在以后各章的教学中加以利用。如在讲解曲柄滑块机构时,讲到该机构有两种类型,即对心曲柄滑块机构及偏置曲柄滑块机构。然后提问:在内燃机中的曲柄滑块机构究竟采用哪种类型?接下来讲解这两种类型的区别,即对心曲柄滑块机构没有急回运动,而偏置曲柄滑块机构存在急回运动。然后解释内燃机的输出要求尽可能匀速输出,故选用对心曲柄滑块机构。这样以实际工程机械为例讲解对心曲柄滑块机构及偏置曲柄滑块机构的特点,能使学生印象深刻。这样学生在学习时能有一个清晰的工程应用背景。在同一个实际工程机械中,对比讲解不同机构的工作特点,使学生既对所学各种常用机构有一个整体认识,也加深了对机构间异同点的认识。为以后针对不同应用场合进行机构选型、机构综合和机械设计打下基础。
《机械设计基础》下半部分是关于通用零部件的工作原理、结构特点、基本的设计理论和计算方法。通用零部件种类较多,如有螺纹联接、键联接、齿轮传动、蜗杆传动、带传动、轴、滑动轴承、滚动轴承、联轴器等,学生对这部分内容普遍感到“繁杂”。在介绍这部分内容时可考虑与对应的课程设计内容相联系,如与带式输送传动装置(减速器)的设计相联系。众所周知,课程设计是高等工科院校相关专业学生运用所学相关理论知识解决工程实际问题的第一次较全面的设计训练,是机械设计课程的一个重要教学环节。因此在《机械设计基础》下半部分教学中以工程设计为目标,以减速器为主线。使学生在学习各种通用零部件时能够密切联系实际,同时能从全局高度理解各零部件间的关系。如齿轮传动设计,通常已知传动方案、转速比、传递功率及输入轴转速。在讲解时告诉学生,传动方案是根据使用情况及各种传动方式的特点首先确定的。传动方案可以包括齿轮传动、蜗杆传动、带传动、链传动或它们的组合。而在齿轮传动部分,转速比的选择一方面与齿轮传动类型、齿轮精度、方式有关,另外也与整个系统各部分传动比的分配有关。传动比的不同分配,决定了齿轮所受到的力的大小和齿轮的尺寸,同时对齿轮所在主轴的结构尺寸和滚动轴承的选择产生影响。
因此齿轮传动设计不是孤立的,它对整个系统各零部件的设计都有影响,设计时应综合考虑。这样将齿轮设计放在一个大系统进行讲解,有助于学生理解已知条件和设计结果间的关系,当已知条件变化时,也能根据具体情况进行设计,而不是机械地模仿。
教学内容。由于《机械设计基础》所介绍的常用机构及通用零部件众多,为了不使学生感到“繁杂”,合理安排各章顺序是很重要的。一般可按书上所编章节的顺序讲,也可根据讲授内容予以调整。“轴”在课程中是很重要的一章,轴的设计涉及到轴上的所有零部件。如联轴器为标准零部件,在选择时,其轴孔直径影响到轴的最小直径;齿轮的尺寸影响到齿轮所在位置处转子的直径;在进行轴的结构设计时,轴上传动零部件的受力情况,影响到滚动轴承或滑动轴承型式的选择,进而影响支承所在位置处轴的直径及轴的结构。因此在讲授时,将“轴”的内容安排在最后讲。先介绍各种联接、传动及支承零部件的工作原理及其设计,然后通过介绍“轴”的设计,将各种联接、齿轮传动、蜗杆传动、带传动、滚动轴承及滑动轴承等零部件综合在一起。这样做容易使学生感到系统性强、条理清晰。教材中的内容需要教师的分析和挖掘,从各个方面对问题进行深入揭示和细致分析,才能使学生深刻理解,灵活应用。
