基于能力培养的机械设计课程教学方法探索*

时间：2024-06-19

王志伟，孟玲琴

（河南机电高等专科学校机电工程系，河南新乡 453000）

1 引言

机械设计是机械类专业的一门重要技术基础课，在培养学生具有工程设计能力方面占有非常重要的地位。该课程综合了多门已学过的学科知识，且与生产实际联系密切，理论性、实践性、综合性强;概念多、公式多、图表多、内容复杂庞大;教学、学习难度大。而且随着科学技术的迅猛发展，要求21世纪培养的人才基础扎实、知识面宽、适应面广、创造能力强，即具有较高的综合素质。因此，如何加强素质教育，培养学生具有分析、解决工程问题，设计、创造新的机械装备的能力，探讨多渠道提高机械设计教学质量的问题，已势在必行。

2 现行课程教学体系中存在问题

机械设计课程主要涉及的内容是关于一些常见机械零部件的基本特点、常见失效方式、力学分析、结构参数选取和设计计算。其教学目标不仅要使学生掌握一些常见零部件的基本知识，同时也要初步建立机械零部件和简单的机械系统设计的能力。但国内高校目前所使用的机械设计教材内容在编排上存在如下一些问题:过分注重理论知识的讲解;零件的设计过程和方法没有正面系统阐述;零部件的设计和整机系统的设计没有建立明确的逻辑关系;过分强调理论设计方法而淡化经验性设计内容;对学生只进行有详尽指导教材的课程设计而没有进行创新内容的设计。由于上述原因，使得学生在学完该门课程之后虽然可以很好地完成与课程配套的习题，但对于具体的实际零部件设计仍然束手无策，对于机械系统的设计更是没有办法。

3 探索教学方法，提高教学质量

3.1 进行合理地教学设计

机械设计教学设计是应用系统科学的观点和方法，按照教学目标和教学对象的特点，合理的选择和设计教学媒体信息、教学方法和教学手段。它包括以下几个方面:学生情况的了解;选用教材和配套教材的情况;已备教学文档（教学计划、进度、要求、CAI课件、教案、试题库、学习指南等）情况;课程衔接（选修课、相关课任课教师的协调）情况;课程主要内容、结构体系、学时分配、重点难点:教学环节设计（课堂讲授、实践环节、作业训练、师生交流、考核方法）;教改研究及建议等。

教师在上这门课之前，通过对课程进行深入的分析和研究，对课程的整体进行全面的系统设计，对课程的各个环节进行周密的安排，并详细填写教学设计一览表，这样在教学中就可以有计划、有准备地完成好各个教学环节，为保证教学质量奠定基础。

3.2 充分发挥多媒体教学手段的优势

当今，科学技术的发展和经济建设的需要，要求学生掌握的知识面越来越宽，信息量越来越大，而教学学时却一再压缩。改革目前传统的教学手段和方法，将计算机辅助教学这种现代化教学手段引入到机械设计教学中，将大大改善教学环境和气氛，使教学活动变得丰富多彩，有效地提高教学质量。

机械设计多媒体课件图、文、声、像并茂，具有信息的集成性、超文本的结构性和良好的界面交互性等优势。其丰富多彩的画面、动画和视频片段将工业场景或逼真的动画模拟等引入课堂，一改过去抽象地讲述，使学生似乎身临其境，真正步入教学中，从而激发了学生学习的主观能动性。一些难点、重点内容，如带的弹性滑动和打滑、链传动的多边形效应、齿轮的失效形式和机理等，通过动画的演示，变得容易理解和接受。采用多媒体进行教学，可以培养学生敏锐的观察力、丰富的想象、求异思考等思维方式，培养创造能力。如轴系结构设计部分，学生通过人机对话参与轴系结构的设计过程，将自己融入教学过程中，变被动接受为主动思考，从而调动了学生学习的积极性，并通过设计方案、设计参数的选择讨论，提高了分析问题、解决问题的能力，激发了创新意识。采用多媒体教学手段，还可以扩大课堂的信息量，将一些科技新技术、新成果及机械产品的工程应用等信息，补充到教学内容中，以扩大学生的知识面，并解决了教学内容多而课时少的矛盾。

采用以多媒体课件为主体的教学手段时，不要忽视了教具、模型的直观性，教师肢体语言的生动性，应多走到屏幕前去讲述。还要充分发挥实物展台的作用，多补充—些相关信息，还可以利用黑（白）板来加强教学效果。另外要注意给学生提供课件的主体素材，以便于学生对所学知识的理解、巩固和提高。讲课过程中注意提醒学生将一些重要内容、重要公式划下来，以弥补做笔记不便的缺陷。

