材料化学机械设计教学方法初探

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[摘要]机械设计基础课程是河南城建学院材料化学本科生专业开设的一门工程基础课程，该课程学习的目的在于培养学生掌握机械设计的基本知识、理论和方法。对于培养学生的抽象思维、工程认知能力和创新素养具有重要作用。根据课程特点和学生原有知识体系，并结合在教学过程中的经验和体会，初步探讨了该课程在材料化学专业的教学内容、教学方法和课程设计方面的改革与实践。

[关键词]材料化学；机械设计基础；教学方法；教学内容

1机械设计基础课程特点以及教学过程中遇到的问题

1.1机械设计基础课程特点。机械设计基础课程是以一般尺寸通用零件的设计为核心的基础设计性课程，是一门理论性、实践性很强的技术基础课程。与材料化学专业其他课程相比，该课程具有明显不同的特点。该课程知识面广，具有“关系多”、“要求多”、“门类多”、“公式(符号)多”和“图表多”等特点[1]。“关系多”指该课程与多门先修课程关系密切。在课程的学习中需要用到高等数学、机械制图、材料成型基础、理论力学等多个先修课程的内容来解决通用化的机械零部件的设计问题。然而，由于专业培养目标的特殊性，该课程的部分先修课程，如高等数学、理论力学等，同该课程安排在同一学期进行讲授学习，这就造成课程和知识体系之间不能很好的衔接。“要求多”需要学生在设计过程中从零件的强度、刚度、寿命、工艺、经济性和安全性等诸多方面统筹考虑。“门类多”则是指不同的零部件具有不同的特点，其设计方法也不尽相同。此外，“公式多”是指计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式，不同公式具有不同的应用范围。“符号多”、“图表多”则要求学生在学习过程中充分认识符号物理意义以及图表的正确识别和应用。由于材料化学专业学生在以往的知识构架中没有相关的概念，学生学习基本符号、公式和相关设计计算的难度较大。此外，针对于抽象的机械构型和物理运动方式，构思并分析其结构和运动过程也相对较为复杂，因此该课程的学习具有较大的难度[2]。1.2教学过程中遇到的问题。以往的机械设计课程教学过程中，老师多以讲授和讨论的方式进行教学，忽略了材料化学专业的知识体系与其他专业知识架构之间的差异和学生的个体差异。学生的基本读图能力、零件的精度要求、理论力学中的材料应力、应变、刚度、强度等多方面基础均较为薄弱。采用板书、多媒体课件和简单的实物教具等途径很难直观地将抽象的物理概念、机械构型和运动过程展现给学生，进而很难在课堂上引发学生共鸣，导致教学效果较差。比如在齿轮传动章节，直齿轮的啮合传动相对简单，传动过程较为容易理解；但是斜齿轮和锥齿轮的传动过程则相对复杂，理解起来较为困难。在这一部分的课程学习过程中能够明显感觉到学生学习状态的差异。相对于文字或公式较多的多媒体课件，包含flash动画、视频影像的课件内容则能够激发学生学习兴趣，在一定程度上增加学生对于复杂运动过程的理解。对于零部件的设计计算、强度校核等问题，学生学习仍然较为吃力。比如V带传动设计、螺纹连接设计和强度校核等内容，不仅要求学生从多个角度分析设计问题，同时计算过程复杂，一般需要用到多个公式并查询数个参数图表。这就导致学生在零件的设计计算和强度校核的教学过程中往往不知所云，丧失学习兴趣，难以达到人才培养大纲既定的教学目标。重新组织教学内容，设计合理的教学方法和教学过程对于提升学生的学习兴趣和学习效果显得至关重要。