教学内容中注重创新思维培养。“设计”从某种意义上讲就是一种“创新”。没有“创新”的设计只能是模仿别人的一种陈旧的设计,只有创新设计才有可能超越过去,创造未来。只有创新才能在激烈的市场竞争中占有一席之地,才有可能超越对手。《机械设计基础》是培养学生从方案设计、机构分析、机构设计,直到机械零部件设计的一门设计性很强的技术基础课,它对学生专业课的学习及今后工作关系重大。在教学内容中自始至终都应注意培养学生的创新设计能力。机械原理部分增加“机构创新设计法导论”章节,着重讲授机构选型及机构创新设计的基础知识。重点培养学生创造性思维的意识及能力,重点讲授机构创造演化的基本方法,以及组合机构形成的基本方法和组合机构的类型等。这些内容都有利于学生创新设计能力的提高。同时在教学各个环节中始终鼓励学生热心于发明制作,要求学生在课程设计中不断有所创新,同时结合课程学习阶段不定期举办创新设计大赛。
教学方法。将现代设计方法引入课程教学内容,并注重应用与实践在教学内容上,正确处理好传统内容与现代设计理论知识的关系。
根据国家教委有关“《机械原理》、《机械设计》课程教学改革指南”精神,《机械原理》课堂教学淡化原来简化的、近似的计算法及图解法,强化了精确的解析法及机构创新设计方案设计、多自由度机构、优化设计等内容,为学生计算机编程打下良好基础,扩大了学生的知识面。在传授机械原理知识时,适当加入一些电和控制的知识。在《机械设计》课堂教学中逐步引入现代设计方法及理论,如创新设计、计算机辅助设计等内容,以及与本课程有关的新结构、新材料、新技术,从而扩大学生的知识面。
在课程教学中尤其是课程设计教学等环节中,注重对学生现代设计方法应用能力的培养与实践。教学中除引入现代设计方法及理论知识外,还适当介绍当今先进的设计分析软件,如Workingmodel,Ansys等;并在作业、课程设计中加强学生计算机辅助设计的训练及相关软件的应用。课程中每次安排学生上机时数为10~15小时,通过电算编程,既加深了学生对教学内容的理解,又在计算机应用方面得到了锻炼。在大作业和课程设计中,起逐步实行了计算机辅助设计,收到了较好的效果。当然受到机房条件的限制,计算机辅助设计还没有完全实现,希望在以后加大这方面的工作。
改革课程教学手段——多媒体教学在教学手段上,积极开展多媒体教学及多媒体教学软件的开发。
《机械设计基础》课程是实践性较强的课程,由于学生的工程实践知识薄弱,在教学中加强学生的感性知识显得相当重要,为此应利用多媒体课件用于教学,在此基础上利用VC、VB、Authorware、AutoCAD、3DSMAX、Powerpoint等软件工具自制开发了该课程的教学软件,分别用于课堂教学、实验教学、课程设计等环节中。既充分发挥教师自主建设课程的作用,又能把课程中重点、难点以及讲起来吃力听起来困难的地方表现得形象生动。
创新思维能力的培养随着知识经济时代的到来,把培养有创新能力的新一代工程技术人才摆到非常重要的战略高度。
关键词:创新;创新能力;创新意识;人才;培养
一、引言
在《机械设计基础》课程的教学中,一直以来都在思考这样一个问题:我们高等工科院校(主要指三本和高职院校)培养的学生与企业的技术工人相比,优势在哪里?我们高校培养的学生在工作经验上一定不如技术工人,只能在系统的理论知识和设计能力方面,尤其是创新设计能力方面占优势。那么,如何在教学中培养创新能力是摆在高等教育工作者面前的一个课题。
二、培养创新能力的作用
回顾人类发展的历史,可以看到,创新在人类进步过程中发挥了极其重要的作用。它不仅对人类科学世界观的形成和发展产生重大而深远的影响而且使科学成为一种推动社会发展与变革的有力杠杆,极大地促进了人类文明的发展进程。可以这样说,人类文明的每一次重大进步都离不开发明与创新,“创新是一个民族进步的灵魂”。
三、培养创新能力的措施
1. 优化教学内容,注重创新意识的培养
