“机械设计”课程教学方法改革

“机械设计”课程教学方法改革

顾大强
　机械工程学系

一、课程简介

1.课程类别

大类课程

2.学科类别

工学—机械工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:机械设计是一门培养学生具有机械设计能力的技术基础课，是机械类各专业培养方案中的主干课程。本课程的目标是通过课程教学与实验、实践环节培养学生如下能力:机械工程科学知识的应用能力；设计机械系统、部件和过程的能力；对于机械工程问题进行系统表达、建立模型、分析求解和论证的能力；在机械工程实践中初步掌握并使用各种技术、技能和现代设计工具的能力。

（2）教学内容:课程的主要内容概括为五个方面:①机械零件和机械系统的一般设计要求与方法；②机械传动（螺旋传动、齿轮传动、蜗杆传动、链传动和带传动）的设计方法；③机械连接（螺纹、键、花键等）的设计方法；④轴承（滚动轴承、滑动轴承）和轴系其他零部件的设计方法；⑤根据运动性能、动力性能、强度与刚度、使用寿命、耐磨性和可靠性等各方面要求，探索设计新机械的途径和方法。

4.教学对象

机械类三年级本科生。

5.教学时数与教学场景

（1）教学时数:课堂教学48学时。

（2）教学场景:课堂教学在多媒体教室开展，学生设计实践在课外完成。

二、课程教学重点解决的问题

“机械设计”是学校的大类课，也是机械系各专业学生的重要技术基础课。目前国内各高校机械工程专业的“机械设计”（含机械原理）课程从原来128学时减到目前的96学时，“机械设计”课程内容需做较大的调整；同时，分析、比较国内外的“机械设计”课程教学，需重点解决的主要问题是:

（1）传统的机械设计是按“机械原理”、“机械零件”来组织教学内容，而目前美国高校排名靠前的机械工程专业，机械设计课大多按机械设计进程组织教学内容。

（2）课堂讲授内容（知识）偏多，学生对零部件的实际应用了解甚少，结合课程的工程实例教学案例少。

（3）机构、零部件是如何在机械系统设计中应用的，讲的比较少，学生感觉内容比较零碎。

（4）课内、课外学时比例不合理，学生在上完理论课后，课后的主要学习就是复习、巩固课程获得的知识，缺少课外学生主动完成工程设计实践的环节和内容。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

（1）强调以学生为中心，以能力培养为导向的教学宗旨。突出工程设计能力的培养，具有国际化视野，采用能力导向（outcome baesd）的基本原则，以学生的素质和潜在能力表现作为衡量教学效果的评价。

（2）按机械设计进程开展教学活动。重新梳理、编排机械设计的教学内容，使之与前后课程（机械原理、课程设计、机械创新设计）无缝衔接。“机械设计”包含“Ⅰ原理与方案设计”、“Ⅱ结构与工艺设计”、“Ⅲ机电综合设计”，三部分有机衔接，层层深化，每部分有阶段目标，合起来有总体目标的思路组织课程教学。

（3）在课程教学中增设学生设计实践环节。课堂教学从单纯的知识的讲授转变为引导学生应用设计知识进行机械设计。结合工程案例，增设讨论课、学生Group project。每个选修本课程的学生都有机会完成一个工程题选的全过程（包括问题定义、工程建模与分析、结论形成、书面和口头报告）。

2.具体实施方法举例

（1）按机械设计进程重新编排、确定教学内容授课顺序。

新安排的授课顺序:总论→传动→连接→轴系→弹簧→机架→系统→发展与创新。具体各部分内容如下:

机械设计总论:机器的一般组成；机械零件的主要失效形式；机械零件的设计准则；机械零件疲劳强度的设计方法；机械零件的常用材料；机件的结构设计；机械中的摩擦状态和润滑油黏度表征。

