“机械原理与机械设计课程设计”的改革探索

摘要：基于CDIO工程教育的理念，提出了“机械原理与机械设计课程设计”实践课程教学改革的具体措施：统一机械原理和机械设计课程设计的题目，分别在各自授课学期进行设计，但两门课程设计相互联系、相互影响，成为一个较完整、较系统的综合型设计，使之更接近工程实际，以培养学生的工程职业素质和团队协作精神，提高学生的综合实践能力和创新设计能力。

关键词：CDIO工程教育；课程设计；创新能力；教学改革

作者简介：王砚军（1964-），男，山东诸城人，济南大学机械工程学院，副教授；李长春（1956-），男，安徽砀山人，济南大学机械工程学院，教授。（山东 济南 250022）

基金项目：本文系济南大学2011年教育教学研究项目（项目编号：J1007）的研究成果。

中国分类号：G642.3     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2011）23-0095-02

机械原理与机械设计课程设计是工科院校机械类专业培养学生综合机械设计能力和创新能力的重要实践教学环节，是教学中理论联系实际，促使知识向能力转化，提高学生综合素质的有效途径，在实践教学中占有重要位置。传统的教学过程中，这两门课程设计各自独立进行，互不联系：机械原理课程设计是针对某一简单的机械系统，综合运用所学的理论和方法进行执行机构的方案设计，设计时学生不清楚执行机构之前的运动传递情况；而机械设计课程设计则是针对机械工程中常用传动装置中的二级减速器进行结构设计，设计时学生对于减速后为之服务的执行机构情况也不太关心。两门课程设计彼此独立，机构设计不考虑其结构，而零部件结构设计又没有和机构设计联系起来，不利于对学生综合机械设计能力和创新能力的培养。

为此，基于国际工程教育CDIO的理念，以创新设计为根本，以提高和优化学生的知识、能力及素质，特别是综合设计能力与创新思维能力为目的，对机械原理与机械设计课程设计实践教学环节进行综合改革与实践：统一机械原理和机械设计课程设计的设计题目，并分别在各自授课学期进行设计，但两门课程设计的内容相互联系、相互影响，成为一个较完整、较系统的综合型设计，使之更接近工程实际，力求突出对学生工程职业素质与团队协作精神、综合实践能力和创新设计能力的培养。

一、课程设计综合改革的措施

CDIO（Conceive，Design，Implement and Operate，即构思、设计、实现和运作）是以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程，以培养学生的工程基础知识、个人能力、团队协作能力和工程系统能力。[1]CDIO作为指导工程教育人才培养模式改革的教育理念和课程设计的框架体系，符合现代工程技术人才培养的一般规律。其提倡的“基于项目的教育学习”教学模式，是以工程项目设计为主线，所有教学环节都围绕项目设计这个核心展开，并与这个核心融合在一起，形成一个有机的、系统的整体，从而提高学生学习应用理论知识的能力和实践动手的能力，调动学生学习的主动性和创造性。基于CDIO工程教育的理念，对“机械原理与机械设计课程设计”教学实践进行了以下几个方面的改革。

1.综合性课程设计题目的选择规划

传统的“机械原理和机械设计课程设计”教学中，设计题目彼此独立，各自在课程教学结束后集中进行。机械原理课程设计是学生按照固定的设计流程，结合一个简单的机械系统，综合应用所学的理论和方法拟定机械运动方案，并针对方案中的某一机构进行分析和设计；而机械设计课程设计则是采用具有一般用途的机械传动装置为设计对象，设计题目主要是专用传动装置中的减速器。设计课题虽说具有很强的代表性，也综合了各自课程的主要内容，应该说对于巩固学生所学知识，加深对“机械原理”和“机械设计”课程中所学知识的理解都很有必要，但缺少对学生综合能力进行培养的环节，与CDIO工程教育理念相距甚远，不能满足现代社会对高素质工程人才的需求。

以CDIO理念为指导，将机械原理课程设计和机械设计课程设计结合起来，以综合性的工程设计题目为主线，使其完整地、有衔接地贯穿于机械原理和机械设计的整个教学过程，使学生系统地得到构思、设计、实现和运作（CDIO）的整体训练，从而提高学生对理论知识的应用能力和实践动手能力，调动学生学习的主动性和学习兴趣。为此，综合性课程设计题目的选择应遵循一下基本原则：设计题目所涉及的机构应覆盖机械原理课程中所学的主要机构，如连杆机构、齿轮机构、凸轮机构等；设计题目所涉及的传动方式应是机械设计课程中讲授的主要传动方式，如带传动、齿轮传动和蜗轮蜗杆传动等；设计题目应具有多样性、挑战性，以满足不同学生要求，使得设计由模仿型变为思考型。基于上述原则，我们在拟定综合性课程设计题目的过程中，一方面从工程实际中搜集难度适中又符合教学重点的一些有生产实践背景的设计题目，如麦秸打包机机构及传动装置设计、加热炉推料机的执行机构综合与传动装置设计、平台印刷机设计等；另一方面，结合教师的科研项目拟定合适的课程设计题目，允许并鼓励学生根据经验和兴趣自己拟题。

