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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇機械創新設計的基本原理，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
【關鍵詞】產品設計 創新 想象力 功能 原理 結構
【中圖分類號】G640 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-9646(2008)08-0185-02
1 引言
人類的一切文明都是設計的產物。工程產品設計就是利用科學研究得到的原理,發明現實世界里還沒有的人造裝置,以滿足人類在生活和生產中的各種各樣的需求,從而創造出更美好的新世界。文學家雨果曾說過“想象是偉大的潛水者?！盵1,2]創作新的作品需要想象,同樣科學技術研究也需要創新性的想象與想象力培養。中國的大學教育傳統上以文學和政論為主,強調修身、齊家、治國平天下[3]。近代以來,西方的以分析精神為代表的現代科學教育進入中國,并且已成為理工農醫科學教育的核心[4]。根據中國教育的長期教育歷史和目前建設創新型國家的要求,當前有必要強調創新教育。前文從產品設計、想象與想象力和想象力培養三個方面著重討論了想象力在產品創新設計中作用[5]。表1列出的是發明家所需具備的主要素質[6],由數據可見,想象力和堅持性是邁向成功的兩個主要素質,因此,在科技人才的培養方面應注重這兩方面能力的鍛煉。只有不斷地在學習和工作中,主動地學習想象的方法,積極想象新的功能、原理和結構,才能更好地設計新產品。
機械產品、機電產品的設計也需要培養設計者的想象力,可以說,沒有想象,就沒有創造,只會是驥尾之蠅,亦步亦趨的步人后塵。我國政府倡導建設創新型國家,在一些領域要與國際先進水平并駕齊驅,這需要科技工作者與技術工人的共同努力。在新產品的創造過程中,需要設計者創新性的構思新產品、技術工程師設計新產品和制造工藝以及技術工人加工新產品。工人從事產品制造加工,技術人員從事產品設計和加工工藝編制,科學技術工作者從事產品創新思路研究與產品原型研制。想象力與堅韌不拔是創新工作者應注重培養和訓練的優秀素質。本文擬討論從事機電產品創新所需要注意的幾個問題。
2 功能設計的想象
產品是指生產出來的物品,對人類具有一定的功能?！邦櫩唾徺I的不是產品本身,而是產品所具有的功能?！鄙鐣狭魍ǖ漠a品對其生產廠商是獲得經濟效益的產品,而對使用者來說,他人提供的產品就是自己的工具。西方的阿里士多德和培根曾對工具論作了闡述,與機械工業化革命相對應,工具論對機械工業革命、電氣化工業革命、信息化工業革命和生物技術革命都產生了顯著的作用。笛卡兒提出數學描述的方法論,后來牛頓、達爾文和哥白尼等分別提出了自然科學不同學科的基本原理。機械產品設計依據機械原理,1970年德國科學界提出的功能原理的產品設計,特別注重功能原理解。功能是產品購買者購買商品的原因,因此產品的設計就是實現某些產品功能。
