机械设计与制造课程设计改革浅析

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摘要：文章首先阐述了机械设计与制造综合课程设计的必要性，然后分析了当前机械设计与制造综合课程设计体系及其存在的问题，最后论述了机械设计与制造综合课程设计改革路径。

关键词：机械设计与制造综合课程设计；慧鱼模型；考核评价体系

机械设计与制造综合课程设计是一门重要的专业实践课程，该课程知识面覆盖广、实用性强，一直以来都备受关注。随着近年来机械设计与制造行业的快速发展，市场对相关人才的要求有所提高。在此背景下，为了提高学生的学习主动性、创新创造性，加强学生的实践技能，锻炼学生的团队合作精神，教师有必要实施机械设计与制造综合课程设计改革。

一、机械设计与制造综合课程设计的必要性

机械设计与制造综合课程设计是机械设计及其自动化、机械电子工程和车辆工程专业非常重要的一门实践课，它是专业理论课程教学后对所学知识和技能的一次综合运用，也是培养学生工程系统设计思想和工程实践能力的途径之一，可为学生进行毕业设计和将来从事机械专业工作打下坚实的基础。开展机械设计与制造综合课程设计的必要性主要体现在以下三个方面。

（一）学生缺乏对专业的认识

虽然辅导员在新生入学时会对学生进行专业教育，介绍人才培养目标、专业培养计划、主要课程设置及其原则，并且会就就业方向问题进行说明。教师在授课前也会对每门课程的教学大纲进行介绍，说明该门课程的目的、任务及专业地位。但是大部分学生对自己的专业仍没有足够的了解，时常会问：“学了这门课程有什么用呢？这些理论能解决什么问题？做这些作业对以后找工作有用吗？以后工作会用到吗？我们这个专业毕业以后都能去什么企业工作呢？”换言之，大部分学生不明白本专业与实际工作岗位的联系，甚至有些学生不理解本专业的人才培养方案和专业课程设置。即使在教师的耐心解答下，学生对专业的认识还是不够系统和全面。

（二）学生缺乏对不同专业课程之间联系的了解

机械设计及其自动化、机械电子工程和车辆工程专业的基础课程有机械原理、机械设计、机械制图、理论力学、材料力学、机电传动控制、单片机原理及应用等。教师在教学过程中只是根据教学大纲讲解课程的知识，很少从专业角度系统地向学生介绍各门课程之间的联系。学生对每门课程也是进行独立的学习，很少有机会运用几门课程的理论知识去解决一个问题，因而难以系统全面地了解专业体系。根据专业方向的不同，学生在学完所有基础理论课程后还会进行相应的专业方向课程设计，如机器人产业班的学生会进行机器人课程设计、机械原理授课结束后教师会安排学生进行机械原理课程设计、机械设计授课结束后教师会安排学生进行机械设计课程设计[1]。但是目前的教学过程中，这三个课程设计是独立设置的实践环节，内容上没有关联。机械原理课程设计是根据给定的生产率和电机参数设计平台印刷机或平压印刷机的传动机构和执行机构，并根据工艺动作要求确定运动循环图；机械设计课程设计是根据给定参数设计一个二级齿轮减速器，绘制零件图和装配图，并进行运动分析；专业课程设计是根据专业方向开展的，而按照这样的教学安排，学生难以系统地掌握机械原理、机械设计和专业课程的基本概念和理论方法。对此，融合机械原理、机械设计和专业课程的综合课程设计，能够促使学生连贯地和全面地运用所学课程的理论和方法系统地解决工程实践问题，提高学生的创新设计能力和系统设计能力。

