机械设计课程设计的三位一体模式研究

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摘要：

信息技术的推广和工业设计、制造技术的发展，对高校实践课程提出了新的要求。针对当前机械专业机械设计课程设计的教学模式的不足，提出了课程内容与形式改革措施。为有效提升学生实践能力与创新思维能力，将模型3D绘图与加工制造引入机械设计课程设计中，探索理论计算、设计绘图、加工制造“三位一体”的教学模式。经实践证明，新模式下教学效果突出。

关键词：机械设计；课程设计；模式；探索

随着我国社会结构的变化，催生高等教育教学结构与形式转型，国内地方高校在不断探索应用型人才的培养模式与体系。机械设计课程设计融合了机械设计基础、机械制图、机械制造基础、极限配合与测量技术等课程的知识，是机械类专业培养学生机械设计能力与创新能力的实践教学环节。因此，机械设计课程设计在培养应用型人才为目标的机类和近机类高校实践教学中具有十分重要的作用。当前，机械设计课程设计仍为减速器的理论设计计算为主，辅以二维图纸表达，致使实践性课程缺乏足够的实践环节。为此，以提高学生实践能力与创新思维能力为目标，将模型3D绘图与加工制造引入机械设计课程设计中，探索理论计算、设计绘图、加工制造三位一体的教学模式。

1机械设计课程设计教学现状

传统教学模式将机械设计课程设计的教学目标设定为着重培养学生机械制造与设计的系统化设计思维，其是在机械原理与机械设计课程中机械零部件设计方法的基础上设计机械装置，进行机械机构选择与方案设计、总体布置、总装配图设计、主要零件设计及设计计算说明书编写等训练。机械设计课程设计选择最具代表性的机械装置“减速器”作为设计题目，其课程学习要求包括以下3点：①要求学生熟悉减速器的工作原理、各零部件装配装配关系和箱体类结构设计等知识与技能；②着重要求学生掌握齿轮机构、轴、螺栓组件、轴承、键、销等零部件的设计计算与选择；③要求学生熟练应用标准、规范、手册、图表和设计资料。以采用塔里木大学机械电气化工程学院机械设计课程设计为例，其教学模式采用传统教学模式，在完成88学时的机械设计理论学习后，再开展为期2至3周的机械设计课程设计，学生以4~6人为一小组合作完成减速器理论设计、计算及二维图绘制。在课程设计时间段内，学生对减速器的设计仅停留方案构思、机械零部件和机械总成的结构布置与设计，均属理论设计与绘图，回顾以往的课程设计教学环节与学生反馈信息，发现在课程设计过程中体现出以下弊病：

（1）多数学生对综合应用所学知识与技能解决实际问题的能力较差，对减速器的结构缺乏认识；

（2）学生对课程设计兴趣不够浓厚，缺乏自我设计与创新主动性，且过度依赖指导教师指引；

（3）在减速器的设计过程中，设计计算生硬套搬设计步骤，照抄设计手册和减速器图册的减速器图样与尺寸；同时，在此教学模式下学生以完成作业任务式的心态对待课程设计，导致课程设计抄袭现象，亦无法达到课程设计原本教学要求。该模式下无法体现出设计创新与实践教学，对培养学生自主创新设计作用微乎其微。

2机械设计课程设计改革措施

现代经济社会发展要求高校培育的人才能运用专业知识解决工程实际问题和探索问题的能力。机械设计课程设计作为一门机械专业机械设计综合知识与技能应用的平台，是提高学生机械设计与工程素质的重要环节。机械设计课程设计的教学目标不仅是为培养学生机械制造与设计的设计过程，也是在培育学生掌握机械产品或机械结构的创新设计思维，以及培养学生对现代机械产品的自主创新设计技术工作的适应能力。针对传统课程设计的不足，基于培育具备理论设计、实践加工、理念创新的新型机械设计人才，对机械设计课程设计的实践教学体系进行探索性改革，具体措施如下：

（1）重组机械设计课程的实践教学体系。传统的教学模式下，机械设计的实验课程开设认识性或验证性的实验，主要包括机械零件结构认识现场教学实验、带传动实验、液压滑动轴承实验、轴系部件设计实验、减速器拆装实验等项目。以培养机械设计与制造能力为主线，重组机械设计课程的实践教学体系，增设实操性实验，制定新的教学计划。基于传统的教学模式下，对已有实验项目做改进增设实践操作性内容。以带传动试验为例，以往实验要求学生观察带传动弹性滑动和打滑现象，计算带传动的参数，新教学体系在此基础上增设带与带轮的安装和拆卸。

（2）课程设计内容改革。传统的教学模式下，机械设计课程设计以设计二级减速器为主，设计内容以理论设计计算为核心。针对课程设计内容实践性环节不足，课程设计选择相对较为简单的一级减速器作为设计内容，增设减速器3D绘图和模型加工部分。减速器3D绘图采用UG、SOLID-WORKS等软件绘制，此项内容增设依据新大纲模式下机械制图、三维制图课程整合为一体。减速器模型加工采用优耐美、谢兰微型模具加工机床加工。在新课程设计内容与模式下，安排学生开展为期3周的机械设计课程设计，学生以6~8人为一小组合作完成一级减速器理论设计计算、二维和三维图绘制、模型制作。新课程设计模式大幅增加了课程设计实践性环节，不仅促进了学生课程设计的兴趣，也消除了课程设计片面最求负责机构设计而教学效果不良的现象。

