机械设计课程是专业性和实践性很强的基础课程。教师选择教学方法时要依据实际教学内容和学生的认知水平,遵循科学的教学原则,以取得良好的教学效果。直观教学一般会把学生难以理解的机械原理形象地呈现出来,把难以在头脑中形成的空间视图通过模型、实物、挂图等教学用具进行演示。这种课堂教学呈现方式降低了教学难点,激发了学生的兴趣,更易被认识、发现、理解和记忆。在掌握机械设计原理和方法的基础上,形成空间构图。直观教学就是通过直观具体的实物、图片、机械模型等展示,认识机械实物与机械制图之间的关系,使学生获得感性认识,建立表象概念,获得空间思维,激发想象力,充分理解机械原理。在直观教学时,要充分发挥教师的主导作用,运用生动形象的语言进行深入浅出的讲解和引导,调动学生的学习积极性,激发学生的学习兴趣。同时,教师还要研究学生,了解其认知水平及兴趣,善于发现学生学习机械设计方面的潜力,循循善诱,启发引导,使学生能够独立自主地进行自我学习、自我发现、自我研究、自我探索,独立解决问题。做到融会贯通,提高教学的有效性。
二、充分的挥多媒体资源优势,提高教学的有效性
随着教育的不断改革和创新,信息技术应用已完全走进课堂教学,使计算机技术网络资源、多媒体技术也在教育领域内不断得到开发和应用。网络资源和网络技术在教学中承担着越来越重要的角色,它们不仅能有效地传递教学信息,为学生自我学习提供丰富的学习资源,满足不同层次学生的需求,为学生学习提供最有效的支撑。恰当合理的多媒体教学,能把视图表现得更加生动、形象、直观。在课堂教学中有独特的优势和无可比拟的教学效果,利用计算机、投影仪等多媒体设备将文字、图象有机结合,多角度展示图片,揭示机械原理,讲解设计方法,演示绘画过程,把传统教学方式无法设计、解决的问题呈现出来,把抽象、深奥、难解的繁复问题深入浅出,更形象直观地展现出来。这种教学方式,内容更丰富多彩,表达形象直观,手段更先进,得到的教学效果也就更显著。
三、注重设计能力的培养,提高学生专业水平
机械设计也是一门对能力要求很强的课程,仅仅掌握设计理论是远远不够的,教师在教学中要把培养学生机械设计能力作为重点。针对机械设计专业的特点,教师可以从设计计算和结构设计两方面来加强教学。结构设计是确定零部件形体的主要阶段,是中职机械设计的重点,也是一个难点。对于机械类专业学生来说,由于机械基础知识比较薄弱,工程实践经验欠缺,所以在进行结构设计时思维局限很大,教师必须循序渐进,帮助学生提出科学合理的设计理念,使学生在设计产品时考虑到产品的造型、制造、市场等生命周期,使学生明白好设计需要各门课程学科的互相支撑、相互融化,从而解决工程实际问题和生产生活问题。教师应创造能够发挥最大想象的空间,帮助学生剖析问题,给学生得出结论和最后实现的动能。这样,学生才能做到突出结构设计,使设计结构更合理、更新颖、更科学、更实用。
四、注重实践能力的培养,加强机械设计知识的应用
社会主义市场经济的建立,使中职学生不仅面临学习压力和学业的竞争,还需要面临就业等方面的挑战,所以应加强培养学生实践能力。中职学生作为社会实践能力培养的主体,在当前社会环境下,社会实践能力培养活动发挥着双重功能,即积极能动的改变、优化大学生自身与改造社会。它对于实现中职学生自身全面发展,实现高校人才培养目标,促进未来经济与社会发展都有重要作用。在课堂教学中要转变学生的学习方式,以先进的教学策略和手段有效地培养学生的学习习惯和创新意识,引导学生学以致用,注重机械设计的实用性。作为专业课程,机械设计每周课时太少,内容却太多。教师不能简单以理论为主进行教学,学校和专业课教师要积极联系企业,为学生提供实习、见习的机会,让学生在生产和实践中再学习。
研究资助基金分布:
从研究得到的资助情况看,79篇文献中只有1篇是陕西省自然科学基金资助的项目论文,仅仅占全部文献的1.27%。这表明对这问题的研究大多还是研究者自发的行为,还没有得到国家与地方教育与科研部门的重视。
研究层次分布:
从研究层次看,全部文献涉及6个不同层次,其中自然科学占了4个,社会科学与教育学各1个。自然科学中:工程技术43篇、占54.43%;基础与应用基础研究23篇、占29.11%;行业技术指导10篇、占12.66%;专业实用技术(自科)1篇、占1.27%;社科类中只有基础研究1篇、占1.27%;高等教育1篇、占1.27%。非常明显的研究多是从一种技术的角度进行的,超过了全部文献的半数;其次理论性的基础与应用基础研究的比例也比较高,占到了全部文献数量的1/3;而与教学与专业技术指导有关的只有不到15%。
文献作者分布:
从文献作者分布来看,79篇文献共涉及作者107名。人均文献刊载量只有0.74篇。独著56篇,合作文献23篇,合作率29.11%。3人合作的8篇,2人合作的15篇。发表2篇文献的作者只有江苏省泰州职业技术学院的张斌、云南广播电视大学的许勇平、河南工业职业技术学院的苏静、深圳职业技术学院的万志坚、江苏省江阴职业技术学院的陈志勇和江苏省泰州职业技术学院的宋正和6人,只占全部作者的5.6%;发表文献12篇,占全部文献的15.19%。其他只发表1篇文献的作者有:王治校、许勇平、刘丽云、胡建辉、余东满、郭玲、程联社、王治平、杜子文、张健、孟晓烨、起雪梅、张二红、周志平、干秦湘、王笛、姚佑平、张锋、谭晓芳、胡双喜、王永红、洪小丽、褚元娟、周琦、程琴、蔡厚平、韩树明、任瑞恩、汪禾青、刘海娥、陈完成、吕莹、庄亚红、赵君爱等101人。这表明对于此问题关注的人数量较多,但持续关注度不高,并没有形成核心作者,研究多为有感而发式。这与目前教师的授课周期较为一致,说明目前还没有形成对此课程教学较为系统的看法。
作者单位分布:
从作者单位分布来看,79篇文献共涉及到63个单位。其中发表2篇文献以上的有12个,占全部单位的19.05%;发表文献27篇,占全部文献数量的34.18%。其中河南工业职业技术学院4篇、占5.06%;江苏省江阴职业技术学院3篇、占3.80%;廊坊职业技术学院、深圳职业技术学院、罗定职业技术学院、江苏省泰州职业技术学院、重庆三峡学院、江苏省常州信息职业技术学院、邢台职业技术学院、广西柳州职业技术学院、湖北科技职业学院、云南广播电视大学10个单位各2篇、占2.53%;包头钢铁学院、湖南省娄底职业技术学院、云南国防工业职业技术学院、威海职业技术学院、辽宁石油化工大学、江苏省连云港工贸高等职业技术学院、辽宁信息职业技术学院、盐城纺织职业技术学院、广西机电职业技术学院、杨凌职业技术学院、郑州铁路职业技术学院、长沙航空职业技术学院、北京联合大学、广东省粤东高级技工学校、西安职业技术学院、广东省广州市机电高级技工学校、天津冶金职业技术学院、陕西工业职业技术学院、新疆机电职业技术学院、江苏省徐州工业职业技术学院、南京工业职业技术学院、南京交通职业技术学院、苏州市职业大学、济南职业学院、广西工业职业技术学院、攀枝花学院、湖南科技工业职业技术学院、石家庄职业技术学院等41个单位各1篇、各占1.27%。研究单位的集中度比作者要高,但还没有形成真正意义上的核心研究单位。
中文关键词分布:
从研究的内容上看,在全部中文关键词中位于前40个的有机械设计基础46篇、占58.23%;教学改革19篇、占24.05%;高职14篇、占17.72%;机械设计13篇、占16.46%;教学方法11篇、占13.92%;高职教育10篇、占12.66%;课程设计8篇、占10.13%;改革7篇、占8.86%;教学手段4篇、占5.06%;高等职业教育4篇、占5.06%;项目化教学4篇、占5.06%;课程教学4篇、占5.06%;高职院校4篇、占5.06%;项目教学3篇、占3.80%;任务驱动3篇、占3.80%;教学3篇、占3.80%;课程体系3篇、占3.80%;实践3篇、占3.80%;改革措施3篇、占;工作过程3篇、占3.80%;课程改革3篇、占3.80%;实验教学3篇、占3.80%;《机械设计基础》3篇、占3.80%;能力3篇、占3.80%;教学效果2篇、占2.53%;高职高专2篇、占2.53%;机械设计课程设计2篇、占2.53%;措施2篇、占2.53%;对策2篇、占2.53%;教学内容2篇、占2.53%;课程整合2篇、占2.53%;教学质量1篇、占1.27%;机械基础1篇、占1.27%;技能综合式人才1篇、占1.27%;质量1篇、占1.27%;四种能力1篇、占1.27%;探讨1篇、占1.27%;改革与探索1篇、1.27%占;问题1篇、占1.27%;教学环节1篇、占1.27%。主题词分布比较分散,课程体系、实验、项目教学、任务驱动等都有涉及。有关教改的内容相对较多,有19篇,说明目前的课程系统优化力度不足,有改革的动力。
发表年度分布