《机械设计基础》课程属于设计性、实践性较强的课程,也是重要的学科主干课程。为了达到培养创新意识的目标,首先在教学内容上进行优化组合,明确了具有创新意识培养的教学内容:平面机构的结构分析、机构的演化、铰链四杆机构存在曲柄的条件、凸轮机构基本尺寸的确定、图解法设计平面四杆机构和凸轮的轮廓曲线、机构的选型及传动类型的选择、机构的组合及组合机构、机械系统方案设计(执行系统和传动系统)、零件材料的选用和零件的结构设计。
2. 改进教学方法与手段,加强对学生创新思维的训练
改进教学方法与手段的主要目的是引发兴趣、引导思维、激发灵感,具体做法有:
(1)运用制作修改后的多媒体电子课件,将机构、零件的运动进行三维动画的形象描述,以加深直观印象,引发学生对该课程的学习兴趣,并通过形象进行联想、想像思维;
(2)进行考试方案改革,期中考试采用开卷形式,成绩按20%纳入期末总评成绩;
考试的内容为:机械原理部分是用图解法设计平面四杆机构和凸轮机构、机械设计部分是齿轮传动的强度计算,加强对学生创新思维的训练。
(3)在进行上述创新内容的教学中,侧重讲解一些特殊的设计方法;
例如:在平面机构的结构分析中,讲解拆分杆组法、在同类型机构的演化中,讲解转换机架法、在凸轮机构轮廓曲线设计和周转轮系传动比计算中,讲解反转法。这些方法对培养学生的创新能力均具有一定的影响;
(4)在进行上述创新内容的教学中,应注意引导学生的发散思维,即一个原理或一种方法举出不同的应用实例,使学生的思维更活跃,并采用对比的方法说明不同原理或不同方法之间的区别,以便正确选用。
3. 改革实践教学环节,提高学生的创新能力
(1)实验内容的改革
改变原有的验证型实验为设计型、创新型和综合型实验,增设了10余种模型进行“机构运动简图的测绘与分析”,使测绘与分析相结合,分析与改进相结合,为课程设计打下基础;在“二级圆柱齿轮减速器拆装”的基础上,又增设了“创意组合式铝轴系结构设计箱”,不仅增强了实际动手装配能力,还培养了轴系结构设计和轴系结构分析的能力;还增设了“机构运动创新设计方案拼装及仿真实验台”,学生可利用该装置进行平面机构组成原理的拼装设计实验、平面机构创新设计的拼装设计实验及课程设计、项目教学、毕业设计和创新设计大赛中进行机构系统方案设计的拼装实验。
(2)课程设计的改革
在机械原理部分增设一周的课程设计,设计题目有插床机械、压床机械和牛头刨床。机械设计部分的课程设计题目仍为二级圆柱齿轮减速器设计,但类型设定为直齿和斜齿,工作条件分为三种,工作机的各参数数据有三十余种,能够做到同一时间做课程设计的学生一人一题。设想让少数学习好的学生自愿选择圆锥齿轮减速器和蜗轮蜗杆减速器题目进行设计。还编写了《机械设计课程设计》指导书,由计量出版社出版。
将二级圆柱齿轮减速器设计的内容融于《机械设计基础》课程教学中,改变以往传统的教学顺序,将有关课程设计的内容按减速器设计的顺序集中在一起进行讲述,并在讲述内容的开始,将课程设计题目发给学生。这样,学生可以随着《机械设计基础》课程的进行,以课外作业的形式逐渐完成传动装置的总体设计和传动零件的设计计算,在这一过程中辅以教师的指导和阶段性的检查。这种教学安排可以大大改善《机械设计基础》课程的教学质量,使学生在学习理论课程内容的同时能结合实际的设计问题灵活地运用,变模仿型设计训练为思考型设计训练,使基本设计能力得到更扎实的培养,创新能力也有了不断的提高。
随着现代科技的发展,计算机技术的应用已广泛地深入到工程设计的各个领域,特别是掌握计算机辅助绘图已经成为机械类和近机械类学生能力的一个显著标志。因此,课程设计所需要绘制的装配图和零件图全部都采用计算机绘制。
对应教学内容的改革,课程设计在考核的形式和方法上也与以前有所不同:
(1)把机械设计课程设计的成绩与机械设计课程的成绩分开考核,即把机械设计课程设计当作一门课程进行考核,这样可增加学生们的重视程度;