螺旋传动:螺旋传动的类型；滑动螺旋传动的设计。掌握的创新的技法有:①局部品质原则；②以凹凸面接触代替两凸面接触；③以滚动摩擦代替滑动摩擦；④以流体摩擦代替滚动摩擦。

齿轮传动:齿轮传动的失效形式；齿轮传动的设计准则；直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮和直齿圆锥齿轮传动的受力分析；三种齿轮传动的设计；材料与热处理的选择、主要参数选择；齿轮的结构设计；齿轮的润滑设计。

蜗杆传动:熟悉蜗杆传动正确啮合条件；掌握蜗杆传动的受力分析与运动分析；掌握圆柱蜗杆的失效形式；掌握普通蜗杆传动的设计计算（接触强度、热平衡计算）；蜗杆与蜗轮的结构设计。

链传动:链传动的特点；链传动的运动特性（多边形效应）；链传动设计计算中的主要参数选择；链轮的结构设计。

带传动:带传动的类型和特点；V带传动的受力分析与应力分析；带传动的弹性滑动和打滑；带传动的失效形式；V带传动的设计计算（参数选择）。

联接:螺纹联接的类型与基本参数；螺纹联接的几种结构设计；螺纹联接的预紧、防松方法；螺纹联接的强度计算；提高螺纹联接强度的措施；平键的选择与强度或耐磨性计算；花键的类型与选择设计计算；了解铆接、焊接、黏接与过盈联接的特点及其应用场合。

轴:轴的类型与材料选用；轴系的结构设计；轴的强度与刚度计算。

滑动轴承:流体动压润滑的基本原理；形成动压润滑的条件；熟悉滑动轴承的主要结构、轴瓦及轴承衬材料；了解其他形式的滑动轴承的特点。

滚动轴承:了解滚动轴承的基本结构和特点；熟练掌握滚动轴承类型选择，常用轴承代号；掌握常用滚动轴承的失效形式、尺寸选择计算；能够进行滚动轴承的组合结构设计。

联轴器、离合器和制动器:各类联轴器的类型与其优缺点；如何选择联轴器；各种离合器的类型与其优缺点；各种制动器的类型与其优缺点。

弹簧、机架和导轨:弹簧的功用与类型；圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的强度计算；圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的刚度计算；机座和箱体的设计要点；截面形状、肋板布置的最优设计方案；导轨的类型。

机械系统方案设计:机械系统的总体设计；机构的布置设计；执行系统的设计；传动系统的设计；机械系统设计案例。

机械发展与创新设计:机械创新设计方法；功能原理的创新设计；机构的创新设计；机械结构的创新设计。

（2）结合工程应用，开展案例教学。

本课程既是专业基础理论课程，又有较强的实践性；同时，本课程也不是单纯的理论课，工程特征明显，具有从理论性课程过渡到工程实际、从基础课程过渡到专业课程的桥梁作用。本课程概念多、经验数据多、参数多、公式多、图表多，针对这些情况，课堂教学在多媒体教室上课，但是灵活运用了各种传统教学方法（板书、教具），应用CAI课件，通过多媒体形式增加课堂信息量，在教学中插播视频，重现通用零部件的加工、装配及应用情况，收集、制作了《齿轮的类型、特点及应用》、《链传动类型、特点及应用》、《螺旋传动》、《滚动轴承》视频课件；针对轴系结构设计，收集、制作《工业中的轴系结构设计CAI动画课件》，使学生尽量熟悉实际现场情况。

（3）将新技术、新发展的内容穿插在各章节中介绍，并要求学生进行课后拓展学习，培养创新意识。

例如，在“螺栓连接”一章中，在介绍完各种常用螺钉类型后，向学生介绍螺钉功能面的结构变异创新（见图1）、结构组合创新（见图2）等新发展。

图1　螺钉功能面的结构变异创新

图2　结构组合创新

由于学生比较熟悉螺钉，看到这些新结构感到比较新奇，就势引导学生对螺纹连接应用做深入的课外学习，布置课外任务。除课堂所讲授的螺纹防松方法外，通过课外学习和思考，提出螺纹防松的新设想。