1999年1篇、占1.27%;2002年3篇、占3.80%;2003年2篇、占2.53%;2004年2篇、占2.53%;2005年4篇、占5.06%;2006年2篇、占2.53%;2007年11篇、占13.92%;2008年13篇、占16.46%;2009年14篇、占17.72%;2010年13篇、占16.46%;2011年14篇、占17.72%。由数据可以看出,2006年之后,机械设计教学相关文献数量有了很大增长。这与国家重视高职教育的政策直接相关。目前这一领域的研究态势较为平稳,在既有体系下此状况可能会持续较长一段时间。
结论
关键词:《机械设计》 机械传动 教学方法
0 引言
《机械设计》对于学生而言,所涉及的其他知识较多,需要学生拥有一定的知识面。并且在该课程当中所要学习的概念大多较为抽象,理解起来具有一定难度,加之公式较多且相对复杂。尤其是机械传动部分需要涉及的传动类型广泛,这就需要教师立足于学生的基本情况和具体的教学目标,进而优化教学方案和方法,最终提高教学质量。
1 学生的学习现状分析
由于该课程的复杂性,教师在进行教学之时相对细化,这就造成部分学生的依赖性大,很难进行独立的思考和自学。使其在相关知识之上的串联性不好,造成知识点脱节,对于知识的认识也只是在一个相对浅显的层面,很难进一步深化。这就要求教师在教学当中不仅需要侧重重难点的讲述,更重要的是引导学生渐渐熟悉技巧,学会独立思考。通过创设教学情景、团队合作等方式,不断提高其积极性和主动性,创造良好的学习氛围,进而提高机械传动教学的质量和学习效率。
2 教学方式
2.1 活跃课堂气氛,提高主动性
首先,可以在教学当中适当的穿插有趣的互动环节,进一步的提高学生的主动性和积极性。比如在带传动的教学之上可以先针对其原理进行讲解,然后在课程当中穿插例如:带传动需要吗?类似这种问题,很容易引起学生的兴趣和提高讨论热情,并且通过讨论而牢记其原理和特点。其次,可以利用实验,进而吸引其注意力,进一步调动积极性。比如当进行蜗杆传动的教学之时,可以将相关教具带上。陌生的教具非常容易引起学生的好奇心,在上课之时学生就会精力高度集中。当讲到相关内容之时,可以请同学上前进行示范。通过学生亲自动手和示范,不仅将有效的提高其兴趣和学习积极性,而且较为形象生动的画面会刺激学生的记忆,进而使其将该部分的重要内容结合示范画面进一步加深印象和理解。然后,直观教学法。轮系部分的内容相对枯燥,并且难以理解。可以借助直观的教具进行教学,以加深学生的记忆。最后,例举生活实例。通过一些和生活相关的实例,进而引起学生共鸣,将理性认识和感性认识相结合。比如链传动是自行车的一种传动方式,就可以充分利用这个学生再熟悉不过的例子。通过身边常常见到的东西再联系到所学习的内容,将在一定程度之上降低难度,提高学生的自信心和学习兴趣。
2.2 通过分析对比培养综合研究问题的能力
在进行传动的相关知识的分析之时,既要让学生了解每种传动的个性,又要了解其内在联系,即共性。通过两者的对比分析可以进一步深化学生的认识,渐渐培养其综合运用能力。由于引起齿轮传动失效的因素较多,学生在掌握和记忆之上都可能存在不同程度的问题。就可以使用表格分析法,将所有相关项目通过制作表格的方式直观的呈现在眼前。通过一目了然的罗列和分析,既能够有效的加强理解和记忆,又能够将不同的原因进行对比分析和记忆。教师在示范表格分析法之时,只需要将其中较为重要的几项进行示范,其余的则交给学生通过自主学习或者小组讨论完成,在提高教学质量的同时培养其自主学习能力和团队合作精神。
2.3 巩固训练
通过以上几种方式,学生已经对机械传动有了一定的认识和理解,为了进一步加深理解和记忆,就需要进行及时的巩固训练。比如对于设计的计算过程,可以在教学当中通过例题详细分析和说明。需要注意的是,在教学当中学生始终都是教学的主体,因此要让学生充分参与进来。通过教师和学生的互动,教师在一旁做适当的辅助,以及学生之间的互帮互助,促进学生积极的进行思考,将理论知识和实践充分结合起来。教师在这其中只需要进行必要的指引,不断的鼓励和引导学生提高自信心,克服难关,进而达到提高学习效率的目的。在课后也需要留下适当的练习,进一步巩固相关知识。通过课后练习,学生亲自动手能够有效的提高其娴熟度,并且将理论运用到实践当中。同时在练习之时可以将几种有关机械传动知识放在一起进行,丰富其知识体系,帮助学生举一反三,培养发散思维。只有这样才能够推动学生进一步认识机械传动,运用相关知识,进而为之后的发展打下良好基础。使其不断的提高专业技能,培养创新能力和实践能力,最终成为一名优秀的设计工作者。
3 结语
综上所述,机械设计课程是对于机械类专业学生而言十分重要且存在一定难度的课程。这就要求教师在进行教学当中要不断的创建良好的学习氛围,通过互动式教学、小实验、表格分析法等方式,进一步激发学生的学习兴趣和积极性,同时进行适当的练习,最终培养其创新精神和发散思维,充分的将理论和实践相结合。
参考文献:
[1]田静云,张国海,贾吉林,和来香,王保民,张东生,何勇.机械设计课程的教学改革与建设[J].中国科技信息,2009,09:252-253.
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[3]崔建昆,钱炜.机械设计课程实践教学中的工程案例和模块化教学[J].中国科教创新导刊,2011,28:43-45.
关键词:机械设计;课程设计;教学;措施
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2014)41-0178-03
一、引言
机械设计课程设计是机械设计课程的一个十分重要的实践教学环节,旨在培养学生运用机械设计及其他先修课程的相关知识解决工程实际问题的能力。通过课程设计这一环节的训练,强化学生对机械设计课程的相关知识的理解,对一般机械零件设计的准则、方法和步骤有一个系统全面的掌握,充分培养学生的机械综合设计能力、工程应用能力和创新能力,为后续的专业课学习和毕业设计奠定良好的基础。随着我国高校教育教学体系改革的不断发展与深入,机械设计课程设计这一实践教学环节也越来越受到重视[1]。机械设计课程设计教学改革已成为高校机械类专业教学改革的一项重要内容。
二、机械设计课程设计教学现状分析
随着我国高校教育教学改革的不断深入,机械设计课程设计的教学改革也受到了越来越多的关注。由于机械设计课程设计的改革成效不仅取决于其自身的改革,还受到机械设计课程教学改革的制约,虽然近年来不少专家学者进行了大量针对性的研究,但目前仍未能有效解决在设计内容、教学模式、评价标准等方面的问题,难以充分发挥其在培养学生应用创新能力方面应有的功能,与当前应用创新性人才培养的总体要求还有较大的差距。具体而言,目前的机械设计课程设计教学还存在以下几个方面的问题。
1.设计题目单一,设计内容雷同。目前的机械设计课程设计绝大多数为二级减速器的设计,原因在于减速器为典型的通用设备,包含了机械设计课程中介绍的几何所有零件类型,对于学生掌握常用零件的设计方法有重要意义,但是,这种沿用了几十年的单一设计主题模式,已难以适应现代人才培养模式的要求[2]。由于设计题目单一,导致学生的兴趣大打折扣,难以调动其积极性。虽然是一人一题,但都只是在具体的设计参数上有所差别,在设计内容、设计步骤方面无任何区别,因此,仍难以从根本上杜绝抄袭现象。同时由于设计过程过于程序化,相关教材与资料上都有详细介绍,容易使学生感觉枯燥、乏味,不能充分发挥其创造性思维。
2.教学方法僵化,教学手段守旧。目前机械设计课程设计基本上是沿用传统的教学方法,即在任课教师拟定设计题目后,学生按照课程设计指导书介绍的方法和步骤依次完成方案设计、零部件设计计算、装配图设计、零件图绘制、设计说明书撰写和答辩。由于这一套流程多年来已基本程序化,学生只需机械地照搬,依葫芦画瓢即可,难以展开创新性思维,而任课教师的指导工作主要是督促学生按照设计流程完成各项具体任务和解答学生设计过程中的细节问题,较少注重学生的独立思考与创新能力的培养。虽然CAD技术等先进设计技术在机械设计领域已广泛应用,但目前的机械设计课程设计大多仍采用图板绘图,虽然这样做不仅可以培养学生的手工绘图能力,还能减少学生相互投机抄袭的机率,但并不能因噎废食,毕竟计算机绘图已是目前机械设计的主流。