（三）学生缺乏理论与实际结合的实践机会

基于目前的课程设置，学生可能学习了十几门的理论课程，但是课程设计类的实践课程却只有两三门，这种设置导致理论与实践严重脱节。当前，高校的教学手段比较单一，以教师课堂授课为主，学生学习变成了应付考试，忽略了将理论应用于实践的训练，导致学生不仅知识面窄、自学能力差，同时发现、分析和解决问题的能力较弱。有些学生尽管具备了良好的专业基础知识，但由于缺乏实践的机会，工程创新意识和工程设计能力比较薄弱，不能自主地参与一些工程实践课的学习[2]。另外，在机械原理课程设计和机械设计课程设计教学中，学生往往独立完成教师布置的选题，学生之间缺乏团队合作的机会，导致其综合运用专业知识解决一个系统工程问题的能力得不到锻炼。因此，教师很有必要以小组为单位开展综合课程设计，锻炼学生以团队合作精神系统全面地解决工程问题的能力。针对以上问题，在机械设计及其自动化、机械电子工程和车辆工程专业开展综合课程设计，可促使学生更深入地理解专业知识，提高学生综合运用专业知识解决实际问题的能力，提升本科教学质量。

二、当前机械设计与制造综合课程设计体系

（一）目的和任务

教师实施综合课程设计，可使学生将所学的课本理论知识和工程实践相结合，综合运用理论知识解决实际的工程问题，提高学生发现和解决问题的能力，锻炼学生的设计能力，从而将学生培养成能够运用有关课程基础理论和技能解决实际问题的人才。综合课程设计是进一步提高学生专业基本技能和创新能力的重要环节之一，通过课程设计，学生能在设计方法方面得到初步训练，能用文字、图形和现代设计方法系统地、正确地表达设计成果。以佛山科学技术学院（以下简称“我院”）为例，机械设计与制造综合课程设计的任务如下：在CAD/CAM系统上完成选定塑料件的形状、尺寸设计；进行模具材料选择，型腔设计；进行刀具及切削参数选择，编制出各工序刀具加工参数表；进行刀具加工模拟；将上述程序进行后置处理，转换成指定数控机床NC代码；选择毛坯和加工方案。

（二）课程特色

机械设计与制造综合课程设计跟机械原理课程设计、机械设计课程设计、毕业设计是有区别的，它是针对机械设计及其自动化、机械电子工程和车辆工程专业的机械原理、机械设计、机械制图、理论力学、材料力学、机电传动控制、单片机原理及应用等几门专业基础课程而展开的，其以生活中的机械产品为设计对象，覆盖了机构设计、力学分析、机械制图等知识。该门课程的重点是锻炼学生的设计水平、分析能力和综合运用能力，激发学生的工程系统思维。因此，综合课程设计的开展要始终贯彻系统设计理念，运用现代设计理论及方法解决机械产品设计问题，促使学生掌握机械产品设计的规律，从而达到理论知识与实践紧密结合的效果。

（三）基本要求

机械设计与制造综合课程设计应安排在大三第二学期，在学生修完了专业基础课、机械原理课程设计、机械设计课程设计后进行。教师应要求学生综合运用所学的专业基础课程的理论知识和两门课程设计的实践经验，解决工程中的机械产品设计问题，掌握机械产品设计的一般规律，学会运用计算机辅助设计软件绘制机械产品的零件图和装配图，并熟悉零部件的工艺流程和安全技术。

（四）选题方式

综合课程设计能否达到预期的目的，关键在于选题，因为有了一个合适的选题才能让学生的能力得到充分发挥。目前的综合课程设计选题大部分是教师指定给学生的，以我院为例，机械设计与制造综合课程设计教师经常指定给学生的选题之一是塑料模具CAD/CAM，该选题对学生的机构分析能力、模具设计能力、三维软件绘图能力等的训练较好，但工艺性单一，对机械原理与机械设计的理论运用较少，更重要的是难以做出实物，导致学生的工程实践能力还是得不到足够的锻炼。