（4）从实际工业设备入手，引导学生理解“机构、零部件如何在机械系统设计中应用”。

以剪贴及活动剪刀系统设计方案分析为例，通过对机械传动、机械传动系统进行多方案分析、比较和综合设计来培养学生独立分析能力、综合设计和创新设计能力。

某剪铁机实现活动刀剪相同运动的7种不同方案。已知电动机功率为7.5kW，满载转速n_m＝720r/min，要求活动刀剪每分钟往复摆动剪铁约23次。7种方案的传动机构、排列顺序、传动比分配均示于图3中，通过方案讲解来使学生理解各种机构的应用特点。

方案讲解:

方案（a）和（b）从电动机到工作轴A的传动系统完全相同，考虑剪铁机工作速度低、载荷重且有冲击，活动刀剪除要求适当的摆角、急回速比及增力性能外，运动规律并无特殊要求。方案（b）采用连杆机构变换运动形式较方案a采用凸轮机构为佳，结构也简单得多。

图3　7种方案的传动机构、排列顺序和传动比分配

方案（b）、（c）、（d）、（e）在电动机到工作轴之间采用了不同的传动机构，都能满足工作轴每分钟23转的要求，但方案（b）采用V带传动，可发挥其缓冲吸震的特点，使剪铁时的冲击震动不致传给电动机，且当过载时仅V带在带轮上打滑，对机器的其他机件起安全保护作用。虽然方案（b）外廓尺寸大一些，但结构和维护都较方案（c）、（d）、（e）方便。方案（e）采用单级蜗杆传动，虽具有外廓尺寸紧凑和传动平稳的优点，但这些对剪铁机而言，显然并非主要矛盾；而传动效率低、能量损失大，使电机功率增大，且蜗杆传动制造费用高，成为突出缺点。另外，蜗轮尺寸较小，固属优点，但转动惯量也因而减小，可能反而还要安装较大的飞轮，才能符合剪切要求，这样就更不合理了，故此方案在剪铁机中很少采用。方案（f）和方案（b）相比仅排列顺序不同，其齿轮传动在高速级，尺寸虽小些，但速度高，冲击、振动和噪声均大，制造和安装精度以及润滑要求较高，而带传动放在低速级，不仅不能充分发挥缓冲、吸振、平稳性好的特点。而且会引起带的根数增多，带轮尺寸和重量显著增大，显然不合理。（b）、（g）两方案所选机构类型、排列顺序、总传动比均相同，但传动比分配不同，方案（b）中i带＞i齿，而方案（g）则相反，两者相比，方案（b）较好。这是因为方案（b）中大带轮直径和重量虽较大，但大齿轮尺寸较小，使大齿轮制造会方便一些；另外，带轮相对大齿轮处于高述位置，其重量增大、转动惯量增大，在剪铁机短时最大负载作用下，可获增加飞轮惯性的效果，权衡之下还是利多于弊。

（5）结合设计实践，精心设计讨论课。

例如，布置“螺旋千斤顶设计”、“轴系结构设计”，开展设计实践，结合本教研组组织的机械设计竞赛，精心设计讨论课，激发学生学习兴趣，充分调动学生的积极性。一般过程是:教师提出主题，全班学生自行分成若干个学习小组，每个小组3名学生，并指定一名组长，由组长组织该小组学生完成讨论课任务。通过小组讨论的形式相互交流所获得的知识和研究解决问题的办法，每个小组必须提交一份设计报告并在讨论课上做学术发言。在教师引导下，学生讨论问题后，同学们还需要对设计方案进行自我反思和评价，总结所获得的知识和思维方法及独立分析解决问题的能力。