3.计划安排不周全,评价标准不科学。机械设计课程设计一般与机械设计课程教学安排在同一学期,在授课结束后的学期末进行。由于考试科目较多,许多学生忙于应付考试,难以集中精力进行课程设计,因而课程设计质量难以保证。部分高校为了便于管理,将学期的最后一周设为考试周,致使整个课程设计阶段,学生的主要精力都用于准备考试,对课程设计不重视,甚至是敷衍应付,致使课程设计流于形式。此外,课程设计成绩的评定也缺乏科学、规范的标准,基本上由任课教师自行确定。目前的机械设计课程设计考核主要从四个方面进行考核:平时考核,包括考勤、进度、态度和独立完成能力等;图纸考核,包括结构正确性、整洁性和规范性;设计说明书考核,包括内容完整性、正确性和规范性;答辩考核,包括回答问题的正确性和使用手册的熟练性。虽然这种评价方式相对比较全面,但只是一种事后评价机制,缺失了对学生进行正确引导的功能,而且在实际执行时缺乏量化指标,主观性较强,受学生扩招的影响,一名教师往往指导多个班级的课程设计,每个班级学生多达40多人,教师很难把握每名学生的具体情况。此外,现有评价体系中对学生创新能力的评价尚未引起足够重视,难以激发学生创造性思维与创新能力的培养。
三、改革的具体措施
为了有效提高机械设计课程设计的教学质量,强化学生工程实践能力和创新能力的培养,解决目前存在的上述问题,必须从设计内容、设计模式、教学方法和考核评价等各个方面进行全面改革,建立一套系统高效的机械设计课程设计教学体系。总体而言,改革应从以下几个方面进行。
1.优选设计课题,强调应用与创新能力的结合。针对目前设计内容单一、设计流程固化的问题,应结合课程教学要求与专业培养计划精心选择设计题目,优化设计内容,不仅要深化学生对课堂教学内容的理解与消化,强化其工程应用能力的培养,还要兼顾学生的创新能力的培养。传统的减速器设计题目虽然单一,但其涵盖了机械设计课程教学中涉及的几乎全部零件,有助于学生掌握通用机械的设计方法,是其他任何类型的机械结构都不可替代的。因此,应在保留减速器设计内容的基础上,选择更加灵活、更富有创造性的设计题目,如搬运机器人、牛头创床、糖果包装机等。这些题目既涉及到机构方案选择与运动原理分析,又涉及到减速器等具体零部件的设计计算,在方案设计时可以培养学生的创造性思维与创新意识,在详细设计时则强化了学生对一般零部件设计的具体方法,有效实现了应用能力与创新能力的结合。同时,也深化了机械原理相关知识的掌握与应用,实现了机械原理与机械设计课程的有效结合。考虑到课程设计周期较短,上述课题难以单独完成,应采用课题组形式,每个课题组2~3人,承担一个设计课题。总体方案由小组全体成员共同完成,每个成员独立完成一部分零部件的详细设计。采用这种模式既可培养学生的团队意识和协作意识,也能培养学生的独立工作能力。
2.改进设计模式,由简单模仿向深度思考转变。传统的课程设计虽然在形式上是一人一题,但除了具体参数有所差别以外,设计内容、设计步骤及方法都是一模一样的,且相应的课程设计指导书中均给出了相应的案例,学生只需简单地模仿即可完成全部设计任务。许多学生在设计过程中依葫芦画瓢,生搬硬套,甚至在别人的设计结果基础上修改参数变成自己的设计,导致课程设计的基本教学要求都难以保证。通过改进设计模式,采用分组设计模式,使设计题目真正做到差异化,总体方案与设计步骤必须通过团队协作和个人深度思考完成,杜绝简单模仿甚至抄袭的可能性,有效培养学生的创新思维与创新意识。其次,为了防止课程设计与期末考试冲突,对有课程设计任务的学生,应在课程设计之前进行课程考试。对于目前实行小学期制的高校,将课程设计安排在小学期更为合理。此外,为了更好地促进课程设计效果,改变目前课堂教学与课程设计完全分离的模式,将两者融为一体,即在课程开始时将课程设计的任务下达到每个学生,学生在课程学习过程中便开始构思并不断完善设计方案,熟悉设计方案中涉及的相关零部件的设计方法,不仅为后期的正式设计奠定了良好的基础,也可激发学生的课堂学习兴趣,真正做到有的放矢、学以致用。
3.丰富设计手段,熟练掌握多种现代设计方法。装配图与零件图的绘制是机械设计课程设计的一项重要内容,目前绝大多数高校仍要求学生采用手工绘图,有多方面的原因:一是没有足够的机房和电脑供学生使用;二是为了锻炼学生的手工绘图能力;三是防止学生抄袭,因为不同学生图纸内容基本相同,仅参数不同,采用电子图纸更易于修改抄袭。然而,CAD绘图已成为目前制造领域的主流,计算机绘图已成为大学生必须掌握的基本技能,因此高校教务部门和任课教师应积极创造条件,尽可能让学生采用CAD绘图,至少要做到部分图纸采用计算机绘制。此外,虚拟仿真、有限元分析等现代设计技术在机械设计领域也得到了广泛应用,为了使学生更好地适应社会需求,课程设计中应增加相应的训练内容,让学生熟练掌握多种常用的现代设计技术,为后续的学习及就业奠定良好的基础。
4.规范考核评价体系,激发学生学习兴趣与潜能。考核评价体系是课程设计教学体系的一项重要内容,既是检验学生课程设计完成质量的标准,也是教师总结改进教学方法的依据。建立规范科学的考核机制不仅可以有效引导学生按照教学要求高质量、高效率地完成课程设计,也可激发学生的学习兴趣与自主思考的潜能。针对目前机械设计课程设计考核模式存在的弊端,将考核评价纳入课程设计的全过程,实行分阶段考核模式,依次进行设计方案考核、设计过程考核和设计结果考核。设计方案考核重点考核设计方案的创新性、合理性、实用性,激励学生在实用背景下进行创新设计;设计过程考核侧重考核学生结构设计的合理性、设计手册与设计软件使用的熟练程度、完成设计任务的独立性与积极性等;设计结果考核则是对设计图纸、设计说明书进行考核,重点检查设计计算的准确性、完整性和设计图纸的正确性、规范性,对于手绘图纸还应兼顾整洁性。为了检验学生对设计中相关知识的理解与应用,并及时解决出现的问题,将答辩考核分散到设计过程中,重点针对学生设计中出现的问题进行质询,使答辩不仅只是一种考核形式,更可作为解决学生设计中出现问题的一种手段,强化学生对相关知识点的理解与掌握。采取分段式考核方式,可将学生对设计结果的关注转为对设计过程的重视,防止投机取巧和模仿抄袭等现象的发生,有效保证和提高课程设计质量。
机械设计课程设计是机械类大学生重要的实践环节,也是一项复杂的系统工程,不仅涉及设计选题、设计指导和考核评价等多个方面的内容,还与教学计划、软硬件条件等因素有关。为了有效提高这一实践环节的教学质量,必须不断深化教学改革,改革课程设计的教学模式,克服现有机械设计课程设计教学体系中存在的各种弊端,建立一套规范合理、行之有效的新的教学体系,并在不断的教学实践中进行改进与完善。
参考文献:
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基金项目:本文系山东科技大学名校工程建设项目“强化能力培养的机械设计课程教学改革”的研究成果
关键词:一流专业建设;机械设计课程设计;教学改革
随着当今经济社会智能化、信息化发展,各行业对专业优秀人才的需求量急剧增长,对专业人才的培养质量和高校教学质量提出了更大的挑战和更高的要求与标准。教育部也先后了关于高等教育改革的系列文件并推出了一系列重大举措,于2019年印发了《关于实施一流本科专业建设“双万计划”的通知》。要求全面开展一流本科课程建设,树立课程建设新理念,推进课程改革创新,并就一流课程建设的总体要求及建设内容提出了具体实施意见[1]。在此背景下,加快建设高水平本科教育和全面提高人才培养能力势在必行。“新工科”建设旨在培养新时期具有深厚工程素养的专业人才以适应社会人才需求,并为我国科技创新与产业发展提供人才支撑。相比以往的人才培养要求,一流的工科专业需要培养工程能力强、服务意识强、具备国际竞争力的卓越工程师,这也是“建设工程教育强国”和“产学合作协同育人”的要求。完善的实践教学体系是保障工程领域一流专业人才培养的关键,为培养学生的工程意识、创新精神、协作能力以及运用理论知识解决设计问题的能力提供了途径。长春光华学院机械工程学院始建于2007年,设有机械工程、机械电子工程、汽车服务工程、机械设计制造及其自动化4个本科专业,以及智能机电技术1个专科专业,其中机械工程专业于2019年被教育部批准为首批国家一流本科专业建设点、吉林省一流专业、“十三•五”吉林省特色高水平建设专业,拥有1个省级优秀教学团队,1个省级实验教学示范中心。为了落实贯彻国家对本科人才培养的政策,在一流专业背景下如何建设好机械工程专业,为国家和地方培养更多的优秀人才,专业团队在这方面有些思考。本专业以立德树人为根本,培养具有家国情怀和社会责任感,具备机械工程专业基础理论和工程应用能力,能在机械工程领域从事设计制造、维修与检测、智能制造生产的,具有创新能力的高素质应用型人才。具体培养目标如下:
1.注重学生养成教育,热爱祖国,遵守法纪,富有社会责任感和人文精神。
2.具有一定的自然科学基础,较好的人文社会科学基础,并熟练掌握一门外国语。
3.系统地掌握本专业所涉及的领域知识,例如包括机械学、机械制造技术、力学、电工电子技术、基本理论、实践课程以及实验技能。