(2)采取综合评价标准:出勤率及设计过程中的表现占10﹪、编写设计计算说明书占20﹪、绘制零件图和装配图占50﹪、答辩占20﹪。这样,一方面可使学生端正学习态度,避免应付“差事”、走走过场;另一方面可真实评价教学效果,为今后的毕业设计答辩打下良好的基础。
为培养学生创新设计的能力,增加一些有趣的实践活动:在机械原理部分增设课程设计大赛,在机械设计课程设计部分增设奖项,对课程设计成绩优秀的作品进行奖励。
四、总结
发展高新产业,其根本和基础是要有人才。人才是知识的载体,也是创新的主体。大力提高中国的自主创新能力以及在国际上的竞争能力,最根本的就是要培养和造就一支高素质、掌握高新技术知识的创新人才队伍。高等工科教育是培养创新精神和创新人才的摇篮,责无旁贷!
课程体系建设是开展创新教育的保证,工程实践是创新的基础,开展各种创新活动是培养创新人才有力的措施,创新设计过程是创新人才培养的关键。
参考文献
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关键词:机械设计;制造;理实一体化;教学改革
一、一体化教学模式在机械设计与制造课程中的应用
1.理实一体化教学模式内涵
一体化教学就是指专业的理论知识与专业的实践技能结合起来的教学模式。这种模式提倡以职业活动为基础,以技能学习为主导,通过学生的实践掌握真正的专业知识,机械设计与制造的理实一体化教学更需要学生的动手操作能力,设计靠想象和实践,而制造完全就是实践,“实践是检验真理的唯一标准”,只有将“理”与“实”结合,才能真正地学以致用。
2.优化教学内容
学校教师要按照“理论联系实际,以能力为本位,以职业需求为主线,以模块化实践为主体”的总体设计要求,从而优化教学内容。以机械设计及制造教学“机械轴”的内容为例:教师可以先通过视频教学让学生了解轴的不同类型。其次,让学生了解轴的使用场合,强化理论知识的学习。最后,让学生通过动手实践了解轴上零件的拆装过程,增强轴上零件的定位意识,实现理实结合的教学目标。
3.一体化教学模式的流程
强化知识的理论技能与实践技能的基础上,学生要反复实践,通过对理论知识的学习更加强化实践操作能力。教学过程中要关注学生对理论知识的理解,确保学生更快,更扎实的学习,只有学好了理论才能更好地付诸实践。
二、机械设计技术基础教学方法改革措施
1.调整教学内容
教学内容以适用够用为原则。重点在机械传动,常用机构,通用机械零部件的工作原理、结构特点、技术标准、加工工艺、材料选择、使用维护;掌握基本的设计原理、设计方法、设计步骤。删减那些过深、过时的理论推导和证明,培养的是技能型、适用型人才,重点教会学生怎样实际运用这些基本理论、公式、定理、设计方法以及技术标准来计算、查找、确定所需要的参数;运用机械设计的基本原理和设计方法来进行结构设计,解决工程设计的实际问题,这样即符合教育的培养目标,也能取得较好教学效果。
2.改革传统的课程设计教学模式
课程设计是重要的实践教学环节,通过具体的机械设计任务,培养学生综合运用机械设计技术基础和其他相关课程知识进行机械设计的能力,训练学生查阅标准、规范、手册和相关技术资料的能力。将原来理论教学结束后数周的课程设计融入理论教学的各个模块中,课程设计完成后,让学生把自己的设计拿来进行分组讨论,讲述自己的设计思路、设计方法、设计的特点,主要参数的确定,工程图的表达,相互之间进行分析比较、归纳总结,找出不足,进行完善,提高学生设计能力和设计水平。
3.采用模块化教学
