機械設計與制造課程設計改革淺析

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摘要：文章首先闡述了機械設計與制造綜合課程設計的必要性，然后分析了當前機械設計與制造綜合課程設計體系及其存在的問題，最后論述了機械設計與制造綜合課程設計改革路徑。

關鍵詞：機械設計與制造綜合課程設計；慧魚模型；考核評價體系

機械設計與制造綜合課程設計是一門重要的專業(yè)實踐課程，該課程知識面覆蓋廣、實用性強，一直以來都備受關注。隨著近年來機械設計與制造行業(yè)的快速發(fā)展，市場對相關人才的要求有所提高。在此背景下，為了提高學生的學習主動性、創(chuàng)新創(chuàng)造性，加強學生的實踐技能，鍛煉學生的團隊合作精神，教師有必要實施機械設計與制造綜合課程設計改革。

一、機械設計與制造綜合課程設計的必要性

機械設計與制造綜合課程設計是機械設計及其自動化、機械電子工程和車輛工程專業(yè)非常重要的一門實踐課，它是專業(yè)理論課程教學后對所學知識和技能的一次綜合運用，也是培養(yǎng)學生工程系統(tǒng)設計思想和工程實踐能力的途徑之一，可為學生進行畢業(yè)設計和將來從事機械專業(yè)工作打下堅實的基礎。開展機械設計與制造綜合課程設計的必要性主要體現(xiàn)在以下三個方面。

（一）學生缺乏對專業(yè)的認識

雖然輔導員在新生入學時會對學生進行專業(yè)教育，介紹人才培養(yǎng)目標、專業(yè)培養(yǎng)計劃、主要課程設置及其原則，并且會就就業(yè)方向問題進行說明。教師在授課前也會對每門課程的教學大綱進行介紹，說明該門課程的目的、任務及專業(yè)地位。但是大部分學生對自己的專業(yè)仍沒有足夠的了解，時常會問：“學了這門課程有什么用呢？這些理論能解決什么問題？做這些作業(yè)對以后找工作有用嗎？以后工作會用到嗎？我們這個專業(yè)畢業(yè)以后都能去什么企業(yè)工作呢？”換言之，大部分學生不明白本專業(yè)與實際工作崗位的聯(lián)系，甚至有些學生不理解本專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和專業(yè)課程設置。即使在教師的耐心解答下，學生對專業(yè)的認識還是不夠系統(tǒng)和全面。

（二）學生缺乏對不同專業(yè)課程之間聯(lián)系的了解

機械設計及其自動化、機械電子工程和車輛工程專業(yè)的基礎課程有機械原理、機械設計、機械制圖、理論力學、材料力學、機電傳動控制、單片機原理及應用等。教師在教學過程中只是根據(jù)教學大綱講解課程的知識，很少從專業(yè)角度系統(tǒng)地向學生介紹各門課程之間的聯(lián)系。學生對每門課程也是進行獨立的學習，很少有機會運用幾門課程的理論知識去解決一個問題，因而難以系統(tǒng)全面地了解專業(yè)體系。根據(jù)專業(yè)方向的不同，學生在學完所有基礎理論課程后還會進行相應的專業(yè)方向課程設計，如機器人產(chǎn)業(yè)班的學生會進行機器人課程設計、機械原理授課結束后教師會安排學生進行機械原理課程設計、機械設計授課結束后教師會安排學生進行機械設計課程設計[1]。但是目前的教學過程中，這三個課程設計是獨立設置的實踐環(huán)節(jié)，內容上沒有關聯(lián)。機械原理課程設計是根據(jù)給定的生產(chǎn)率和電機參數(shù)設計平臺印刷機或平壓印刷機的傳動機構和執(zhí)行機構，并根據(jù)工藝動作要求確定運動循環(huán)圖；機械設計課程設計是根據(jù)給定參數(shù)設計一個二級齒輪減速器，繪制零件圖和裝配圖，并進行運動分析；專業(yè)課程設計是根據(jù)專業(yè)方向開展的，而按照這樣的教學安排，學生難以系統(tǒng)地掌握機械原理、機械設計和專業(yè)課程的基本概念和理論方法。對此，融合機械原理、機械設計和專業(yè)課程的綜合課程設計，能夠促使學生連貫地和全面地運用所學課程的理論和方法系統(tǒng)地解決工程實踐問題，提高學生的創(chuàng)新設計能力和系統(tǒng)設計能力。