4.系统地掌握机械制图、数据计算、实验分析、文献检索的基本理论和应用技术,具有相应的研究、应用和开发的基本能力。
5.获得较好的机械工程学科实验能力及相关领域的工作实践训练。
6.具有自学及跟踪行业发展能力,能在机械工程领域从事设计制造、维修与检测、智能制造生产等方面工作。本文就生产实践教学方面的一些教学改革进行探讨。《机械设计课程设计》是机械类学生课程任务中重要的一环,是理论课程的延伸,也是强化学生机械工程设计能力不可或缺的专业技能课程[2]。这门课程对于学生的综合能力要求较高,需要学生在课程中综合应用机械制图、材料力学、机械原理等前期课程的知识并要求学生运用所学的知识去分析和解决实际工程问题的能力。尤其是在科技飞速进步的时代,学生更应学会融会贯通,注重培养创新精神和能力[3]。目前,我校《机械设计课程设计》主要内容为减速器的设计。设计过程中需要学生理论课学习阶段的相关知识,如有关传动方案设计、工程材料、基本零部件设计、机械原理等多课程内容。但是多年来减速器一直作为传统的设计内容,存在内容陈旧、思路单一并且网上现成资料过多等诸多问题。因此,在一流专业背景下以培养学生的工程能力为主线,机械设计实践课的教学改革已迫在眉睫。
1课程现状
《机械设计课程设计》通常安排在第五个学期末,是机械类专业学生在完成《工程图学基础》、《专业绘图基础》、《工程力学》、《工程材料与成型技术》、《机械设计基础》、等先修课程学习之后,对自身机械工程设计能力的综合检验,能为学生后续毕业设计和毕业参加工作后的机械产品设计奠定专业基础。
1.1任务集中
以机械工程专业为例,机械设计课程设计所有教学内容在两周内完成。因目前高校普遍存在编制人才培养方案时将理论课程前置的现象,大四以前课程集中,考试科目数量多、难度大,以至于学生很难集中精力充分利用2周时间来开展课程设计工作,而学生用心、用时、用力不够,割裂了课程本身的联系,达不到课程设计应用的效果,课程设计完成质量自然普遍不高。
1.2方法陈旧
我校的课程设计工作量为手工绘制减速器装配图、零件图若干以及相应设计报告一份。虽然通过此过程可以提高作图能力,但是目前虚拟仿真技术已经非常成熟,包括CAD软件以及动力学、力学分析软件已经普遍被应用在机械设计等领域,而仅有一小部分学生会去主动学习虚拟仿真技术。
1.3考核单一
未能充分调动学生学习积极性。目前,教师对“机械设计”课程设计的考核方式主要以检查学生最后提交的图纸和说明书等最终纸质文档为主,该终结性考核方式很难真实有效地评价学生运用所学知识开展机械设计的工程化能力和水平[4]。特别是个别学生在课程设计过程中入精力不足,却又凭借最终纸质材料侥幸获得高分,这会对平时设计和计算都十分认真的学生造成消极影响。
2改革研究与探索
2.1同步开展理论教学与实践环节
在开展机械设计理论课程的教学伊始,由指导教师提前布置课程设计任务,学生以任务为导向进行设计,将理论课学习和课程设计同步进行,按照理论课教学进度,学习完一部分理论内容后,学生应针对该部分理论知识完成课程设计中相应模块的设计、计算任务,将理论知识得以充分实践,既增强学生应用理论知识解决工程问题的能力,又保证课程设计任务顺利完成。例如,机械传动部分内容学习完成后,学生须完成设计任务中对应的传动件设计,并以设计小组为单位对阶段性成果进行总结讨论。随着理论课程学习进程,所布置的小组任务即各零部件设计也随之完成。把后期集中的课程设计内容分解细化到教学周期当中,可以在理论知识学习后马上进行设计设计实践,加深学生对知识的理解和运用,增强了主观能动性。不但避免了知识的学习与运用严重脱节的问题,而且可以减轻学生后期的学习压力,减轻了集中实践环节的工作量,避免了与期末考试时间上冲突的问题。
2.2将手工制图与计算机绘图相融合
本门课程的传统教学方法是通过教师的讲解,学生在教师指导下通过查阅机械设计手册等相关资料,完成设计说明书中如输电方案确定、电极选择、参数选择、传动部分零部件设计以及箱体、润滑及其他附件的选择等;手绘图纸如装配图、零件图等[5]。设计过程呈现出的进度慢,存在抄袭情况且准确率不高,修改繁琐等弊端,降低了整体课程设计的效率,不足以支撑在我国产业转型升级、科技更新发展及行业企业改革等大背景下对应用型人才的培养目标要求。我校为应用型本科院校,在本门课程的改革探索过程中,在各环节的设计中将二维手绘图纸与多种参数化的三维CAD软件相结合,实现互补,并通过三维模型再生成二维CAD机械图,使手绘图纸的种种缺陷得到弥补,不仅可以使制图的效率大幅度的提高,还可以以三维形态呈现学生的设计思想。此外,传统的教学方法主要是以教师为主体,通过系统讲解传授学生被动接受知识。但是学生对其内容往往印象不深,甚至一知半解。而在相应改革后,在教学方法上鼓励教师和学生合作,共同参与交流、讨论,鼓励案例式教学模式,注重对学生知识、能力与综合素质的培养。教师通过布置一些具备综合性、创新性的问题,引导学生自主查阅文献,或者学生可以根据需求申请借助实验设备与资源实现设计,激发学生自觉学习、发散思维以及自由创造,培养创新意识与创造性思维,并且在这个过程中,教师也可以与学生一起探索新的教学方法及模式。
2.3建立全面的成绩评价体系
传统的机械设计课程设计过程中,设计说明书手绘图纸是作为成绩评定的依据,但会带来例如同学之间尤其是同组成员间的相互抄袭,图纸只是改一下数据,缺乏自主设计,对设计内容减速器的工作原理及各零部件之间的配合关系并不了解,这与一流专业建设的要求是相悖的[6]。依据教育部所印发的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》,文件中提及,教学环节中的考核不应只注重结果,应倾向于科学、严谨的过程性考核,并加大过程考核成绩在总成绩中的比重[7]。所以我们制定了全面性评定体系,提高对学生的综合能力水平的考核。同时要求指导教师更应注重在设计过程中与学生的交流和讨论,在不同设计阶段,及时了解和记录学生设计情况,给予相应评分,作为最终成绩的重要组成成分,以调动学生学习的积极性,此举也能有效避免抄袭现象的发生,从而保证最终成绩能全面反映出学生的设计能力。除了将原有图纸及设计说明书作为考核依据,考核的重点如下:
1.设计方案制定情况的考查。小组成员通过讨论、分工、查阅资料并结合机械设计课程内容,制定合理的设计方案。方案审核注重是否有创新点,以及每部分的完成质量,给予小组总分及每个同学的个人得分。
2.对成果质量的考查。成果包括工程图(手绘图和三维图)、设计说明书、答辩、以及衍生成果。其中答辩环节涉及小组答辩代表以及每位同学,每名同学均作为设计环节各自主要完成部分的答辩人,答辩时的表达能力也将作为考核内容。衍生成果主要包括虚拟仿真、期刊论文、专利或“挑战杯”等活动。此项不做硬性要求,鼓励有能力的学生去尝试参与相关活动,甚至可以借此鼓励学生提前进入实验室,跟随教师从事相关科研项目。
3结语
对标一流专业建设和新时期人才培养要求,长春光华学院机械工程专业对机械设计课程设计进行了改革与实践,并针对实践情况提出了进一步完善的建议。课程组经过多年的“机械设计”课程设计实践改革,在以下三个方面取得了良好的效果:一是课程设计实践与理论教学同步,即课程设计由分散的设计任务和课程设计周组成,较好地解决了设计任务重、时间短的问题,同时以课程设计任务为驱动可激发学生的主观学习能动性,亦可促进学生对课程基本知识的理解,这有利于提高学生的工程实践能力和创新意识、团队合作精神,提升学生的交流与沟通能力,从而促进其知识、能力、素质的有机融合;二将手工制图与计算机绘图相融合,在手工制图与计算机绘图之间仍然存在着一定的争议,所以在这个过程中我们不能盲目选择,而是应该理性地看待两种制图方式的优缺点;三是改革课程设计的考核方式,从而更加科学、有效、合理地评价学生课程设计成,这样能系统和全面地考查学生在课程设计过程中的个人作用、团队协作精神及陈述表达能力。在这个过程中,也要求教师摆脱原有的教学观念,提高自身的专业素质,达到教学相长的结果。
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虽然传统的机械设计理论教学模式确有其优势,但在培养学生动手能力方面却有所欠缺,故应有所革新。本文综合我校当前教学当中所存在的问题,并分析现有的机械设计的教学模式,从相关方面详尽说明了理论教学与课程设计并行的教学模式。
关键词:
机械设计理论教学;并行;教学研究
一、引言