打破教材章节的限制,甚至可以把几门相近的课程融合一体,将培养目标相同的相关的教学内容集中到一个模块,每一个模块都有培养的知识目标、能力目标、素质目标,使知识更加系统化,培养目标明确化。例如,在学习带传动这个模块时,把电动机的选择加入进去,因为电机的动力往往是通过皮带轮和联轴器来连接输出装置输出的,《学生工作任务书》要求学生学习这个模块后,计算带式输送机减速器需要的输入功率,分配各级传动的传动比,确定电机转速,根据功率和电机转速选择电动机,V型带型号及数量的确定,带轮的结构形状和尺寸的确定,带轮工程图的设计。
4.改革教学手段,加强实验教学
充分利用现代化的教学手段,改善教学效果。把理论和实践结合起来,进行理实一体化教学。利用各种软件进行多媒体课件开发,如利用实物、模型进行课堂演示教学,增强学生的感性认识;利用机械基础实验室和实训车间让学生参观了解各种机构的运动形式和特点及通用机械零件的结构;把理论教学和实践教学有机结合起来,以机械设计为线索,以解决工程实际问题为目标,提高设计的科学性和实用性。
三、总结
现在制造业已经进入了“工业4.0”时代,传统的机械设计与制造专业的教学模式越来越难适应飞速发展的机械工业。各类技工院校必须不断探索新的教学模式,改进教学方法,提高课堂效能,真正培养出社会需要的高技能人才。特别是在目前相关法规、标准缺失,而中国又人口众多,高技能人才极度缺乏的情况下,如何加快人才的培养和提高教育的质量将是整个职业教育机构和管理部门当务之急要解决的问题,以期为国家、为社会的更快更好发展提供有力的支撑和强大的后劲。
作者:朱亦新 单位:浙江交通技师学院
参考文献:
[1]方贵盛.机电一体化专业实验室建设与管理[J].实验室研究与探索,2011
关键词:职业教育 机械设计 教学改革
中图分类号:G712 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1672-8181.2013.13.130
《机械设计》是机械类专业的一门承上启下的技术基础课,该课程学习的效果,直接影响对前面所学课程的应用与理解,并为后续课程与毕业设计等环节打下基础。笔者在多年教学实践中发现职业教育中的一些问题,并进行了一些理论研究与改革。
1 机械设计课程教学在高等职业教育中的现状
虽然职业教育和普通本科的目标不完全相同,但是长期以来,许多学校在教学计划、教材选用、教学方法等方面并没有完全针对职业教育的特点,教师在课程教学中采用先讲授理论课,强调系统性,后进行课程设计等实践环节的模式,在理论和实践的衔接上不能很好完成,使学生对设计问题感到迷茫,对于大多课后设计作业和课程设计,只是简单按书上步骤进行计算,不能系统地了解设计方法。
2 机械设计教学改革的内容
2.1 整合教学环节
《机械设计》的教材虽然很多,但是一般是按照内容体系进行章节划分,或者有针对性的增加实例,可机械设计理论相对比较成熟,理论知识的论述差别不大,虽然有的教材增加了实例,但是也很难将一个系统的实际问题用一个例子来进行总结。所以,为了提高学生的实践能力,可以将实践环节引入课堂教学,尽可能地让学生将所学知识边学边用,增加理论知识活学活用能力。
2.2 引导学生掌握设计的方法、程序和应用,弱化理论与公式的推导
高职教育不同于本科教育,对普通本科学生的强调基础理论学习的目的由于目标不同也应有所差异。职业教育应突出实用性和针对性的特点,强调学用结合,强调分析和解决实际问题等能力,着重培养能生产、服务第一线需要的技能型、技术型专门人才。整个职业教育的评价标准要坚持以就业为导向。
机械设计课本身也是重应用的一门课程,为了侧重学生的实际应用技能的培养,应该将教学内容进行适当调整,强调如何进行设计,弱化公式的理论来源与推导,强调公式与资料的使用、图表及工具书的查取方法,锻炼他们的工程实际技能。