在人類社會的前期發展過程中,工程科學一直沿用師傅帶徒弟的方式傳承手工技藝,有的的技藝還是家族傳遞下來,由于戰爭等災難因素,其中有的技術已經失傳。近代科學以伽利略為其開端的代表人物,將數學原理用于物理知識的表達和分析,開啟了近代工程科學。另一方面,知識的傳播也由學校完成,高等教育蓬勃發展,形成機械、電氣、土木、化工、計算機、信息和生物組成的現代工程科學體系。機械工程的歷史悠久,而且其原理知識滲透到各個工程技術領域,并沒有隨新型工程技術的發展而消亡,而是成為工程產品設計的基礎。例:現代的航天工業、生命技術和核能工業都離不開機械工程知識的支持。機械產品與信息科學、生命科學的結合,出現了數控加工機床、機器人和靶向藥物等一系列技術產品,人類的制造能力大幅度提高。近年來,隨著數字化設計和協同設計技術的發展,人們設計新產品的能力也將得到顯著提高,計算分析軟件包的開發與使用,必將對產品設計的方式和方法產生巨大影響,新產品的設計周期將大大縮短。
要設計出新的產品,就是設計出新的功能或功能組合。要實現產品的創新設計就是要在設計初始階段想象出新的功能或功能組合,向用戶提供新的功能。一般常用的想象方式是通過市場調研或用戶反饋的意見,提出產品功能的改進,新的產品功能很多是根據使用者需要而想象出來的。革命性的系列化產品都是依據新的科學原理,或變換原理或變換結構所想象出來的。例,從雙卡收錄機到卡式隨身聽,再到電子技術的MP4,前者使用相同的磁記錄原理,但變換了結構與功能組合,獲得了便攜的功能。后者采用新的磁記錄原理,利用巨磁阻效應設計出新的技術手段,實現播放聲音和圖像媒體的功能。
功能設計有分解和綜合方法,原理設計有集成、轉用和逆向等方法。產品的功能創新設計不一定是設計出前所未有的產品,隨著各個領域知識的融合和技術革命,很多產品的設計采用新的知識原理來更換以前產品所采用的原理,獲得更低的成本、更方便的制造或使用。
功能設計的創新過程中需要形象,例如人類想象出了飛機、電視機和收音機等,在設計這些產品前,人們就已經幻想象鳥一樣飛行,千里眼和順風耳,在古代的小說中就有這樣的文學想象,后來的技術革命用技術手段實現了人們以前的想象。要實現對新功能產品的想象,就必須解決其依托的核心功能原理,例如流體力學原理、無線信號傳遞等原理。物理原理、化學原理和生物原理是設計新型產品的基礎知識,近200年來,人們主動采用各種基本原理設計出許多種新產品,而且這一趨勢仍將繼續下去。
3 原理設計的想象
設計產品需要依據一定的功能原理,功能原理的創新就非常重要,機械原理知識僅僅是機械產品原理設計的基礎。有時很復雜的機械產品,如果用電子控制技術來實現,其結構就非常簡單。例上面所述的隨身聽。機械科學的原理并不多,常用的有杠桿、滑輪、嚙合傳動、摩擦傳動、滾動支承、滑動支承、電磁支承、凸輪、連桿、螺旋等十幾種。常用的電子原理有加、減、乘、除、微分、積分、反饋等。現在基本的機械元件和電子元件都已有基本的單元銷售,已有專業化生產廠家生產這些標準化的元器件。復雜機電產品的設計并不是將機電單元簡單的堆砌在一起,而是有機的組合、有目的的組合基本單元,來實現其使用功能。
產品的制造工藝原理也十分重要,它們決定了產品設計是否可以物化、是否可行。常用的機械產品的加工工藝有車、銑、磨、刨、鏜、鑄造、焊接、熱處理,新的加工工藝有電子束焊接、激光表面處理、離子注入、化學氣相沉積、物理氣相沉積、腐蝕、鍵合等等,這些加工工藝都已在機械產品加工中得到廣泛應用。利用新的物理、化學或生物原理來發明新的機械產品或電子產品的加工工藝,這是目前和今后發展的方向之一。在知識教學中,更應培養學生的觸類旁通、獲取知識的能力。
現代的機電產品,在構思整體設計時就要分析其功能原理形態矩陣,比較優化得到最優的技術原理方案,并且擇善而從地詳細分析最佳方案。設計原理的選擇,不僅要考慮技術的先進性,還要分析其成本、環境的友好性和可持續發展的前景。對產品功能原理的優化軟件在近20年時間內得到了很大發展,例:TRIZ等。但,產品的成本分析和環境友好性分析仍無相應的設計軟件,這也是今后的發展方向之一。