机械类专业的教学不像其他专业教学一般,多以理论为主,机械类专业较为偏重的是实际操作,多上手才能得到更多的锻炼,才能对本专业有更好的认识。由于扩招政策的推行,导致了现今大学生的可以动手操作的机会显著减少,这对于学生以后的发展也有一些小小的影响。在以往的教学过程中,总是先进行机械设计的理论课教学,待理论课教学进行两到三周之后,再加入实践设计课程。这种教学课程安排虽有其可取之处,但也有其不足之处,例如会造成知识的断层,为解决这一问题,提出了理论教学与课程设计并行的教学模式。
二、对传统教学模式的分析
传统的机械设计教学模式是将理论教学与实操教学分开进行的,这是一种分离式的教学模式。在这种情况下,即使带教老师有着长达数年的教学经验,在课堂上可以让学生学到扎实的基础知识,但实际操作的欠缺仍旧是一大硬伤。这是现今人才培养过程中普遍存在的重学轻用现象。正因为这种分离式的教学模式,使得理论课程与实践课程看起来好像完全不同的,没有联系的样子。开展这两门课程的初衷是为了使他们相辅相成,使得学生通过实践课程可以更好的理论知识,所学到的理论知识也能很好的指导实践操作。但这一目的似乎并未达到,反而有所背离,致使学用脱节。学用脱节是导致学生尽管很好的学习了理论知识,但仍不能很好的应用理论知识指导实践操作的根本原因。当学生开始课程设计时,因为前面所提到的这些原因,他们并不能很好的将自己所学到的知识应用到课程设计中去,也不知道该从那个点着手,不能深究问题,最后只能仓促了事,着实令人惋惜。这便是这种分离式教学所带来的不好之处,虽然就这种教学模式也有其存在的必要性,也有其可取之处,但笔者认为,瑕不掩瑜,只有进行完善与整改,才能使的教学模式变得更加的科学合理。
三、对并行教学模式的探索
任意选取一班学生,进行机械设计理论教学与课程设计并行模式的试点班级,以下为主要做法:
(一)同时进行理论教学与课程设计
以往传统教学模式理论教学与课程设计的开展是有时间差的,在本次探索实践中,打破了传统的桎梏,两项教学工作同时进行,即开课就开始布置课程设计,使得课程设计与理论教学结合的更为紧密。这将以往的课程设计进行了拆分重组,目的是为了更符合这种两者同时进行的新模式。
(二)以具体项目为主线进行教学工作设计
项目的选取要选取涉及面较广,最好可以综合机械设计的基础知识及其进阶。减速器设计极为符合这一要求,这一项目包括了教材中的诸多内容,比如教材中所提到的零件的传动,连接部分以及零件承受外界压力的程度等[1]。选取这一项目作为主线,能够使得学生对于基础知识的掌握更加深入,对一些通用常用的设计方法也可以有所了解,有所掌握。将减速器设计作为主线来进行教学是很可行的。除此之外,对于教学设计,笔者认为,应该整合课程与项目,确保项目设计中所涉及到的一些设计知识尽可能都的包括在教学内容当中,在进行教学安排时也应考虑项目的工作进展,争取“知”与“行”可以达到高度统一。此外,在教学的过程中也应该根据实际需要,进行讲解。
(三)以学习任务的形式促使学生产生兴趣
将全班进行分组,并将减速器设计的项目进行拆分,拆分所得的几个小项分别分配给各个小组,并保证小组内成员人人都可以参与到此项目的设计当中来,并在设计当中均能起到一定的作用。这种任务分配的方式,更能激发学生学习的动力,使得每个学生都参与到这项活动中来,这对于学习兴趣的培养也是极有益处的。此外,还可以增加答辩之类的项目,让每一位同学都能站到讲台上阐述自己的想法与设计,这对激发学生创新思维有很大的帮助。
四、模式变革的效果
通过模式变革的实验,所得结果多积极向上,改善较大多体现在以下几个方向:
(一)学生主导学习,学习兴趣明显提高
传统学习模式多由老师主导学习进度,进行模式变革,采用理论教学与课程设计并行教学的模式后,学习进度变为由学生主导,增强了灵活性,也大大提升了学生的学习兴趣,使得学生学习更为主动,之前所出现的一些不好的现象例如开小差,打瞌睡等小动作[2]也有所减少。
(二)师生之间交流增多,效果显著
理论教学与课程设计并行教学模式,极大程度的激发了学生深入探究的积极性,越深入,发现的问题便也越多,此时便会主动向老师请教,和老师进行交流,师生之间的思想碰撞也能给对方带来灵感的火花,无论是对于教师还是学生,都极有帮助。
(三)拥有足够设计时间,质量得到明显提升
传统教学模式留给学生进行课程设计的时间并不充裕,经过变革之后,课程设计的时间被大大拉长,也给了学生能够深入探究的机会,这对设计质量的提升起到了不可忽视的作用。
五、结论
虽然本次实验只是初步尝试且还有一些不足之处,但机械设计理论教学与课程设计并行教学模式所带来可以的好处是显而易见的,笔者认为可以将这一模式同样也应用到机械类专业的其他课程中去,唯有使知行合一,才能更好的应用所学到的知识,最不应该空怀宝藏却不知其应用之法。知理论,懂实践,才是上佳之道。
参考文献:
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课程的安排和教师教学方面机械设计课程的开设基本是在学生学习完高等数学、机械原理、工程力学、机械制图、公差与测量技术等前期基础课程后在大三上学期开设的,所以老师在授课的时候几乎是按照教学大纲的进度将内容讲授一遍,完全忽略了学生对难点知识的消化和掌握。而这门课程的特点是:后面很多章节的内容只是针对了不同的研究设计对象(比如连接件、传动件等),但是研究的主要内容还是集中在疲劳强度、接触强度以及基于强度展开的其他参数计算设计上面。所以,忽略了这个问题将直接导致学生越学越感觉枯燥,面对大量的公式和计算完全丧失学习兴趣。实践和设计上敷衍了事大部分学生由于在理论学习阶段对很多知识没有掌握清楚,所以在实践设计过程中就完全不明白了。具体体现在:设计中整体结构选择不合理、零件选择不合理、计算错误多、不会查阅手册选择合适的参数值、验证错误等等,这样就导致了一部分学生在这个环节大量抄袭。有的学生设计说明书出现大量错误,最后导致零件在结构上无法装配或是零件结构尺寸明显错误现象出现,尽管这样,他们还是不能找出错误所在。从以上反映出来的一些情况看,机械设计这门课程的教学过程还有大量的工作需要完善,这种完善体现在教师的“教”和学生的“学”两个方面。对此,我们在教学的方法、手段、内容选择与时间安排上做了积极探索,这里,仅就“教”这个方面提出一些改进方法,以供探讨。
选一本好的教材,科学选择教学内容关于教材的讨论前面已经叙述过,作为独立学院,我们还是偏向选择一本好的教材,对此,我们选择了与总校一样的普通高等教育“十一五”部级规划教材——濮良贵主编第八版机械设计[2]。该教材针对独立学院的学生的确显得深奥,针对这种情况,我们结合几年的教学实践,对该教材的内容做了取舍,比如:整个第七章,以及变位齿轮、圆弧齿圆柱齿轮等一些内容不做介绍;对该教材的某些重点内容做出调整,比如:第二篇连接,第三篇机械传动,第四篇轴系等,里面的各种零件都涉及疲劳强度、接触强度等的计算。那么我们将该部分内容的重点放在了第一篇总论的第三章机械零件的强度里面做了重点介绍。在后面几篇内容的学习中,我们会将不同零件的强度公式、计算等拿来跟第三章零件的强度反复比较,讲清楚它们的联系与不同,让同学们将这部分重点内容连贯起来。这样一来,做到了对知识的系统掌握,同时又能了解不同零件各自的设计特点。合理安排教学与实践的时间,做好一次课程设计大部分独立学院目前都安排有64课时的理论教学时间,我院也参考总校给这门课程安排了64课时的理论教学。此外,我们还安排了24课时的课程设计时间。由于我们对教材的一些内容做出了调整,突出了一些重要知识点,相应的弱化了一些知识点,这样一来,64课时的理论教学时间基本上能满足我们的教学和学生对理论知识的学习、掌握。机械设计课程设计是对同学们在学习完机械设计这门课程知识的一个总的检验,其重要性不言而喻,但是,往往就是这个过程做得不好,主要体现在两个方面:一是安排的24课时是远远不够的;二是设计过程中同学们普遍存在抄袭现象。造成这两个问题的主要原因基本上是由于该门课程本身需要很长的理论教学时间,基本上要上到学期末,所以课程设计安排的时间就非常紧凑。另外,从这门课程本身的知识结构来看,需要应用大量的机械原理、工程力学[3,4]、机械制图、高等数学等课程的知识,这些知识学生一般都差不多忘记了,现在要求他们在很短的时间内应用起来做某一机械设备的设计,这就直接导致了很多学生不愿花时间,也没有更多的时间让他们去做这次课程设计。针对这些现象,课程组老师进行了大量调研工作,集思广益,对这门课程的教学与实践时间进行了合理的安排,目的在于让同学们利用所学知识完成一次好的课程设计。具体做法是:在学习完第三篇机械传动后,开始布置课程设计内容,设计分为几个组,每个组选择两个合适的设计方案,同时复习机械原理、高等数学等知识,熟悉绘图软件。这个时间段差不多有一个月,与教学活动同时进行。