3.教学方法特点分析

在教学方法上实现3个转变:以教为主，转变为以学为主；以课堂教学为主，转变为课内课外结合为主；考试评价学习效果，转变为学习过程和考试结合的学生成绩评定方法。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

改革课程成绩评定模式:把工程设计能力培养贯穿于整个教学中，加强平时“软”成绩考核，以意识培养（工程意识、创新意识和社会责任意识）和能力导向（实践能力、观察能力、分析能力、解决问题能力、表达与交流能力）设计课程成绩评定方法，逐步加大“设计实践成绩”在课程成绩评定中的比重。目前的比例为:螺旋千斤顶设计实践（10%）、轴系结构设计实践（10%）、机械设计竞赛（10%）、期末考试（70%）。

2.支撑手段

本课程的改革与课外学科竞赛—机械设计竞赛联动，利用浙江大学机械设计竞赛基地的资源开展机械设计实践。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

教学方法经过2011年、2012年两届机械系学生的教学实践，取得了良好的效果。案例教学、讨论课、自主学习、团队合作、过程与结果综合考察的成绩评定方法，深受学生好评，学生对“机械设计”课程的教学评价均为优良。

在教学班发放“机械设计”课外设计实践情况调查表，57%的学生认为我们安排的设计实践对学习帮助很大，只有约5%的学生认为对学习帮助不大。

（1）按设计进程组织教学，与国际接轨，符合机械设计的过程，有利于教师指导学生就某一工程设计选题进行长期、系统、深入实践并获得深刻体验。为开展目前国内高校中普遍缺乏的Project教学，特别是面向工程实际问题的Project教学创造了条件。

（2）学以致用。工科人才的知识结构必须符合工程实际的需要。机械设计系列课程是工科类专业学生必修的专业基础课，既属专业基础理论课程，又有较强的实践性。本教改项目遵循认知的客观规律，重构了“系统—细节—系统”的课程理论知识体系框架。为使学生适应机械设计类课程知识具有较强工程性的特点，使之从习惯于基础理论课程学习的状态向适应工程知识学习、实践能力培养的转变，课堂教学中采用案例教学，以此丰富学生的工程实践知识并激发学生学习工程知识的热情。

（3）以学生为中心，基于问题的学习，注重学生对机械设计知识的主动探索、主动发现。践行素质教育和创新教育，能更好地培养具有创造性、自主性、协作性等特征的人才，以适应时代与社会的要求。

（4）本教改项目着重培养学生以下四方面的能力:

机械设计工程能力:本教学团队教师长时间工作于教学、科研第一线，具有丰富的工程经验，结合具体的设计实践（经过工程项目实施中的可行性研究、初步设计、详细设计、修正设计），学会运用各种工程软件工具，利用构思模型、草图模型、工程图、数学模型等工程模型描述和解决工程问题，训练对功能性、经济性、环保性等基本要求的综合考虑，培养整体设计理念和工程伦理观念，提高工程问题分析能力和机械设计实践能力。

自主学习能力:根据设计需要引导学生课外投入时间和精力进行自学，围绕教学内容阅读参考书籍和资料，自我扩充知识，培养和提高对所学知识进行整理、归纳、总结和消化吸收的能力，培养其自主设计能力。

表达能力:主要通过课堂讨论、黑板或PPT讲解、撰写设计报告、课题交流讨论等表达训练，学会用口头语言准确表达自己的观点，用书面文稿和技术文件等规范表达自己对问题的描述，分析解决问题的思路、方法，以及设计过程和所完成的工作与结论。

创新能力:通过让每个学生在课堂上动口、动手、动脑，在课后进行拓展作业训练，调动学习积极性，培养学生独立思考、自主探究、务实、求变的能力。

2.推广性分析

本课程为技术基础课，其改革探索对其他工学专业的技术基础课和专业课有借鉴意义。

六、课程教材及实验参考书

［1］陈秀宁，顾大强.机械设计.杭州:浙江大学出版社，2010