隨著數字化設計、虛擬加工和虛擬裝配技術的發展,例:Unigraphics軟件包,機械產品的設計和制造過程也發生了很大變化,運用虛擬軟件設計來設計和制造產品的成本比試樣產品的制造,成本大大降低。數字設計、數字制造和數字管理技術的發展,依托于信息技術,對機械工業已經產生了變革性的影響。協同設計、協同制造和協同管理技術在最近幾年仍然會得到快速的發展。機電產品的原理設計有集成、轉用和逆向等方法。例如汽車內燃機集成了連桿傳動、軸承支承、凸輪傳動等。沖壓機和汽車發動機就是曲柄滑塊機構的轉用。鞋底防滑花紋的設計是摩擦學中理論應用的反問題。
4 結構設計的想象
要將設計原理實體化,獲取設計者設計的產品功能,就必須進行產品的結構設計。常用的結構設計方法有放大、縮小、轉用和變結構等。在機械系統的結構設計方面,俄羅斯的學者非常重視,而德國和日本的學者重視原理的設計和設計方法。我國的機械產品設計在1978年以前學習俄羅斯的結構設計,在80年代學習德國的功能設計理念、日本的二次設計方法。結構設計中常用的零件結構已經標準化。
從1960年來人們研究的仿生設計思路,為結構設計者提供了一條途徑。基于流體力學的飛機結構設計,基于固體力學的齒輪和滾動軸承設計,基于動量守恒原理的噴氣機設計,基于光學的鷹眼、蛙眼設計,基于紅外原理的制導設計等等。在固體材料結構方面有仿生陶瓷、仿生的復合材料,多層涂層設計模仿竹、海螺殼等結構,今后在有機材料的設計方面人們更加依賴于對自然材料的仿生。
結構的標準化、新材料的開發與應用將對機械結構的設計產生重大影響。前人的石器時代、青銅時代、鐵器時代和半導體時代以及今后的生物材料時代,都已經對產品的設計原理、設計方法產生了巨大影響,而且產品的結構也發生了很大變化。例:古代利用細繩作為鋸子,今天利用合金材料和電力驅動的電鋸,今后的激光切割等。新的原理、新的方法和新材料決定了那個時代的產品的技術含量和經濟效益。
現代機電系統向復雜化和微納化兩個方向發展。復雜機電產品集成了機械原理、電路原理和控制原理等。例如,盾構機械和大飛機等,復雜機電產品的結構比簡單機械要復雜100～10000倍,因此其設計制造是一個國家的機電產品設計制造能力的集中體現。復雜機電產品的設計過程中一般都采用數字化協同設計的組織方式,充分發揮各個設計單位的優勢,團隊的協作有助于縮短設計周期、提高設計效率和優化產品的性能。我國的機械工程教學中過分強調單元課程的學習,可喜的是近來組織機械設計大獎賽的競賽,這有助于培養設計復雜機電產品的能力。
微納機電產品,以微納微型、微納傳感器和芯片等技術為代表,在近10年內取得了一系列突破。化學原理和生物原理也逐漸應用到這類微納機械產品的設計,例如生物傳感器和生物芯片等。未來的機械應該是生物機械,傳統的機械原理、機械設計和機械制造技術都日臻成熟,21世紀的機械是生物機械,這一點上大多數人已有共識。我們現在大學里培養的人才,今后的21世紀的機電產品創新必定依靠現在的青年人,因此有必要開設系統論、生物原理等課程,這一點仍有欠缺,也未達成共識,作者認為應從未來機械發展的高度,布局現在的機電產品設計人才的知識結構,以利于他們今后更有創造性、更好地創造出新的產品。