在完成教学任务时,每个组的前期准备工作已经完成,让每个组将各自的设计方案在课堂上答辩,最后选择一个总体设计方案。在最终确定设计方案后,给出每个学生具体设计参数,再用两周时间完成计算、设计说明书的编写和零件图、装配图的绘制。这样做的好处是:一是通过组的方式,让同学们积极参与方案设计与选择,最大程度调动了每个同学的参与热情,同时也让每个同学了解了各自设计的具体内容;二是充分利用了课程设计前的时间对关联知识进行充分复习,能与新学到的机械设计知识融合起来参与设计,最大限度的避免了此前设计过程中出现的抄袭现象;三是给每个学生不同的设计参数,让每个学生在集体讨论选择方案的基础上得到锻炼,掌握机械设计过程中的重点,同时也避免了抄袭。四是将24课时的设计时间化整为零,避免了一学完理论知识就进行设计的计划安排,将设计的整体难度让学生分时间段进行消化,激发了学生的主动性。通过上述方式,在每次设计答辩时,我们明显发现近两年学生的课程设计内容和质量都有了很大提高。以往那种设计内容不饱和、方案不完整、计算错误、装配图、零件图与设计说明书不符、答辩时不能对设计作出合理阐述等现象有了明显减少。精选习题,上好一堂习题课针对不少同学抱怨这门课程的习题题量大,计算复杂,公式繁多而且难以理解等问题,我们采取了精选习题,上好一堂习题课的方法,提高同学们的学习兴趣,让同学们敢于面对解决这些难题。具体做法是在完成每一篇的内容学习后,安排一次习题课。习题的选择既有结合零件设计的实际应用,又有一些不同高校的考研试题。对于独立学院的同学们来讲,他们对之前接触到的教材上的习题显得有些排斥,需要老师给他们一些信心。这时,我们适时的精选一些考研试题,让同学们体会到原来研究生入学考试的试题难度也不过如此,让他们感受到原来基本知识还是在教材上;让同学们认识到他们也有这个能力去解决这些难题。这个方法体现出来的效果非常明显,以至于每次的习题课反而成了同学们最爱听的一堂课。而且在习题课上,我也充分感受到了我们独立学院学生对知识掌握的那种渴望。他们经常会积极参与讨论,提出自己的一些想法或者解题思路。通过在学习完每一篇知识后安排的一次习题课,还让学生对前面的知识得到巩固,同时明显地感到同学们利用习题课的复习,加深了对所学知识的理解。除去以上介绍的三点,我们还积极安排学生参与实验、采用多媒体教学、采用更加灵活的课堂教学方式、鼓励并指导学生参与一些机械设计比赛、鼓励学生参与教师的科研项目,积极创新等方式充分调动同学们学习机械设计课程的积极性,变被动枯燥的学习为积极主动的去获取知识;变对知识的死记硬背,对公式的生搬硬套为解决实际设计过程的理论工具。
机械设计是机械类专业一门非常重要的专业基础课,它着重介绍了机械设计的基本知识、理论和设计方法,涵盖了非常广泛的其他本专业的基础课程知识,所以对于“教”与“学”都提出了更高的要求。我们在长期的教学实践和近几年的教学改革过程中进行了积极探索,提出了一些新的教学方法和思路,这些方法跟思路在日常教学过程中正发挥着积极作用,对激发学生学习热情、引导学生主动学习,积极创新有很大帮助。结合近几年机械设计课程的教学改革,我们总结出上面几点新的教学方法,供老师们参考并共同讨论,希望能形成一套针对独立学院机械设计课程更加科学、严谨、完善的教学方法。
本文作者:彭伟顾晓勤工作单位:电子科技大学中山学院
【关键词】机械设计;新工科;互联网+;混合式;教学方法
《机械设计》是研究机构及机械传动系统工作原理、性能特点、设计方法等方面的机械类理论课程,是一门涉及“理论力学”、“材料力学”、“工程材料”、“机械制造”等学科的综合性课程,是“中国制造2025”、工业4.0必不可少的专业知识之一。目前,以科学、技术、工程为融合的新业态、新产业、新行业为特点的“新工科”蓬勃发展,以“互联网+”、“中国制造2025”等国家战略的正式实施,使得《机械设计》的高等教育迎来了难得的发展时机且也面临着各种挑战[1]。主要表现在:一是传统的《机械设计》采用的是以教师授课为主的教育模式,分章节讲述各种常用传动机构的工作原理,性能参数及结构等,留给学生的是传动机构的“碎片”式记忆,不能形成满足工程应用需要的整体传动装置设计的要求。因此,难以满足新业态、新产业、新行业为特点的“新工科”下的工程意识的要求。二是传统的“机械设计”授课方式大都采用PPT+黑板板书的授课方式,在当今知识大爆炸和“新工科”对工程专业人才综合素质要求更高的背景下,更加凸显出课程内容多而教学学时少的特点。为此,开展基于“互联网+”的《机械设计》教学方法的探索,通过课上、课下互联网技术的应用,对学生进行头脑知识风暴的灌输和传授,以期培养出适应“新工科”发展的新一代机械工业专业人才具有重要的意义。
一、融合多学科知识,确定“新工科”背景下课程教学目标
《机械设计》中的设计理论除应用于以传统的机械制造行业外,还可以应用于以“人工智能”、“机器人”为代表的新型工业当中。但是,针对新工业、新行业的应用,机械设计必须朝着大型化、低能耗、高效率、高可靠性和长寿命周期方向发展。这就要求《机械设计》课程教学必须融入先进机械设计理论、先进机械制造、先进检测技术和可靠性设计理论;必须在《机械设计》课程理论学习中,加入自动控制、“互联网+”等多学科的知识。面对如此众多的交叉和融合的学科知识,需要在有限的授课学时中,培养满足“新工科”要求的工程人才,这对《机械设计》的教学方法提出了严峻的挑战。为此,必须确定“新工科”背景下课程教学目标。第一,必须引导学生科学地理解和掌握机械设计的工作原理和基本设计理论,培养学生在应用机械设计基本理论和设计选型中,融合多学科知识,初步建立工程思维和工程意识。第二,必须要求学生掌握常用传动机构的性能特点、主要零部件的结构、工作原理和作用,能够依据相关机械设计标准、工程应用需求进行分析和设计计算,以培养学生具有针对不同的工业应用要求完成专业设计的能力。第三,必须要求在专业理论学习时,充分考虑经济、安全、环境、法律等方面的要求,培养新时代、新工科下的综合性专业人才。课程目标的制定,确定了教师的授课内容、课程重点以及工程案例的选用方向;并为教师的教研活动主题、课程教学内容的修订等指明了方向。这对培养新产业、新形势下的技术人才具有很好的指导意义。
二、基于“互联网+”确定《机械设计》课程混合式教学模式
随着第四次工业革命的到来,人工智能、大数据、云计算、互联网等新科技改变和颠覆了传统的产业。然而,长期以来的高等教育都是沿用以教师为中心,学生被动听课为主的教学模式,这在过去的人才培养中,确实取得了很好的效果。但是,面对当今以科学、技术、工程为融合的新技术和新科技的发展,开展以“成果为导向”,强调以“学生为中心的教学模式,将是“新工科”条件下的工程教育的必然模式[2]。为此,《机械设计》教学采用基于“互联网+”的混合式教学模式是目前最好的选择之一。《机械设计》课程混合式教学模式主要包括课上教学、课下学生自学和师生互动两部分。1.课上教学。课上教学主要以PPT+黑板板书为主的授课方式,同时采用课件动画、MOOC等为辅助,以期在有限的教学学时里完成以下教学重点:一是运用数学、自然科学和工程科学的思维掌握机械零件的设计原理、设计方法和机械传动机构设计的一般规律;培养综合应用机械零件和机械机构的设计准则,进行机械传动装置和通用机械零部件的设计能力。二是培养正确查阅机械设计标准、规范、设计手册和设计图册的能力;掌握应用相关设计规律和技术措施,初步建立机器、过程设备、流体机械中的机械传动系统等领域复杂工程问题的设计能力。课上教学重点的顺利实施,基本完成了课程的教学目标,但还需通过课下学习的补充,使学生获取对新型工业当中机械传动系统更高要求下的综合设计能力。2.课下学习。课下学习主要采用雨课堂、图书馆资料查找、图片和视频展示的方式,以机械传动系统成功和失败的案例,重点培养学生科学认识机械设计的基本原则和设计程序,了解影响设计目标和技术方案的影响因素;理解工程中机械设计的严谨性、复杂性。另外,通过雨课堂可以及时跟踪学生学习的进度,在线解答学生学习过程中的疑惑或难点。同时,也方便师生就实际的工程案例和工程设计开展线上互动讨论,并在这种讨论互动中,引导学生了解并掌握国家当前有关的技术经济政策,使学生在机械传动系统的工程设计中充分考虑经济、安全、环境、法律等方面的要求,实现“新工科”要求的工程教育和新技术发展衔接的教学重点和课程教学目标[3]。另外,通过布置图书馆查找资料,查看视频和图片,督促和推动学生自觉地追踪国内外机械设计最新发展趋势,培养能够胜任“中国制造2025”等新业态、新形势下的工程人才。此外,采用基于“互联网+”的《机械设计》课程混合式教学模式,还可以培养学生查找中外文献资料的能力,在不断学习和强化专业外语的条件下,充分利用计算机辅助技术和“互联网+”,获得能够终身学习的能力,满足工程专业认证要求,以适应新技术迅猛发展的形势,成为国际需要的高级专业人才。