（三）學生缺乏理論與實際結合的實踐機會

基于目前的課程設置，學生可能學習了十幾門的理論課程，但是課程設計類的實踐課程卻只有兩三門，這種設置導致理論與實踐嚴重脫節(jié)。當前，高校的教學手段比較單一，以教師課堂授課為主，學生學習變成了應付考試，忽略了將理論應用于實踐的訓練，導致學生不僅知識面窄、自學能力差，同時發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力較弱。有些學生盡管具備了良好的專業(yè)基礎知識，但由于缺乏實踐的機會，工程創(chuàng)新意識和工程設計能力比較薄弱，不能自主地參與一些工程實踐課的學習[2]。另外，在機械原理課程設計和機械設計課程設計教學中，學生往往獨立完成教師布置的選題，學生之間缺乏團隊合作的機會，導致其綜合運用專業(yè)知識解決一個系統(tǒng)工程問題的能力得不到鍛煉。因此，教師很有必要以小組為單位開展綜合課程設計，鍛煉學生以團隊合作精神系統(tǒng)全面地解決工程問題的能力。針對以上問題，在機械設計及其自動化、機械電子工程和車輛工程專業(yè)開展綜合課程設計，可促使學生更深入地理解專業(yè)知識，提高學生綜合運用專業(yè)知識解決實際問題的能力，提升本科教學質量。

二、當前機械設計與制造綜合課程設計體系

（一）目的和任務

教師實施綜合課程設計，可使學生將所學的課本理論知識和工程實踐相結合，綜合運用理論知識解決實際的工程問題，提高學生發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，鍛煉學生的設計能力，從而將學生培養(yǎng)成能夠運用有關課程基礎理論和技能解決實際問題的人才。綜合課程設計是進一步提高學生專業(yè)基本技能和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)之一，通過課程設計，學生能在設計方法方面得到初步訓練，能用文字、圖形和現(xiàn)代設計方法系統(tǒng)地、正確地表達設計成果。以佛山科學技術學院（以下簡稱“我院”）為例，機械設計與制造綜合課程設計的任務如下：在CAD/CAM系統(tǒng)上完成選定塑料件的形狀、尺寸設計；進行模具材料選擇，型腔設計；進行刀具及切削參數(shù)選擇，編制出各工序刀具加工參數(shù)表；進行刀具加工模擬；將上述程序進行后置處理，轉換成指定數(shù)控機床NC代碼；選擇毛坯和加工方案。

（二）課程特色

機械設計與制造綜合課程設計跟機械原理課程設計、機械設計課程設計、畢業(yè)設計是有區(qū)別的，它是針對機械設計及其自動化、機械電子工程和車輛工程專業(yè)的機械原理、機械設計、機械制圖、理論力學、材料力學、機電傳動控制、單片機原理及應用等幾門專業(yè)基礎課程而展開的，其以生活中的機械產(chǎn)品為設計對象，覆蓋了機構設計、力學分析、機械制圖等知識。該門課程的重點是鍛煉學生的設計水平、分析能力和綜合運用能力，激發(fā)學生的工程系統(tǒng)思維。因此，綜合課程設計的開展要始終貫徹系統(tǒng)設計理念，運用現(xiàn)代設計理論及方法解決機械產(chǎn)品設計問題，促使學生掌握機械產(chǎn)品設計的規(guī)律，從而達到理論知識與實踐緊密結合的效果。

（三）基本要求

機械設計與制造綜合課程設計應安排在大三第二學期，在學生修完了專業(yè)基礎課、機械原理課程設計、機械設計課程設計后進行。教師應要求學生綜合運用所學的專業(yè)基礎課程的理論知識和兩門課程設計的實踐經(jīng)驗，解決工程中的機械產(chǎn)品設計問題，掌握機械產(chǎn)品設計的一般規(guī)律，學會運用計算機輔助設計軟件繪制機械產(chǎn)品的零件圖和裝配圖，并熟悉零部件的工藝流程和安全技術。

（四）選題方式

綜合課程設計能否達到預期的目的，關鍵在于選題，因為有了一個合適的選題才能讓學生的能力得到充分發(fā)揮。目前的綜合課程設計選題大部分是教師指定給學生的，以我院為例，機械設計與制造綜合課程設計教師經(jīng)常指定給學生的選題之一是塑料模具CAD/CAM，該選題對學生的機構分析能力、模具設計能力、三維軟件繪圖能力等的訓練較好，但工藝性單一，對機械原理與機械設計的理論運用較少，更重要的是難以做出實物，導致學生的工程實踐能力還是得不到足夠的鍛煉。