關于微納機電產品的設計,目前有兩種技術路線。其一,是將以前的機構、機械結構和電子元器件縮小,在微米級加工微型齒輪、連桿和軸承等。另一種思路是拋棄傳統的機械原理和機械零件設計,依據生物物理和生物化學的基本原理來構造微納系統,例如仿葵花的轉動機械等。作者認為第二種思路是更好的,因為機械原理和零件的設計應該隨時俱進,不應保守的依據毫米級的機械原理和零件,而應該結合生物科學的發展,將生物物理和生物化學與機械科學結合起來,創造出更多更好的微納機械系統。
5 結語
(1)功能、原理和結構的思路是德國科學家提出的別具一格的產品設計整體框架,本文從功能、原理和結構三方面再次討論產品創新設計中“想象力”的作用。
(2)未來機電產品的發展向復雜化和微納化兩個方向發展,今天我們在本科教育階段應該縮減單元知識的教學,增加系統論和生物原理的知識傳授。
(3)對于研究生的創新能力培養,學生的課題研究不應竭澤而漁,而應結合研究生的論文主題,在討論課上各抒己見,培養同學的提出問題、分析問題、解決問題和總結問題的能力。
參考文獻
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[關鍵詞] 機械原理 案例教學 機械創新設計能力 應用
一、引言
機械原理課程主要研究機械產品運動方案設計的基本設計理論與方法,是機械類專業課程體系中最能培養學生創新能力的一門課程。案例教學是以“案例分析”為核心的一種參與式教學模式,在經濟學和管理學等課程中應用較多、效果也較好。深圳大學鐘杏云進行的問卷調查表明,案例教學法與其他教學法相比對學生的作用最大,最受學生歡迎,也是學生最希望老師采用的方法。該方法對于激發學生的學習熱情,培養學生提出問題、分析問題、解決問題的能力具有重要的作用。目前,案例教學而在機械學科應用不多,探索和實踐的成果也不夠明顯。
機械原理課程的教學效果直接影響后續課程的學習和學生創新意識以及創新能力的培養。如何使學生掌握好課程內容,培養機械創新設計能力,是擺在任課教師面前的重要課題。結合工程實際和課程需要,各高校在機械原理課程教學中所舉的應用例子較多,這些例子是將工程實際中復雜的問題簡單化,使同學很容易理解課程有關章節所要說明的簡單問題。而案例則不同,它只是一些較為全面和真實的材料,供進一步討論和分析用,并非“最佳做法”,其目的是為了討論課程中具有復雜邏輯聯系的復雜決策問題。
二、案例教學在機械原理課程教學中的實施過程
1.教學案例的選擇與設計
案例是實施案例教學的前提條件之一。案例選擇要圍繞課程教學目標和專業培養方向,并考慮學生的現狀和特點。技術本科院校的學生文化素質差別較大,理論基礎相對較弱,也無生產實際經驗和工程背景,缺乏參與工程實際設計的體會。案例教學不僅要教授課程的理論知識,而且更重視培養學生的創造能力和解決實際問題的能力。選擇案例時,教師首先要研究所授班級的專業培養方案和課程的教學目標,確定案例要傳授給學生的知識點和培養學生哪些能力;其次,要選擇來源于生產實際、有一定技術含量、最好是學生可以操作或能夠接觸到并易于接受和理解的、教師能夠把握的有時代氣息的案例。第三,案例要反映課程的重要知識點、核心能力和關鍵問題,體現對學生核心能力的培養。我校在教學中選擇電動護理床作為案例。首先,護理床是真實的典型機電一體化產品,蘊涵著包括機構學理論在內的豐富的工程理論的思想。其機械結構包含課程中重要的連桿機構、齒輪機構和螺旋機構;其次,護理床是用于醫院或家庭的助老助殘產品,與人們的生活密切相關,是學生易于接受和理解的案例。我校又在該產品的研究方面有一定的技術積累和多臺不同功能護理床的樣機,同學既能觀察到其動作原理和結構組成,又能實際操作和親身體會。