3.3 课堂教学中强调设计思想的传授

机械设计这门课程中包含的知识体系较为广泛，既有大量的理论计算和推导，又有大量的经验公式和经验图表。学生在学习过程中往往会有一种无从下手的感觉。因此，在进行课堂讲解时，首先一定要让学生从纷繁的知识堆里找到学习的方向，建立本门课程学习的指导思想。机械设计这门课程的学习目标不仅是要掌握一些常见零部件的基本知识和计算方法，更主要的是要掌握这些零部件的设计思想，只有掌握了基本的设计思想和设计方法才能在将来面对这种零部件的设计或选用时知道如何去做。为此，在进行每一种零部件的学习中，可以制定一个“基本特点—失效方式及影响因素—受力分析及计算—参数的确定和结构设计”的教学模式，让学生按照这一模式进行学习，重点要求学生掌握基本的设计思想和方法。

所谓设计思想就是贯穿于教材中的一些零散的设计理论，这些理论不一定都是以某种公式或图表进行表达，它要告诉我们的往往是关于如何进行该零部件的设计，设计中应注意什么，使用中应注意什么，各种参数的意义和对该零部件性能的影响过程，以及如何选取和确定这些参数。这些设计思想往往是不具有严密的整体逻辑关系，需要花一定的精力在理解的基础上去记忆。这些设计思想应该是本门课程学习的重点之一，应予以足够的重视。为了说明什么是机械设计课程教学中的设计思想，在此以齿轮传动为例进行说明。

在齿轮传动中，所谓的设计思想包括:齿轮传动的特点、使用范围、基本分类方法、主要失效形式和影响因素、齿轮常用材料和热处理方法、齿轮传动的受力分析、齿轮传动的设计方法、齿轮参数的确定和影响过程、齿轮常见结构和适用工况、齿轮传动的效率计算和影响效率的因素、齿轮传动的润滑和密封方式的选择方法及注意事项等。学生在对上述思想有所掌握的基础上才能在设计齿轮传动时有方向感，知道如何下手开始工作，以及在设计过程中有一个明确的指导思想。

3.4 淡化过细的理论内容

机械设计课程内容中包含了大量的理论内容，特别是一些理论公式和计算图表成为学生在学习过程中的主要困难，这往往会使他们产生一种“机械设计课程难学”的观点，影响了教学效果。为此，在进行课程教学的过程中，首先应对每一章内容中的所有公式进行分类，将其划分为基本掌握公式和基本了解公式两类。对于基本掌握公式要求学生一定掌握，因为没有这些公式的服务很难建立基本的设计思想。但有些公式比较复杂，即使短期能够记住，但过几天就很快忘记，这样的公式只要求学生对其理解，掌握使用方法以及使用中的注意事项，能够正确使用即可。

以齿轮传动设计为例。在齿轮传动中，传动比公式、中心距计算公式、分度圆直径计算公式、斜齿轮法面模数计算公式、齿顶圆和齿根圆直径计算公式、节距计算公式、齿轮传动受力计算公式、齿宽系数计算公式、斜齿轮和锥齿轮当量齿数计算公式等属于必须掌握的基本公式，这些公式形式上不复杂，易于记忆，而且与基本的齿轮知识体系密切相关，只有掌握了这些基本知识才能很好地对齿轮传动有较为扎实的理解。而如端面重合度计算公式、啮合角计算公式、中心距变动系数计算公式、综合曲率半径计算公式、齿面接触疲劳强度计算公式、齿根弯曲疲劳强度计算公式、许用应力计算公式等均不要求学生记忆下来，只要求对每个公式的使用方法、公式中每项的含义以及使用过程中应该注意的事项弄清楚，将来在应用时能够通过资料查询，正确使用就已经达到了教学要求。

3.5 将零件参数的确定与零部件结构设计相结合

零部件计算参数和结构参数的确定方法是机械设计课程中的一个重要组成部分。这部分内容理解与掌握的程度直接关系到学生能否完整掌握单个零部件的设计。由于这部分内容一般分散于每一章的教学内容中，使得学生学习过程较为困难，往往一章内容学完之后，学生对于如何完整设计出这一零部件仍然感到十分困难。为此，应在教学过程中将这些分散于课程中的知识点归纳集中起来，在每章教学内容完成之后花半节课左右的时间进行提纲挈领式的归纳，让学生建立该零部件的参数设计方法。下面还是以齿轮传动的教学内容为例进行说明。