3 机械设计课程改革的实施方法
3.1 将课程设计融入到整个教学阶段
机械设计课程设计往往放在课程理论教学全部完成后进行,这是因为课程设计很多内容是相关联的,在没有全面完成课程学习时,不便于进行课程设计,但这样做也有一些缺点,诸如:课程结束时已是学期末,学生面临较多课程的考核,很难静下心完成课程设计,所以设计效果很差;另外,学期末老师也处于比较忙的阶段,也很难比较细致地照顾学生进行设计。鉴于此,我们曾做过将课程设计放在下一学期初进行的尝试,有一定积极效果,但是也存在学生有很多其他课程的作业,中间间断时间有点长的缺点。我们也尝试过,将课程内容的章节顺序打乱,提前布置课程设计,避免了上述一些问题,从结果上有一定的效果,也为教学改革提供了一定的借鉴意义。因此,建议将课程设计在学期初就布置下去,规定进度,融入到整个教学阶段,强迫学生查阅资料、提前预习,提高教学效果和实践能力。
3.2 以适宜的工程设计问题作为课程设计任务,将课程设计与实际、教学紧密结合
很多高校的机械设计课程设计大多进行齿轮减速器的设计,究其原因,减速器的设计涵盖了主要传动方式、轴、轴承、键的设计,是一个相对比较全面的设计问题,所以大多高校多年以来均将它作为课程设计的任务。但是,由于减速器已经标准化,这样的课程设计除了作为课程的基本练习之外,没有太多实际应用的价值。另外,原本希望通过课程设计使学生有基本的机械设计的方法和程序的学习,也因为这类题目目前设计资源很广,学生可以很方便地找到设计参考,而且设计资料也比较简洁,只介绍结论,对其原因往往不做说明,所以对工程实际能力的提高效果也十分有限。
高职教育不同于本科教育,与普通本科学生强调基础理论学习的目的不同,高职学生的教育目标更强调技能训练、强调动手能力。笔者认为,即使在课程设计中没有涉及到课本中的所有知识点,但如果能增加学生的实际设计能力,也是一种好的收获。为了强调学生的实际应用技能的培养,我们应对教学内容进行适当调整:首先,进行工程设计的一般步骤、要求、常用的设计理论与方法的介绍,使学生对设计的实施有基本的了解;然后,结合课程设计任务,鼓励学生进行分析,确定自己所缺少的理论知识,并进行资料的查阅。在课程讲解中,强调如何进行设计,减少公式的推导,强调公式的使用与资料、工具书的查取,锻炼他们的工程实际技能。
3.3 引入相关课程的知识,强调知识的系统性
机械设计是一门承上启下的课程,通过学习能够将前面所学的内容在设计中应用,尤其是工程制图、力学、机械原理以及金属材料等课程,使学生在设计中能将所学知识进行融会贯通,更好地理解。
另外,应力求突破传统的教学模式,以工程实践化为引导,跳出现有高职院校“模型教学”的圈子,在课程教学与实践中,增加学生对零部件的结构、制造和装配工艺的了解,使学生对机器设备、加工方法、加工与装配精度等工程技术知识的全面认识,使学生能够了解实际设计情况。
4 结语
目前,高职教育还存在一些不适应其培养目标的问题,希望通过本课程的教学模式的改革与研究,能为高等职业教育教学内容、教学方法改革的深化起到一定作用,最终提高学生的工程实际能力,培养的学生能顺利就业,就业后能尽快适应工作岗位的要求,受到社会和用人单位的好评。
参考文献:
[1]张慧鹏,钮王杰,贾毅朝.机械类课程设计初探[J].高等教育与学术研究,2010,(10).
[2]周先军.机械设计课程设计改革思考[J].吉林省教育学院学报,2010,(10).
[3]郝秀红,邱雪松,王琼,白文普.机械设计课程设计教学改革初探[J].教学研究,2011,(5).