三、以“导向教育”为目标,改变课程考核与学生能力评价方式
基于“互联网+”的《机械设计》混合式教学模式,一方面要求教师必须充分了解和懂得机械设计的最新技术、最新发展等,另一方面也将促使授课教师必须同步学习和认真准备相关课程内容。但是,现代教学理论认为:教学过程既是学生在教师指导下的认知过程,又是学生能力的发展过程,学习更是一个学生必须主动参与的过程[4]。因此,要取得好的教学效果,必须激发学生主动学习的热情。所以,设计积极、有效的激励方式,促使学生主动积极参与教学的各个过程,是基于“互联网+”的《机械设计》混合式教学模式的重要内容之一。为此,《机械设计》课程分为课上考试和课下学生能力评价两种形式的结合考核方式。课上考试主要以闭卷的笔试试卷考试为主,依据课程教学目标,考察学生掌握机械设计基本设计理论和初步应用这些理论解决工程实际问题的能力。试卷可以采用选择题,简答题,计算题和工程应用题的形式。课下考核主要以评价学生再学习能力为主,考核学生追踪诸如控制技术、智能制造等新技术、新发展趋势,并用以融合众多学科进行初步机械设计计算的能力。这部分评价可以通过文献综述、研究报告和由多人组成的小组完成的机械传动机构工程化设计计算为评价依据。当然,课下的评价是根据课上课程进展,及时布置任务,并给学生一定时间在课下完成的。这些课下任务,可以通过图书馆、学生讨论、师生互动等等各种形式完成。教师只要设定合理的课上和课下考核分数占比,就能够促进学生自觉完成相关任务,达到“机械设计”混合式教学模式下设定的课程目标,实现以“导向教育”为目标,以工程专业认证为标准,培养出具备解决问题能力、研究问题能力、团队沟通能力和终身学习能力的“新工科”背景下的工程人才。
四、结语
科技的发展,离不开专业的人才,专业的人才,离不开高等教育的培养。在教育部“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”等一系列促进“新工科”计划实施的政策指引下,以工程专业认证为标准,探索和研究新形势、新业态和新技术环境下的《机械设计》课程教学方法,对迎接即将到来的第四次工业革命,培养胜任“新工科”要求的专业技术人才具有重要的意义。开展基于“互联网+”的《机械设计》课程教学模式,是以“导向教育”为目标,利用计算机及互联网技术,采用课上授课、课下学生自学和师生互动的教学模式,培养学生建立融合众多交叉学科条件下的工程意识和工程思维,培养学生在解决工程问题时,具有充分考虑经济、安全、环境、法律等方面的要求的能力。同时,通过改变课程考核与学生能力评价方式,激励学生自觉成为《机械设计》课程教学的主动参与者和践行者。
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“功能”是机器的灵魂。功能原理设计的重点在于提出有创新的构思,是对后续的产品设计起着决定性作用的工作,使机器的品质发生根本性和革命性的变化。好的功能原理设计既应该有创新构思,同时,又应周全考虑其市场的竞争潜力,脱离国际国内市场需求的盲目创新是死路一条、没有任何意义的。“综合”是功能原理设计的良策。“综合”是不可能有现存的、任何约定方法的;即:不可能只需按某种“方法”去做,就可以寻找到好的解法;功能原理设计的问题往往是有多解的问题,既不可能只有唯一解,也不可能绝对无解。这是如何教与如何学的难点所在。广义功能原理设计的思想引入学习中。千百年来人们洗衣都是靠手工搓,擦板擦、刷子刷,更原始的方法是用棒打或脚踩。洗衣的目的是解决附着在衣物表面的污垢脱落问题。为了分离污垢和衣物物料,可以设计多种功能原理来实现,搅拌式洗衣机就是常见的解决方案:即在洗衣筒中心装上一竖直的立轴,在其轴上部靠筒底处安置摆动翼,由传动机构带动,使它周期地正反向转动,使水流和皂液能与衣物不断相互摩擦、碰撞冲击、翻搅等,这样就能达到洗涤的目的。人们总希望洗衣机的功能越全越好,后来又出现了集洗涤、漂洗和脱水功能于一身的全自动洗衣机。近年来,洗衣机家族越来越庞大,种类越来越多,新出现的洗衣机有:冷沸腾洗衣机(绿色环保,不需要洗涤剂)、烘干洗衣机、电磁洗衣机、气流洗衣机、仿生搓板式洗衣机、模糊逻辑洗衣机等。这些都是广义功能原理的设计成果。在打印机的打字功能发展的历史上,原来的纯机械式打字机由于受惯性作用的约束而难以提高打字速度,一开始人们只从纯机械的角度来解决问题,于是出现了字球式打字功能原理和瓣式字盘打字功能原理的打字机;这两种纯机械式的打字功能原理在提高打字速度方面的潜力是很有限的。其后出现了针式打印功能原理的打字机,这种针式打印功能原理引进了电磁对针的控制,基本还是纯机械的,但是它却是作为一种纯机械向广义物理效应过渡的类型,因为它打破了字头打印方式的局限而采用了点阵方式,这就为随后的喷墨打印和激光打印开辟了成功的途径。喷墨打印和激光打印则是典型的广义物理效应的应用。打印机的发展历史很好地证明了广义功能原理以及广义设计学思想的成功运用。
2案例教学实践
案例教学法起源于美国。案例教学有助于培养和发展学生主动参与课堂讨论,颇具绩效。在机械设计过程中,实用化设计是在功能原理的基础上,将原理方案进行结构化、转化为实体,使原理构思一步一步地转化为有实用价值的实体机械产品,达到实用的目的要求。对于机械产品来说,工作原理确定后,首先要进行工艺动作构思和分解,初步拟定各执行构件大动作和各动作的相互协调关系,即进行机械运动方案设计和机械简图设计。总体布局的原则主要有:(1)有利于功能的实现;(2)结构紧凑;(3)动力传递路线力求简短、直接、提高传动效率;(4)各零、部件的位置安排布局应该方便拆卸、装配、调整、维修等,提供高度可靠的安全保护。总体布局此时引入案例教学恰到好处。如轮式装载机、开式压力机的案例。轮式装载机的总体布局为水平方向,工作头在前部、发动机在后部、中间是司机室,布局非常合理,有利于提高作业稳定性、有利于作业准确、有利于安全生产。而开式压力机则为垂直上下的总体布局形式,该机的动力布置在上部,下部有机身和工作台,便于操作,整机的稳定性好,方便冲压成型作业。在机械运动协调设计方面,不同行业的作业机械大有不同。如起重机械广泛应用于企业、港口码头、建筑工地等;起重机械不仅可以作为典型的辅助生产设备,完成原料、半成品、制成品的装卸搬运作业,还可以完成机电设备的安装、维修等,而且也是一些流程作业(如钢铁冶金生产)中的必需关键重点设备;而起重机械一般由四大机构(起升机构、变幅机构、运行机构、回转机构)、金属结构、动力设备等组成;四个独立的机构只能采用“集中控制、分散驱动”的设计。而在比较小型的机器设备中,如点钞机、家用缝纫机、蜂窝煤成型机等,一般均采用“集中驱动、分散控制”的设计,设计的重点和难点就是分配轴设计。
3商品化设计教学实践
竞争是商品经济和市场经济的客观规律,也是促进技术进步的动力和源泉,机械设计要提出创新构思并使之迅速转变为有竞争力的产品,要在市场竞争中具有强大的竞争能力和生命力。检验设计成功的唯一标准是市场。设计的产品进入商品市场:(1)首先给人以直觉印象的就是其外观造型和色调。普遍心理选择是先入为主。在市场经济的竞争背景下,某商品的外观一旦被看得“入眼”,极大可能地通过“预选”、获得参加“决赛”的资格。如林林种种的各色轿车和城市SUV,均有各自的拥磅者和消费群。(2)要使设计的产品胜于其它,获得较高的市场占有率,就要力求做到“价廉、物美”。价廉必须降低成本;物美必须保证质量和优越的性能,就要运用“价值工程原理”进行价值优化设计。(3)产品的通用性是现代产品不可忽视的问题。为缩短设计周期,使设计的产品以高速度、高质量、多品种去参与竞争,产品的结构件和组合件要实现三化:标准化、系列化、模块化。(4)适用性是争取用户的重要手段,可以拓宽面向,考虑一机多用和具备多功能,更新产品以满足市场不同需求。(5)绿色环保的要求、可回收设计,资源利用率最高,能源消耗最低的机械产品。以前的机械设计教学不太重视机械产品的实用化、商品化,现在尤其应该改变这种固有的观念,要让学生懂得功能原理设计、实用化设计、商品化设计都是同样重要的。
4结束语
工程教育本质上是一种创造性教育,设计和科学研究这两者的基本区别在于设计是“创造(Innovation)”,而科学研究则是“发现(Discovery)”,设计教育是贯彻创造性教育的最理想的阵地,过去的设计教育在创造性培养方面几乎没有注意,以至使我国目前很多企业几乎难以适应当前急需研发有市场竞争力产品的任务。机械设计学结合案例教学,极大地调动和激发学生学习的主观能动性和创造性,从感性认识上升到理性认识,全局观念逐渐得到锻炼和升华,为未来的机械设计工程师打下了坚实的基础。