2教学内容的再组织和教学方法的探索

2.1教学内容的再组织。材料化学专业机械设计课程的教学目的在于培养材料化学专业学生工程知识能力的和创新素养，其专业目标在于培养应用型的技术型人才。因此，在课程教学过程中没有必要进行复杂的理论推导过程，只需要让学生明白如何使用公式以及公式的适用范围和情况即可。比如，在滑动轴承章节中涉及到的“流体动力润滑理论基本方程”和“油膜承载机理”的推导过程。这一推导计算过程中涉及到流体力学、微积分等知识，超出学生的已有知识范围。因此在教学过程中该内容可以酌情略去，保留液体动压油膜形成的必要条件。即只需要让学生明白液体动力润滑轴承正常工作的必要条件。学生学完后能够运用这一基本原理进行相对应的工况分析。经过教学内容的重新组织，不仅能够让学生感受到学有所用，学以致用，还能够增强学生学习的信心、获得感和成就感。基于以上分析和考虑，在满足人才培养目标的基础上，将教材中内容进行适当缩减显得十分必要[3]。在综合考量学生学习能力和课时安排的基础上，摒弃以往的“填鸭式”教学。以学生的接受能力为出发点，在保证知识体系完备的情况下，进行教学内容的再组织。轻理论分析，重应用实践，力求讲授内容少而精，深入浅出，对于提升教学效果具有重要作用。2.2教学方法探索。目前，多数机械设计课程的讲授仍然采用传统的教学方式，即以教师为教学活动的主体。这一教学方法存在诸多缺点。比如，“满堂灌”式教学过程缺乏互动，学生被动接受知识，学生在课堂中的参与度较低，课堂氛围较差。不仅如此，教师也很难把握学生的学习情况，也就不能适时调整教学内容和教学进度。如果这些问题得不到解决，机械设计课程很难取得良好的教学效果。确保学生在教学过程中的主体地位、采用线上线下混合教学模式以及安排合理的课程设计对于提升教学效果具有重要作用。(1)强调学生主体，增加课堂互动。学生始终是教学的对象和主体，学生的有效参与是课堂良好教学效果的保证。如何增加学生的课堂参与度，将学生置于课堂的主体地位值得教师在教学过程中不断探索和调整。随着教学改革的深入，诸如案例教学法、问题教学法等教学方法不断涌现，结合课程特点和章节内容特点，尝试适用的教学方法能够增加师生互动，提升学习效果[4-5]。比如在学习滚动轴承的组合设计一节时，教师先对一个典型的轴系固定形式进行讲授，抛砖引玉，然后组织学生分组讨论，并分析给出其他组合设计中轴系时如何实现固定的，最后则由学生完成其他组合设计内容的讲解[6]。这一过程不仅能够活跃课堂气氛，增加师生互动，防止学生在课堂上“置身事外”。同时以学生为主体地位的课堂，显著增加了学生在课堂的参与度，提高学生在课堂上的学习效率。(2)线上线下混合教学模式的应用。针对于课程内容多，课时安排少的基本情况，采用线上线下混合教学模式，充分调动学生在课外时间的学习积极性。借助河南城建学院“学在城建”网络教育平台，教师课外在教学平台上传学习资料，供学生课外时间学习。部分简单知识通过这一线上平台后，作为学生预习或自学的内容。课后，通过平台上传相关习题测验，进行教学效果把控。此外，教师在平台教师端口还可以掌握学生在课下的学习行为，而且能够对学生课下学习情况进行综合评判。将这一评判结果与课程的平时成绩进行挂钩，进而带动学生课下参与的积极性。此外，还可以依据平台反馈结果适时调整后续课堂的教学内容。(3)重视课程设计。课程设计作为机械设计基础课程教学重要的一个环节，其目的在于培养学生运用基础知识进行综合设计的能力[7]。基于专业培养目标适当调整课程设计内容，并将其与其他专业课程进行关联，不仅有助于机械设计课程的融会贯通，也有利于学生加深对其他专业课程的理解。此外，新颖的设计题目能够避免学生从网络上直接下载课程设计结果。比如，电极材料涂布机减速器的设计，这一课程设计完成的先决条件在于学生了充分解电极材料涂布机的基本工作原理和电极材料涂布的工艺参数，在此基础上进行相关设计参数的收集。通过参与这一课程设计，不仅能够加深其对新能源材料相关内容知识的掌握程度，又能够满足机械设计课程的综合能力培养，进而达到既定的教学目标。

3结论

综合分析了机械设计课程的特点和材料化学专业学生的基本情况，并在此基础上探讨了提升教学效果的方式和方法。基于专业培养目标，提出进行教学内容再组织，精简理论推导，重视实践应用。通过改进教学设计、调整教学方法、线上线下混合教学模式、重视课程设计等途径加强了学生在课堂上的主体地位，活跃了课堂氛围，进而提升了教学效果。

参考文献

[1]张继忠，赵彦峻，徐楠，等．机械设计3D版[M]．北京：机械工业出版社，2017，7．

[2]李飞舟，郭便．地方本科高校《机械设计》教学改革与研究[J]．科技视界，2018，240(18)：70-71．

[3]王衍，訾克明，邓晓红，等．机械设计课程授课方法与考试形式并行改革思路探讨[J]．轻工科技，2019，35(04)：181-182．

[4]范林．机械设计基础教学改革探讨[J]．天津职业院校联合学报，2008(02)：95-97．

[5]伍伟敏．教师在微课教学中能行为选择与定位——以“机械设计基础”课程教学为例[J]．中国信息技术教育，2016(18)：93-95．

[6]丁凯，徐鸿翔，李奇林，等．基于青年教师认知的“机械设计”课程教学效果提升途径探究[J]．职教通讯，2017(27)：40-43．

[7]郝秀红，邱雪松，王琼，等．机械设计课程设计教学改革初探[J]．教学研究，2011，34(3)：51-54．

作者:张帅国 胡继勇 马文媛 单位:河南城建学院