（五）課程實施

以我院為例，機械設計與制造綜合課程設計共計5周，分為以下六個方面的內容。第一，布置任務，溫習有關模具及CAD/CAM軟件使用知識，熟悉設計內容，共計2天。第二，在CAD/CAM軟件上進行工件設計、上下模模具設計，共計6天。第三，選定刀具及切削參數(shù)，編制各工序刀具加工參數(shù)表，共計8天。第四，調試好上述參數(shù)表，使之可在MasterCAM進行模擬加工，共計4天。第五，熟悉應用的數(shù)控機床，對程序進行后處理，轉換成指定數(shù)控機床NC代碼，共計2天。第六，撰寫設計設明書，準備答辯，共計3天。

（六）課程考核評價

機械設計與制造綜合課程設計成績由指導教師根據(jù)學生在課程設計期間的工作態(tài)度、課程設計任務的完成情況、設計說明書的水平及對相關知識能力的掌握情況進行綜合評定。課程設計的成績采用百分制記分，具體成績評定標準為能否獨立完成設計工作、是否體現(xiàn)一定的創(chuàng)新能力、設計是否符合規(guī)范、說明書是否規(guī)范化、圖面是否清晰、有無違紀情況等。

三、當前機械設計與制造綜合課程設計存在的問題

（一）選題

當前，機械設計與制造綜合課程設計的選題由指導教師指定，設計題目更新較慢，有的題目可能已經(jīng)用了五六年，很容易造成學生模仿或互相抄襲的問題。而且老舊的選題可能已經(jīng)跟不上社會發(fā)展的步伐了，跟市場需求聯(lián)系不夠緊密[3]。更重要的是，當前的選題只是針對學生獨立完成，往往局限于設計一些簡單的機械產(chǎn)品，難以鍛煉學生的工程系統(tǒng)思維、綜合運用能力和團隊合作精神，這個情況跟現(xiàn)在的企業(yè)人才需求相脫節(jié)，難以引起學生的興趣。

（二）課程實施方式

當前的機械設計與制造綜合課程設計的實施方式比較單一，教師指定選題后，讓學生根據(jù)任務書上的任務要求和時間安排開展，實施方式太單一，難以鍛煉學生的創(chuàng)新意識、團隊合作和實踐能力。同時，當前的時間安排過度固化，不利于強調綜合性的應用型選題的實施。而當前課程實施方式之所以存在不足，主要是因為教師過多地考慮課時和教學任務的要求，未能從學生實際出發(fā)探究課程實施方式。

（三）考核評價體系

當前的考核評價體系只是指導教師根據(jù)學生的學習態(tài)度、設計說明書內容進行評價，這樣做的結果就是忽略了學生在設計過程中發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題能力的培養(yǎng)，同時學生查閱文獻的能力、通過現(xiàn)代計算機輔助設計手段解決問題的能力、溝通交流學習的能力等在評價體系中也得不到體現(xiàn)，跟教學目的有出入。因此，筆者認為應該設計一種多元化的評價體系。

四、機械設計與制造綜合課程設計改革路徑

（一）選題多樣化

機械設計與制造綜合課程設計的選題應由原來教師指定選題向選題方式多樣化轉變，由原來學生單獨完成改成學生三至五個人組成一個團隊開展。選題主要來自三個方面：一是教師根據(jù)實際工程問題，結合專業(yè)特點提取出一些綜合性較強的選題供學生選擇，如自動巡航小車、避障機器人、自動分揀機、貨物搬運小車等；二是教師結合自己的科研項目，提出一些適合團隊開展的選題[4]，如管道清潔機器人的設計及結構優(yōu)化、動力學分析、運動學分析、運動控制等；三是教師要鼓勵學生在合適范圍內自由選題，從而充分調動學生的主動性和積極性，培養(yǎng)學生分析問題的能力和創(chuàng)新創(chuàng)造意識，讓學生可以根據(jù)自己的特長選擇合適的題目，如擅長做機構優(yōu)化的學生可以做機械產(chǎn)品傳動機構優(yōu)化設計、擅長做運動控制的學生可以選一些避障類的選題。這樣不僅可以給學生充分的想象空間和發(fā)揮空間[5]，同時還能提高學生的學習興趣，鍛煉學生的思考能力。