（3）创新环节。课程设计选题采取多样性、灵活性原则，将固定式的减速器设计改变为创新与思考结合的装置设计。基于此为突出课程设计的创新性，开展创新设计项目的调研、机械装置设计方面专利文献资料的检索与收集、装置设计方案构思。课程设计内容应涉及机械设计课程中所学的机构与传动方式。设计任务确定为每组按照所选定的设计题目，综合运用机械设计课程以及其他先修课程的理论和技能，运用合理的方法设计出方案。学生小组可选择指导教师拟定设计题目，学生小组也可自行拟定确定设计题目，但需指导教师审核。

3设计模型加工

模型作为设计理念的具体表达，具有三维直观、真实准确的特点，是产品设计最终的设计表达形式。对于机械设计专业的学生，模型制作不仅有助于分析和掌握产品的功能、结构、形态、材料、工艺等，还能够启发设计灵感，开拓设计思维。在机械设计课程设计中增设模具加工环节，可提升机械设计与制造专业学生的设计思维与动手能力，也可有效融合机械制图、二维制图、三维制图、机械原理和机械设计等多门专业课程的知识。机械设计的创新离不开模型设计加工工具与设备；优耐美（奥地利进口）、谢兰（美国进口）微型模具加工机床是模具设计的创新平台，其安全、稳定的性能是培养动手能力优良设备。国内部分高校已开设微型模具设计加工课程应用于学生实践操作技能和创新能力培养的课程。微型模具加工机床采用模块式结构，机体微型轻巧，组装、操作简单，由锯床、车床、磨床、钻床、铣床、铣齿床六大类机床组成，可对木质、软质金属、树脂胶板等材料进行切、削、磨、铣、钻等加工功能。据课程试验性操作证明，微型加工机床可以车轴（木质、铝质等材料）、铣齿轮、钻孔、裁切板材、磨削毛坯等。在机械设计课程设计中引入微型模具加工，极大的提升了学生课程设计的兴趣，也有效提升了学生的动手操作能力，也为了数控加工课程的学习奠定了基础。

4“三位一体”模式构建

在1979年，北京科技大学“机械设计制图”课程教学团队对非机械类机械基础系列课程进行了改革试验，把“画法几何及机械制图”、“机械原理”、“机械零件”三门课程有机地整合为一门课，在教学内容、教学模式和教学方法上进行了改革创新，并多次获得教学成果奖。国内诸多教学工作者开展了二维教学模式向三维立体教学模式的转化与融合的尝试，提出了工程制图三维化教学模式。舒宏等提出CAD制图内容穿插在制图教学中开展。在制图课程中融入形体、零件三维建模，部件的装配与驱动关系，直观地理解零件的形状、配合、部件的工作原理等。三维CAD教学从产品设计的角度，以三维产品设计到二维工程图为主线。机械制图、三维实体设计、机械设计三门课程的内容相互联系紧密，国内外诸多教育工作者试图将此三门课程融合为一体。而此三门课程内容在机械设计课程设计的设计内容中得到综合体现与应用，将设计与加工制造结合可将设计思维正确与否得到准确的验证。故探索将模型3D绘图与加工制造引入机械设计课程设计中，探索理论计算、设计绘图、加工制造“三位一体”的教学模式。在此教学模式中，学生的课程设计不在单纯意义上的设计计算，设计模型加工与制造是课程设计重要的组成部分。以往依据理论计算，确定零件尺寸与装配关系，依据选材校核零部件的强度与刚度。现在需要依据加工单元与材料来考虑所设计装置各零件形状与尺寸，形成了由零件加工形式、模型装配、零件设计计算等一体化的设计加工模式。以一级减速器设计模型为例，新教学模式下齿轮、轴的模型设计需要依据微型模具加工机床加工范围来设计计算零件的尺寸与材料，箱体模型采用木板裁切、粘拼而成，螺栓组件、轴承、键、销等标准零部件可选配或采用其他材料替代。零部件理论设计计算、装置传动效率计算过程不再是单纯的搬套，装置二维或三维图形绘制亦无从过度复制粘帖，且在整个设计过程中需要多位同学协同完成设计。

5实践效果

2014年，在机械设计制造及其自动化专业单班的课程设计中应用新的教学模式，课程设计期间学生无缺勤现象，且改变了以往小组内“吃大锅饭”的现象，整个小组内按照设计要求分工任务。经问卷调查表明，学生对新模式下的机械设计课程设计满意度极高。同时，机械设计课程设计的改革也为后期学生开展大学生创新试验与设计奠定了良好的基础。机械设计课程设计教学改革以来，有效促进了机械设计课程设计的建设与发展，有效提升了学校教学质量，逐步形成了以设计项目为主线组织设计计算、绘图、模型制作“三位一体”的新模式。

参考文献

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［4］舒宏，高菲，陈霞.多学时制图课程融入三维CAD的教学探讨［J］.图学学报，2012，33（1）:103-106，67.

作者：李勇 范修文 张宏 单位：塔里木大学机械电气化工程学院