（五）课程实施

以我院为例，机械设计与制造综合课程设计共计5周，分为以下六个方面的内容。第一，布置任务，温习有关模具及CAD/CAM软件使用知识，熟悉设计内容，共计2天。第二，在CAD/CAM软件上进行工件设计、上下模模具设计，共计6天。第三，选定刀具及切削参数，编制各工序刀具加工参数表，共计8天。第四，调试好上述参数表，使之可在MasterCAM进行模拟加工，共计4天。第五，熟悉应用的数控机床，对程序进行后处理，转换成指定数控机床NC代码，共计2天。第六，撰写设计设明书，准备答辩，共计3天。

（六）课程考核评价

机械设计与制造综合课程设计成绩由指导教师根据学生在课程设计期间的工作态度、课程设计任务的完成情况、设计说明书的水平及对相关知识能力的掌握情况进行综合评定。课程设计的成绩采用百分制记分，具体成绩评定标准为能否独立完成设计工作、是否体现一定的创新能力、设计是否符合规范、说明书是否规范化、图面是否清晰、有无违纪情况等。

三、当前机械设计与制造综合课程设计存在的问题

（一）选题

当前，机械设计与制造综合课程设计的选题由指导教师指定，设计题目更新较慢，有的题目可能已经用了五六年，很容易造成学生模仿或互相抄袭的问题。而且老旧的选题可能已经跟不上社会发展的步伐了，跟市场需求联系不够紧密[3]。更重要的是，当前的选题只是针对学生独立完成，往往局限于设计一些简单的机械产品，难以锻炼学生的工程系统思维、综合运用能力和团队合作精神，这个情况跟现在的企业人才需求相脱节，难以引起学生的兴趣。

（二）课程实施方式

当前的机械设计与制造综合课程设计的实施方式比较单一，教师指定选题后，让学生根据任务书上的任务要求和时间安排开展，实施方式太单一，难以锻炼学生的创新意识、团队合作和实践能力。同时，当前的时间安排过度固化，不利于强调综合性的应用型选题的实施。而当前课程实施方式之所以存在不足，主要是因为教师过多地考虑课时和教学任务的要求，未能从学生实际出发探究课程实施方式。

（三）考核评价体系

当前的考核评价体系只是指导教师根据学生的学习态度、设计说明书内容进行评价，这样做的结果就是忽略了学生在设计过程中发现、分析和解决问题能力的培养，同时学生查阅文献的能力、通过现代计算机辅助设计手段解决问题的能力、沟通交流学习的能力等在评价体系中也得不到体现，跟教学目的有出入。因此，笔者认为应该设计一种多元化的评价体系。

四、机械设计与制造综合课程设计改革路径

（一）选题多样化

机械设计与制造综合课程设计的选题应由原来教师指定选题向选题方式多样化转变，由原来学生单独完成改成学生三至五个人组成一个团队开展。选题主要来自三个方面：一是教师根据实际工程问题，结合专业特点提取出一些综合性较强的选题供学生选择，如自动巡航小车、避障机器人、自动分拣机、货物搬运小车等；二是教师结合自己的科研项目，提出一些适合团队开展的选题[4]，如管道清洁机器人的设计及结构优化、动力学分析、运动学分析、运动控制等；三是教师要鼓励学生在合适范围内自由选题，从而充分调动学生的主动性和积极性，培养学生分析问题的能力和创新创造意识，让学生可以根据自己的特长选择合适的题目，如擅长做机构优化的学生可以做机械产品传动机构优化设计、擅长做运动控制的学生可以选一些避障类的选题。这样不仅可以给学生充分的想象空间和发挥空间[5]，同时还能提高学生的学习兴趣，锻炼学生的思考能力。