有利于學生分析出目前產品存在的問題。再經調研、分析和討論交流等活動,可以培養學生求異的思維方式,發揮其主動性及創新潛力;第三,護理床的設計不僅需要機械學理論,還需要電學、控制學和人體工學理論。護理床的最佳方案的確定需要考慮諸多因素以及這些因素之間的復雜邏輯聯系。設計具有最佳方案的護理床需要理論聯系實際的思考、分析和研究以及全面細致的討論,對于培養學生的綜合決策能力具有重要的意義。第四,護理床案例包含課程的核心概念“機構創新設計”、核心能力“機械的分析能力”、“機械的設計能力”和“機械的創新能力”和機構設計的基本概念“極位夾角”、“死點”、“壓力角”和“傳動角”等。該案例的實施有助于學生掌握機械設計理論,并應用這些理論解決護理床的設計問題。選擇并設計好案例教學是確保案例教學實施的重要條件,護理床案例包括:案例名稱、案例來源及背景、產品功能描敘、案例素材發放時間、案例的調研分析要求、案例的討論地點、形式、提綱和具體組織步驟、案例討論過程中可能出現的問題及對策、案例教學效果分析等。
2.案例教學的實施
首先,將護理床案例布置給學生,有針對性的講解解決問題的方法和思路。然后帶領學生到實驗室實地觀察護理床的結構和動作原理,讓學生在床上親身體驗護理床的各項功能,再分組(4人一組,學生選定1人為組長)談體會、分析其結構及動作不合理之處,提出最佳方案護理床應具有的特征。每組同學提出要完成最佳方案護理床的設計應解決哪些問題,如何解決。每組同學合理分工,檢索相關文獻,查閱有關資料,調研護理床的銷售公司和用戶,掌握護理床產品及技術研究的現狀和發展趨勢。這個過程會促使學生不斷學習,充實自己。學生在調研分析的基礎上,會綜合運用所學知識和經驗去分析和解決問題。具體包括:解決現有產品問題的技術依據、新方案的動作原理和機械結構,機構的干涉檢驗和仿真分析以及控制原理和控制方案等。最后,形成本組的最佳方案,并形成匯報、討論稿。由于每組同學需要獨立完成,全班可能有多種完全不同的合理方案。第二,按規定時間和地點,每組選定1名同學在班級介紹本組的設計方案,充分發表本組同學的獨到見解。完畢后,教師組織全班同學按確定的主題認真討論,形成以學生為中心的發言、提問和解答,讓全班學生充分展示自己的觀察、溝通、決策和表達能力。在實施過程中,由于班級每名同學對護理床均有深刻的思考和研究,針對匯報者的設計方案,其他同學發言很主動,也有一定深度,這對匯報者設計方案的進一步完善具有一定的作用。教師和班級其他同學認真傾聽。同組同學還要做好記錄,共同回答其他同學的質疑。鼓勵同學圍繞主題互相爭論。教師既是與同學平等的討論參與者,還是討論主題方向把握著,教師要及時進行點評并對討論中出現的問題予以指導。待匯報和激烈的案例討論結束后,教師要對課堂教學的全過程進行歸納、總結,并引導學生對本組在案例教學中所取得的成果經驗進行總結,對其他組的研究成果進行分析。分析總結有利于學生進一步思考問題和完善設計方案。本次案例教學的成果有:(1)同學們親身體會到機械產品新方案的形成過程,鍛煉了學生綜合運用各種理論知識和經驗以及流行軟件解決實際問題的能力,培養了學生的機械創新技能;(2)護理床連桿機構和齒輪機構的設計和應用是課程教學的重點和難點,機構的核心概念在護理床的方案設計中都得到了應用。案例教學的實施鞏固了所學知識,加深了學生對課程基本原理和概念的理解,也活化了知識,并將知識轉變為應用知識解決實際問題的能力;(3)培養了大學生的創新意識和機械創新設計能力。同學們完成了多種護理床的機械結構方案,并申請了四項國家專利;(4)案例教學以學生為主體,培養了學生自我學習能力,使學生由被動接受知識變為接受知識與運用知識解決實際問題并舉,使案例教學實現了既“授之以魚”,又“授之以漁”的教學目的;(5)案例教學教師是主導,但需要對學生提出的各種方案和討論中的問題進行點評,這要求教師對案例有深入的研究,掌握案例相關知識和經驗。為此,任課教師需要充分做好準備工作,有利于教師自身素質的提高。