2.课程设计模式和方法的改革

CDIO提倡的是“做中学”的教学模式和“以工程为导向”的教学方法，尤其适合于工程性较强的专业课程“机械原理”和“机械设计”的课堂教学及其实践教学环节。[2]以CDIO理念为指导，在机械原理课程设计和机械设计课程设计的实践教学过程中，采用研究设计小组的形式，以“化整为零”的教学方式，进行课程设计改革，以期培养学生的独立思考能力、工程设计能力与实践操作能力，有效地提高教学效果。

将传统上“机械原理”和“机械设计”课程结束后再进行相关课程设计的集中式设计模式，变为先分散再集中的设计模式，使课程设计所进行的理论设计计算与结构分析设计与理论教学同步进行。具体措施如下。

（1）在“机械原理”课程开始时，就介绍“机械原理”和“机械设计”课程设计的相关内容和设计要求，布置学生按自愿组合的方式组成研究学习小组，一般为3～5人，并要求学生从日常生活、工程实际中广泛搜集合适的综合性课程设计题目。

（2）在“机械原理”课程教学的中期，组织学生进行讨论分析，确定学生自选的课程设计题目是否满足综合性课程设计的要求，如符合要求，则指导学生编写课程设计任务书；对于没有找到合适题目或设计题目不能满足综合性课程设计要求的研究学习小组，由教师从综合性课程设计题目库中选择指定课程设计题目。

（3）研究学习小组确定设计题目后，布置学生进行调查研究，查阅资料，分析讨论现有典型机器和同类机器的研究现状和发展历史，并以研究报告的形式成为机械原理课程设计设计说明书的一部分内容。

（4）在“机械原理”课程教学结束后，进行综合设计的第一阶段。此阶段包含两方面的内容：一是方案设计；二是典型机构的分析与综合。方案设计阶段以小组为单位，组织学生参观讨论，在分析机器的结构、传动方式、工作原理以及各部件的功能顺序的基础上，绘制机器运动循环图，确定最佳设计方案；机构的分析与综合阶段主要是从设计方案中选取最具代表行的机构，进行机构的尺寸综合、机构运动分析和力分析，并初步确定其传动方案（目的是为“机械设计”提出学习的要求），编写设计计算说明书，准备答辩。

（5）综合设计的第二阶段——机械设计课程设计部分，设计模式和方法同上。针对第一阶段确定的最佳设计方案中的执行机构及其传动方案，在理论教学过程中，以课外作业形式要求学生完成挠性传动、齿轮传动、键、轴、轴承等零件的设计计算和选用；在“机械设计”课程教学结束后的集中设计阶段，学生利用所学的零件设计的相关知识，评价在第一阶段初定的传动方案的合理性，并加以优化改进。传动方案确定后，即进行传动装置的设计计算，零件的结构设计和强度校核，然后绘制装配图和零件图，编写此阶段的设计说明书，准备答辩。

3.课程设计评价、考核方式的改革

基于CDIO模式下的“机械原理与机械设计课程设计”教学实践模式和方法的改革，旨在实现自主研究式学习、启发和讨论并重的实践教学方式，以建立以往工科教育中缺乏的工程价值观，激发学生的学习兴趣，转变学生的学习态度，培养学生的团队协作意识。因此，课程设计成绩的评价应注重考核以下内容：方案设计的创新程度；学生查阅资料的能力、观察分析问题的能力和设计计算的能力；答辩时学生的语言表达能力和对问题的论述能力。考核分两个阶段进行：初次考核和最终考核。

初次考核在方案设计阶段结束后进行。主要考核学生对设计课题的理解程度，传动方案和执行机构是否可行，方案设计是否具有创新性，学生查阅资料的能力和观察分析问题的能力。

最终考核在课程设计结束后进行。主要考查学生的语言表达能力、对问题的论述能力及其设计计算能力。此阶段学生要为考核做全面的答辩准备。答辩是检验学生对设计相关知识的掌握程度的重要方法，通过学生对总体方案的论述，对整个设计计算过程的剖析，以及对设计资料和标准的运用情况的表述，可考查学生发现和分析、解决工程实际问题的能力。

同时，设计报告是学生对课程设计过程中的全部工作的总结。因此，设计报告也应作为对学生考核的一项重要内容。设计报告包括课程设计的任务书、文献综述、方案分析与设计、设计计算过程与分析及设计结果（机构运动简图或设计图纸）等内容，并全面分析所设计的机构或传动装置的优缺点，提出今后设计过程中应注意的问题及改进方案。

二、结束语

通过课程设计的改革实践我们发现，基于CDIO模式下的“机械原理与机械设计课程设计”教学实践模式和方法，可建立学生以往工科教育中缺乏的工程价值观，激发学生的学习兴趣，转变学生的学习态度，便于培养学生的团队协作精神，提高学生综合实践的能力和创新设计的能力。通过融入新的知识和新的方法，使“机械原理与机械设计课程设计”有机地结合在一起，并贯穿于“机械原理与机械设计”课程教学的全过程，给学生提供了一个进行系统设计的概念、思路和方法，学生成为课程设计教学实践过程中的主导者，而教师成为实践教学过程中的引导者、咨询者和评价者，学生不再是被动地接受知识，而是主动获取知识，学生普遍反映课程设计效果较以往有很大提高。

参考文献：

[1]CDIO简介[Z].http:///vNews.asp?typeID=30&parentID=29.

[2]于波,李阳阳.CDIO工程教育模式在Windows CE嵌入式系统教学中的应用研究[J].大庆社会科学,2010,163(6):145-147.

（责任编辑：麻剑飞）