（二）课程实施方式改革

1.基于慧鱼模型的综合课程设计。学生可利用德国慧鱼公司的“智能创意教具”模型，设计、装配出较有创意的机构或机械设备模型，并在ROBOPro编程环境下编写程序，实现对模型工作状态的运动控制。期间，学生可以根据自身特点选择不同的语言进行编程，如VB、C#、Lab－VIEW、MATLAB等。由于这是一个系统的工程问题，故学生需要根据任务搭建模型、选择合适的传感器或控制器、编写控制程序、调试程序、实现正确的运动控制等。这样的团队项目可让学生有一个充分的发挥空间，还能锻炼学生的沟通能力、合作能力、解决问题的能力。2.基于3D打印技术的综合课程设计。3D打印是快速成型技术中的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。要将其应用到机械设计与制造综合课程设计中，具体可先通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，接着再将建成的三维模型“分割”成逐层的截面，然后保存成特定的文件格式，之后再将其导入用于3D打印的软件中，接着该软件将模型分成逐层的界面，从而指导3D打印机逐层打印。实施中，学生可根据选题的任务要求完成机械产品的三维建模，并将在三维建模软件中建好的模型保存成打印所需的STL格式，然后导入打印软件中，调整好打印参数、数量与位置后，便可进行打印。对于一些需要做物理实验的选题，基于3D打印技术开展综合课程设计是一个不错的方式。学生不但可以自己制作产品，还能使用产品进行相关的力学、运动控制实验。这种模式不仅锻炼了学生的设计能力、熟练运用三维软件建模的能力，同时还让学生更加直观地理解了产品的加工工艺。3.基于计算机虚拟仿真技术的综合课程设计。对于一些需要开展机械产品运动学分析、动力学分析的选题，综合课程设计的条件不足以支持学生进行相关的物理实验。对此，学生可以借助现代计算机虚拟仿真技术开展实验，这有利于学生掌握现代设计手段和提高设计能力，同时锻炼运用虚拟仿真技术对系统进行运动分析的能力。目前常见的计算机辅助设计及分析软件有Au－toCAD、Solidwords、ProE、MATLAB、ADAMS等。

（三）考核评价体系改革

本文建议采取过程性考核和终结性考核相结合的方式，由学生自评、小组评价、教师考核组成考核评价体系[6]。一是学生自评，在总成绩中占15%。学生主要从理论知识的应用能力、工程问题分析能力、解决问题能力、计算机辅助工具的设计能力、阅读文献水平、团队合作水平、书面规范化表达七个主要方面进行自评。二是小组组长评价组员，在总成绩中占15%。组长主要根据组员的应用能力、工程问题分析能力、解决问题能力、计算机辅助工具的设计能力、阅读文献水平、团队合作水平、沟通能力、项目管理能力、自学能力等方面进行评价。三是指导教师评价，在总成绩中占70%。指导教师根据选题的创新性、项目工作量、设计说明书、机械产品的质量等方面对学生进行评价。总之，机械设计与制造综合课程设计通过选题多样化、课程实施方式多元化和考核评价体系综合化的改革，为高等学校应用型人才培养提供了一个新的途径和参考。新课程体系下的综合课程设计，不仅可以激发学生的创新创造思维和团队合作精神，还能够锻炼学生的实践能力，从而更好地达到实践环节的培养目标。

参考文献：

[1]李锦泽,李志红,侯桂凤,等.机制专业设置综合课程设计和实习的改革探讨[J].新课程研究(中旬刊),2010(2):27-28.

[2]周高峰.中原工学院机电综合课程设计教学实践探索与建议[J].教学研究,2016,39(4):70-74,79.

[3]彭星玲,茶映鹏,刘嘉.机械电子工程专业综合课程设计教学改革与探索[J].科技视界,2018(30):44-45.

[4]陈亮,潘伶,王伟.基于系统观点的机械设计综合课程设计教学改革探讨[J].化工高等教育,2020,37(3):36-40.

[5]常军然,唐宏.江西理工大学机械专业综合课程设计改革和实践[J].中国电力教育,2009(14):154-155.

[6]杨宁,张进,马立香,等.“新工科”背景下“综合课程设计”实验课程多元化考核改革实践[J].实验技术与管理,2020,37(10):190-196.

作者:韦慧玲 单位:佛山科学技术学院机电工程与自动化学院