為保證案例教學效果,在課堂討論案例結束后,教師組織學生對各組完成的方案進行進一步完善。并安排學生寫心得體會,對案例教學效果和案例本身的問題進行分析,指出教師工作和案例實施中的問題或不足,并對今后的案例教學提出意見或建議。
三、實施案例教學應注意的幾個問題
1.案例教學法要與其他教學法密切結合
盡管案例教學法有明顯的優點,但在實踐中也發現它存在的一些缺陷,如單位時間傳授知識效率不高;知識傳授的系統性及完整性不易實現等。為此,在采用案例教學法的同時,還要結合其他理論授課方法,使案例教學與傳統教學中的一些有益做法互為補充。傳統的教師授課方式有利于知識傳授的系統性、嚴謹性,有利于學生打下深厚的理論功底,培養抽象思維能力。案例教學重視實際問題的分析和解決,既可在教學內容和教學方法上彌補傳統教學的不足,又可推動傳統教學方法本身的不斷改進。案例教學也需要學生有一定的理論基礎,并掌握有關的基本概念和基本原理,否則,案例教學難以開展。因此,案例教學法一定要與其他理論教授方式密切結合。
2.教學案例要準確反映課程對學生核心能力的培養
案例教學要圍繞課程的核心概念和核心能力開展。由于學生缺乏工程背景和專業知識,若案例涉及過于專業化的知識,學生將難以調研、分析和提出問題的解決方案;若案例太簡單對學生來說缺少吸引力、沒有新奇感,同樣達不到案例預期教學目標。實施案例教學要因材施教,兼顧案例的實踐性和理論性這兩個方面,這樣才能有效地提高案例教學質量。學生只有真正的理解和掌握課程的核心概念,才能夠把理論與實際有機的結合起來,使實際問題迎刃而解。成功的教學案例一定要實現教學目標。
3.案例教學要注重課堂和課外相結合
案例教學的主體是學生,教師只起引導作用。對于同樣知識點的課程內容,采用案例教學法所用時間較傳統教學法多得多,所以,課程的案例教學不易多。機械原理課程我們選擇兩個案例實施案例教學,一個為護理床,另一個結合專業選擇,對于機械設計制造及其自動化專業(數控技術方向)選擇了四軸加工中心的機械結構系統。對于布置給學生的案例及要求,學生需要將自己置于產品設計師的位置,從產品的使用要求出發,在課外查閱資料、參觀考察和小組討論,分析案例產品存在的問題、產生原因和解決方法以及改進產品的設計內容和過程等,并在對比分析的基礎上形成本組新的設計方案。由于這些內容需本組同學在課外通力合作、發揮集體智慧完成,所以案例的課外研究工作十分重要。課堂討論由教師主持,按組發言、全班交流討論,這是全班同學設計經驗的共享過程,也使學生真正體會到他們才是案例教學的主體。課堂與課外相結合,才能完成案例教學目標,同時完成護理床的“最佳方案”。
4.案例教學需要師生雙方的共同努力
案例教學要求學生和教師共同參與教學。教學是否成功既取決于教師,又取決于學生。選擇和提煉案例需要教師熟悉案例內容并進行深入研究,準備好課堂討論案例可能涉及到的有關知識。這樣,既有利于案例的布置,又有利于解答課堂討論學生提出的各種疑難問題。因此,教師需要通過科學研究、走進企業和進修學習,不斷充實和更新自己的知識,拓寬知識面,提高自身綜合素質。案例教學法強調學生主動學習、獨立思考和工作,自主形成解決問題的最佳方案。在課堂討論過程中,學生應積極思考、認真準備、踴躍發言,積極參與課堂案例討論,配合教師完成案例教學任務。