（二）課程實施方式改革

1.基于慧魚模型的綜合課程設計。學生可利用德國慧魚公司的“智能創(chuàng)意教具”模型，設計、裝配出較有創(chuàng)意的機構或機械設備模型，并在ROBOPro編程環(huán)境下編寫程序，實現(xiàn)對模型工作狀態(tài)的運動控制。期間，學生可以根據(jù)自身特點選擇不同的語言進行編程，如VB、C#、Lab－VIEW、MATLAB等。由于這是一個系統(tǒng)的工程問題，故學生需要根據(jù)任務搭建模型、選擇合適的傳感器或控制器、編寫控制程序、調試程序、實現(xiàn)正確的運動控制等。這樣的團隊項目可讓學生有一個充分的發(fā)揮空間，還能鍛煉學生的溝通能力、合作能力、解決問題的能力。2.基于3D打印技術的綜合課程設計。3D打印是快速成型技術中的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術。要將其應用到機械設計與制造綜合課程設計中，具體可先通過計算機輔助設計（CAD）或計算機動畫建模軟件建模，接著再將建成的三維模型“分割”成逐層的截面，然后保存成特定的文件格式，之后再將其導入用于3D打印的軟件中，接著該軟件將模型分成逐層的界面，從而指導3D打印機逐層打印。實施中，學生可根據(jù)選題的任務要求完成機械產(chǎn)品的三維建模，并將在三維建模軟件中建好的模型保存成打印所需的STL格式，然后導入打印軟件中，調整好打印參數(shù)、數(shù)量與位置后，便可進行打印。對于一些需要做物理實驗的選題，基于3D打印技術開展綜合課程設計是一個不錯的方式。學生不但可以自己制作產(chǎn)品，還能使用產(chǎn)品進行相關的力學、運動控制實驗。這種模式不僅鍛煉了學生的設計能力、熟練運用三維軟件建模的能力，同時還讓學生更加直觀地理解了產(chǎn)品的加工工藝。3.基于計算機虛擬仿真技術的綜合課程設計。對于一些需要開展機械產(chǎn)品運動學分析、動力學分析的選題，綜合課程設計的條件不足以支持學生進行相關的物理實驗。對此，學生可以借助現(xiàn)代計算機虛擬仿真技術開展實驗，這有利于學生掌握現(xiàn)代設計手段和提高設計能力，同時鍛煉運用虛擬仿真技術對系統(tǒng)進行運動分析的能力。目前常見的計算機輔助設計及分析軟件有Au－toCAD、Solidwords、ProE、MATLAB、ADAMS等。

（三）考核評價體系改革

本文建議采取過程性考核和終結性考核相結合的方式，由學生自評、小組評價、教師考核組成考核評價體系[6]。一是學生自評，在總成績中占15%。學生主要從理論知識的應用能力、工程問題分析能力、解決問題能力、計算機輔助工具的設計能力、閱讀文獻水平、團隊合作水平、書面規(guī)范化表達七個主要方面進行自評。二是小組組長評價組員，在總成績中占15%。組長主要根據(jù)組員的應用能力、工程問題分析能力、解決問題能力、計算機輔助工具的設計能力、閱讀文獻水平、團隊合作水平、溝通能力、項目管理能力、自學能力等方面進行評價。三是指導教師評價，在總成績中占70%。指導教師根據(jù)選題的創(chuàng)新性、項目工作量、設計說明書、機械產(chǎn)品的質量等方面對學生進行評價。總之，機械設計與制造綜合課程設計通過選題多樣化、課程實施方式多元化和考核評價體系綜合化的改革，為高等學校應用型人才培養(yǎng)提供了一個新的途徑和參考。新課程體系下的綜合課程設計，不僅可以激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造思維和團隊合作精神，還能夠鍛煉學生的實踐能力，從而更好地達到實踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)目標。

參考文獻：

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[5]常軍然,唐宏.江西理工大學機械專業(yè)綜合課程設計改革和實踐[J].中國電力教育,2009(14):154-155.

[6]楊寧,張進,馬立香,等.“新工科”背景下“綜合課程設計”實驗課程多元化考核改革實踐[J].實驗技術與管理,2020,37(10):190-196.

作者:韋慧玲 單位:佛山科學技術學院機電工程與自動化學院