齿轮的结构参数主要包括:齿数、模数、变位系数、齿轮宽度、分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、中心距、齿轮结构形式、中心孔直径、轮毂键槽尺寸等。这些参数中，齿数的多少根据最小齿数、传动比、外形尺寸要求等条件确定;模数大小根据齿根弯曲疲劳强度计算结合标准模数序列确定，或根据齿面接触疲劳强度计算和选定的齿数确定;变位系数根据中心距取标准或为了大小齿轮强度平衡进行计算之后确定;齿轮宽度根据选定的齿宽系数进行确定;分度圆直径根据齿数和模数确定;齿根圆直径等于分度圆直径减去两个齿根高;齿顶圆直径等于分度圆直径加上两个齿顶高;中心距根据齿数、模数和变位系数确定;齿轮结构形式根据几何尺寸、加工工艺、毛坯材料、生产批量及经济性确定;中心孔尺寸根据相配的转轴直径确定;轮毂键槽尺寸根据相配的轴径查表确定。上述尺寸确定后就可以根据机械制图的有关知识画出一张完整的齿轮设计图。

通过这样的讲解。学生们对齿轮的有关设计参数一目了然，对设计一个具体的齿轮有了较为明确的认识。

3.6 将单个零部件的设计与整机设计结合起来

在实际的工业应用中，零部件往往不是单独使用的，它们要相互连接、配合形成系统进行工作。零部件之间存在一定的内在关系，使得每个零部件的设计都要考虑到与之相关的其他零部件的要求以及整个机械系统的要求。因此，机械设计课程教学的目标绝不仅仅是为了能够进行单个零部件的设计，而是面向实际机械系统的设计。但是，目前国内高校机械设计课程的内容在编排上都是以零部件进行分块讲解，各个零部件之间没有很好地建立有机的联系。学生在学完整个课程之后虽然能够进行单个零部件的设计，但面向整机设计中的零部件之间相关问题设计往往无所适从。为此，教师应在教学中每讲到某一个零部件的设计时要抽出一定的时间详细介绍一下该零部件与其他零部件间的关系、设计中如何进行相互协调。以下再以齿轮传动为例进行说明。

齿轮传动是机械传动中一种十分重要的传动形式，在使用中一般要和下述一些零部件及机械工艺相关:相配齿轮、相配轴、轴承、润滑油或润滑脂、挡油环、材料选取、热处理过程、加工制造工艺、日常维护和保养等。因此，在进行齿轮传动设计时，不仅要从强度与结构方面进行考虑，同时还要考虑上述因素对齿轮传动设计过程的要求，在综合考虑的前提下，最终确定整个齿轮的设计，这样设计的齿轮不仅单独考察是合格的，同时放在系统中工作能够满足相关零部件的要求，这样的设计才是符合客观要求的设计。

3.7 课程设计中引入创新设计环节

现行的机械设计课程教学对零部件的设计理论有了较为细致的介绍，但忽略了经验知识和主观能动性在机械设计中的作用。使得学生虽对单个零部件的设计有一定的思路，但一遇到实际设计问题，面对一些需要自己根据有关知识确定参数的部分就茫然不知所措。虽然课程设置中有一个课程设计环节作补充，但由于课程设计内容的程式化成分很高，学生只需按照指导教材一步步进行设计，根本不用动太多的脑筋就可以完成整个减速器设计，因此，这一教学环节对学生实际设计能力及创新能力的培养力度十分有限。为此，应在对课堂教学及课程设计进行改革的同时，缩短整个课程的教学时间，在不增加教学总时数和学生负担的前提下引入创新设计环节。该教学环节的两个基本原则是:培养学生的基本设计能力和培养学生的创新设计能力并重;本专业设计能力和相关专业设计能力并重。该教学环节的教学总目标是:在培养学生的实际设计能力和创新能力的同时，创造出有市场价值、能够服务于社会的实实在在的产品。

创新设计可同创新制作同步进行，在学过机械设计课程后，学生可以通过课程设计，组合各类机构，创造设计出一个新机器，绘出运动简图，而且亲自动手，将自己设计的机器用有机玻璃按比例加工出模型，通过机电控制，实现预定的动作，将纸上谈兵式的设计变为真实的机器模型。通过这一环节的实践，可提高学生的设计积极性，而且在学生亲自动手通过劳动制作出自己设计的机器模型后，会产生一种发自内心的成就感，通过这种成就感，可以激发学生对其他专业课学习的兴趣。在这一个环节进行过以后，可达到以下几个目的:（1）进一步巩固机械设计所学理论知识，并将其系统化;（2）培养学生理论联系实际，用所学理论知识解决工程技术问题的能力;（3）进一步掌握机器运动设计方法，建立空间概念，为下一阶段的构形及工作能力设计打下基础;（4）通过装配、调试使学生了解零件的配合、定位、协调关系;（5）、通过加工、制作，培养学生的操作动手能力，并初步了解一些加工工艺学知识;（6）通过创造性教育，培养学生的革新、创造能力;（7）开展小发明、小制作活动，使学生尽快成才，以适应社会主义市场经济对人才的要求。