5.案例教學要重視對學生機械創新能力的培養
案例教學縮短了教學場景與實際生活情景的差距,把抽象的原理、概念等具體化,促進從理論到實踐的轉移,有利于提高學生學習興趣和能力,激發其探究意識。實踐證明:案例教學對學生分析、解決問題和創新能力的培養,對知識的接受程度和保留的持久性等方面富有成效。我校機械原理課程的案例教學是“以培養學生機械裝置原理方案設計能力為主線,以機構基本概念和原理的應用為重點,以培養學生創新能力為核心”組織教學的,通過案例教學與傳統教學法的結合,使學生掌握了課程的基本概念和核心能力,提高了機械創新設計能力。
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1 編寫機械零部件性能試驗教學大綱，合理設置實驗項目及內容
根據機械原理、機械設計課程內容及以往的實驗設置情況，我們主要開設1個認知實驗、3個大實驗項目。每一大項中再設置驗證性、綜合性、設計性、創新性的實驗內容，以達到鞏固專業基礎知識的目的，從而進一步培養學生綜合設計及工程實踐能力，同時也激發學生的創新意識。
1.1 機械認知
這個實驗主要是讓學生參觀機械原理、機械設計、機械創新設計陳列柜，通過觀察分析各類機構、零部件及創新方法等，使學生對所學課程有更進一步的感性認知，同時激發對所學專業的學習興趣。
1.2 機構分析實驗及創意設計
實驗主要內容為：（1）機構運動簡圖的測繪與分析： 要求學生分析機構，畫出機構運動簡圖并計算自由度。主要目的是使學生掌握正確繪制機構運動簡圖的方法及機構自由度的計算方法，理解機構自由度的概念。（2）機構創新設計及模擬：要求學生自行設計機構運動方案，并進行機構組裝、調試、運行及改進，最終確定方案。目的在于通過實驗使學生靈活運用機構組合、機構演化與變異，創造性地設計、拼接機構。同時也提高了學生的實際動手能力，通過對方案進行結構分析、運動分析、動力分析及實際測定，檢驗設計的方案是否滿足工作要求，培養學生對各種常見機構的綜合運用能力及創新設計能力。通過機構的方案設計、機構的組裝調試及模擬運行等使學生實際動手能力、團結協調能力得到較好培養，同時也培養了學生的創新意識和創新能力，激發和調動了學生的學習積極性和自主性，以及參加各類機械創新設計大賽的熱情。
1.3 機械傳動性能測試分析及創新組合
實驗主要內容為：（1）各種典型機械傳動裝置并測試參數曲線及分析比較：要求學生分別組裝帶傳動、鏈傳動、萬向節傳動、蝸桿傳動、齒輪傳動等測試裝置，并測試在傳遞運動與動力過程中的參數曲線，分析比較運動特點及優缺點。目的是使學生通過組裝各種典型機械傳動裝置，并測試在傳遞運動與動力過程中的參數曲線，進一步分析比較各類傳動的運動特點、優缺點及使用場合。（2）優化創新設計組合傳動系統：要求學生創新設計組合傳動系統，進行組裝調試并測試各類參數，分析比較各類組合的優缺點，最終確定最佳組合傳動系統。主要目的在于通過優化創新設計組合傳動系統，進一步加強學生對傳動系統的合理布置及優化、傳動效率的提高等的創新設計意識，鞏固學生的機械設計能力與工程實踐能力。
1.4 機械零部件性能試驗