关键词: 《机械设计》 CAI课件 教学改革
《机械设计》课程是高等院校机械类专业本科生的一门主干课程[1],是基础课与专业课衔接的纽带,起到重要的基础作用。该课程涉及的知识点多,知识面广,理论性、实践性强[2]。在《机械设计》课程的教学中,计算机辅助教学已得到广泛的应用[3]-[5]。但是,在应用CAI课件进行《机械设计》课程的教学时,出现了课堂教学程序化、课堂教学信息量过大和忽视学生的具体情况等问题。本文针对这些问题进行探讨,分析了问题产生的原因,并提出了相应的解决办法。
一、《机械设计》教学存在的问题
(一)课堂教学程序化。
应用CAI课件进行《机械设计》教学时,最常出现的问题就是课堂教学程序化。许多学校都是根据一个或多个优秀教师的教案为基础,建立CAI课件的基本框架,然后由技术人员完成整个课件,所有教师都使用同样的课件进行教学。课件包含文字、图像、声音、动画等多种媒体,可以说是图文并茂,形象生动,给人的第一印象很好。但应用这种程序化的课件进行教学的实际效果如何呢?在学生中进行的调查发现,情况与预想并不一致。其中一个学生的意见很具代表性:“一上CAI课我就想睡觉,因为上CAI课就像看电影一样,可这种电影实在让人提不起精神。”
进入二十一世纪以来,社会对高素质的创新型人才的需求日渐升温。用缺少教师个性的程序化的CAI课件进行教学就好像工厂里用生产线生产产品一样,效率虽高但所有的产品都是一模一样的,这样的大学生显然无法满足社会的需求。教师是教学的重要组成部分,缺少教师个人的特点的课就像缺少了灵魂的人一样了无生气。所以,程序化的CAI课件是当前CAI教学课件存在的首要问题。
(二)课堂教学信息量过大。
在现行的《机械设计》CAI课件中,原来需要教师在黑板上进行推导和设计计算的内容,现在通常使用预先制作好的图形或是动画来演示。这样一来,课堂教学信息量就无形中加大了。根据我们在教学实践中的统计,课堂教学信息量可以增加50%,有时候甚至可以增加100%。然而,学生在单位时间内可以接受的信息量是有限的,课堂教学信息量的增大必然影响学生对教学内容的理解。根据我们对本校学生的调查显示,课堂教学信息量增加50%,学生理解率降低15%左右;课堂教学信息量增加100%,学生理解率降低40%左右。质量是教学的根本,追求速度而导致质量下降,显然是舍本逐末。
(三)忽视学生的具体情况。
用统一CAI课件进行《机械设计》教学还会带来另一个常见的问题――忽视学生的具体学习情况。我们知道,学生个体之间是有差异的,不同的学生有不同的特点。同样的,班级与班级之间,年级与年级之间,也存在着一些差异。教师在上课的过程中,根据学生在课堂上和作业中的表现,应该适当调整教学的内容。这种调整虽然从总体上来讲比较微小,但这正是教学水平的体现,也是优秀教师和一般教师的差距。学生作为知识的受体,是教学活动的重要组成部分之一。忽视学生具体学习情况,就会造成教学目标的偏差。“差之毫厘,谬以千里”,所以,这种忽视学生具体学习情况的教学问题必须加以解决。
三、问题的分析与解决
(一)问题的分析。
不论是什么形式的教学改革,其目标都是提高教学质量,一旦忽视这个根本目标,就会步入歧途。进行《机械设计》课程CAI教学改革,其目的也是运用计算机来提高教学质量。当前在《机械设计》CAI教学中出现的种种问题就是忽视了教学质量,片面追求运用计算机多媒体技术的结果。为了解决这些问题,我们需要将目标定位于提高教学质量,所有的计算机多媒体技术的使用都要为这个目标服务。
(二)建立教学资源库,打造个性化的教学课件。
针对前面提到的课堂教学程序化的问题,我们提出“建立教学资源库,打造个性化的教学课件”的解决办法。
《机械设计》教学资源库,就是与课程CAI教学有关的资源库,包括文字、图形、三维模型、图片、声音、动画等各种多媒体教学素材。教学资源库中素材丰富,远多于组织一套《机械设计》CAI课件所需的量。教师根据自己个人的特点组织出个性化的课件,在教学过程中发挥出个性化的魅力去吸引学生,使学生的学习变得更为轻松、有趣。教师在教学中通过与学生的交流,掌握学生的学习情况后,也可以对课件的教学内容进行适当的调节。
在资源库的支持下,教师可以很轻松地构建属于自己的CAI课件,而不是去适应别人制作的课件,这更有利于发挥出教师的教学水平,从而达到提高教学质量的目的。当然,教师要注重提高个人的教学能力,否则就会适得其反。
(三)屏幕与黑板相结合,适当控制课堂教学信息量。
针对前面提到的课堂教学信息量过大从而影响学生理解教学内容的问题,我们提出“屏幕与黑板相结合,适当控制课堂教学信息量”的解决方法。
多媒体CAI教学的目的在于帮助学生理解与掌握教学内容,它不能完全取代传统教学手段。因此,在选择多媒体教学内容时,教师必须对教学的内容和教学对象进行分析,认定哪些内容有必要采用多媒体课件进行教学,运用多媒体课件教学对学生有什么影响等。就《机械设计》课程而言,多媒体课件教学主要应用于机械的运动原理、特性分析、设计原理及加工方法等内容抽象并且难用语言表达的部分。例如:齿轮机构工作原理及其加工、轴的类型及结构设计、滚动轴承类型、加工装配及组合设计等。利用多媒体课件中的动画演示,加上教师的详细讲解,使学生对一些抽象、模糊的机械运动、工作原理、内部结构、加工方法有更清晰的感性认识,接受起来比较容易,从而提高教学效果。如在讲解一对齿轮正确啮合条件及连续传动条件时,通过播放多媒体课件中一对相互啮合齿轮运动状况的动画给学生看,控制课件可以使啮合过程停留在任何位置,学生能清晰地观察到一对齿廓或相邻齿廓的啮合状况,更好地理解教学内容。再如在讲解轴承的类型及其选择原则时,可以通过动画及录制的录像使学生了解轴承的加工及应用的场合,更好地掌握轴承的选择。由于将书本上精致的概念变成生动、形象、直观的动态形式,充分发挥了学生的观察力,促进了学生的求知欲,学生更容易理解掌握,因此提高了教学效果。在讲解带传动、齿轮传动设计及轴承寿命计算时,可以采用传统的“黑板+粉笔”的教学方式,通过板书和详细的讲解使学生明确设计方法和步骤,在设计过程中让学生查阅相关资料和手册,从而增强实时的交流,能及时地掌握学生查阅资料的能力。
采用屏幕与黑板相结合的教学方式,在讲授需要板书的设计计算内容时,教学速度就降了下来,从而达到适当控制课堂教学信息量的目的。同时,《机械设计》课程中的设计计算本来就是学生理解起来比较困难的内容,采用传统的“黑板+粉笔”的教学方式为学生理解这些内容提供了时间。尽管课堂教学的信息量减少了,但学生通过听课所掌握的内容却增加了,这就提高了教学质量。
(四)倡导启发式教学,调动学生学习积极性。
教学质量的好坏,主要取决于学生的学习积极性高低,因此调动学生的学习积极性是提高教学质量的决定性因素。在《机械设计》课程的授课过程中,应积极倡导启发式教学,提高学生主观能动性的发挥,使其学习的态度由被动向主动过渡,强调学习的独立性、研究性,以及教学方法的多样性。营造教师为主导,学生为主体的课堂氛围,在教学过程中教师可以通过多提出问题,引起学生的思考,发掘学生的潜能;还可以在课堂中穿插讨论环节,培养学生分析问题、解决问题的能力,注意教与学的互动。
(五)教学实践。
我们提出的解决方法已在本校的《机械设计》课程教学中推行,从目前与学生和教师的调查与交流中发现,他们对这样的教学改革比较满意。
四、结语
随着计算机技术的发展,《机械设计》CAI课件正在普遍应用于各个高校。应用CAI课件进行《机械设计》教学时出现课堂教学程序化、课堂教学信息量过大、忽视学生的具体情况等问题,本文提出了“建立教学资源库,打造个性化的教学课件;屏幕与黑板相结合,适当控制课堂教学信息量;倡导启发式教学,调动学生学习积极性”的解决方法。但我们要认识到,这些问题并不是计算机多媒体技术带来的,而是人的认识偏差导致在应用策略上的失误造成的。今后,我们仍然要在提高教学质量的基础上,应用计算机多媒体技术不断进行教学改革。
参考文献:
[1]刘夫云.《机械设计》课程教学内容改革初探[J].重庆工学院学报,2007,21(3):135-137.
[2]凌学文.关于《机械设计》教学的几点建议[J].常州轻工职业技术学院学报,2007,2:17-19.
[3]张晶莹.机械设计课程CAI与创新教学[J].广西师范学院学报(自然科学版),2004,21(S1):103-104,117.
[4]严慧萍,孙伟,王希革.机械设计课程CAI多媒体课件的开发与应用[J].甘肃科技,2004,20(8):45-46.
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