實驗主要內容為：（1）減速器拆裝及軸系結構分析：要求學生正確拆裝各類減速器，畫出軸系結構圖；了解減速器整體結構以及零部件結構特點和作用；測定減速器主要參數，如中心距、齒輪齒數、傳動比、傳動方式、判定輸入、輸出軸；確定斜齒輪或蝸桿的旋向及軸向力；觀察軸承代號及安裝方式；等等。目的在于通過對減速器的拆裝、結構分析和對軸系結構測繪的過程，全面細致地觀察齒輪減速器的整體結構以及零部件的結構特點，并了解它們是如何綜合考慮滿足功能要求、強度剛度要求、加工工藝要求、裝配調整定位要求、密封要求以及經濟性要求的，以達到理論聯系實際，加深關于結構方面的感性認識，為能設計出較為合理的減速器打下良好基礎。（2）漸開線齒輪范成及齒輪參數測定：要求學生用范成法原理加工變位齒輪與標準齒輪；用游標卡尺測定漸開線直齒圓柱齒輪基本參數。通過實驗使學生掌握用范成法制造漸開線齒輪的基本原理；了解漸開線齒輪產生根切現象的原因和避免根切的方法；鞏固并熟悉齒輪的各部分尺寸與參數的關系和漸開線的性質。（3）剛性回轉件的動平衡測試：要求對剛性轉子進行動平衡測試。通過實驗使學生鞏固動平衡知識，熟悉剛性轉子動平衡的方法。（4）滑動軸承性能測試與分析：要求學生測試動軸承的特性曲線、徑向油膜壓力分布曲線與承載量曲線等。目的在于使學生了解滑動軸承的動壓油膜形成過程與現象；了解滾動軸承、滑動軸承的特性、使用場合及各自的優缺點。（5）軸系結構創新設計：要求學生設計一軸系結構并組裝，分析軸系結構設計是否合理，若發現錯誤或是不合理之處，應修改軸系結構設計方案，并重新組裝軸系結構；繪制軸系結構裝配圖。目的在于使學生熟悉和掌握軸的結構與其設計，弄懂軸及軸上零件的結構形狀及功能、工藝要求和裝配關系；掌握軸及軸上零件的定位與固定方法；掌握軸系結構設計的要求與常用軸系結構；了解軸承的類型、布置、安裝及調整方法，以及和密封方式等。
2 充足的實驗課時，促使學生能深入到每個實驗中去
傳統的課程實驗都是依附于課程的，實驗學時往往都很少。如機械原理、機械設計課程實驗總學時為14學時，分兩個學期完成。由于課時少，只能安排一些最基礎的驗證性、綜合性的實驗。在實驗中多以教師講解為主，學生按照教師的指導完成實驗，給學生思考摸索的機會很少?，F在的機械零部件性能試驗課程有48學時，一學年內完成。在設置上增加了一些創新性、設計性的實驗。學生對每個實驗都能充分投入，對實驗儀器、實驗原理等都能充分地熟悉了解，實際動手能力得到提高。在設計性、創新性實驗上也給予充分的思考時間，以激發學生的創新思維。
3 采取以學生為主體、教師啟發指導的實驗教學形式，并以多媒體輔助教學
實驗教學方法采用以學生為主體、教師啟發指導的實驗教學形式。要求學生做好實驗預習，對實驗中一些零部件的作用以及較為復雜零部件搭接方法采用多媒體進行講解演示，使學生快速了解零部件功能，同時增加了學生設計方案的時間。每個實驗都要求學生 自己設計實驗方案，經教師檢查認可后確定方案的可行性和安全性。在實驗中教師給予學生最大的自由度，放開手腳，使學生成為實驗的主人。當學生遇到困難時，教師給以幫助或提示，并引導學生主動查找相關資料，從多角度、多渠道去觀察和思考問題，不斷進行探索和創新。
4 教學實踐效果
兩年機械零部件性能試驗實驗課程教學，已取得了良好的效果：
4.1 充分提高學生學習的積極性和自主性，同時也深化對本專業的感情
傳統實驗以教師講解為主，學生多是在教師的指導下完成實驗，造成許多知識點學生未能完全理解。通過機械零部件性能試驗實驗課程，學生在實驗室的時間大大增加，能充分將理論知識與實際相結合，理論知識得到了鞏固，并促使學生進一步思考與探索。同時對所學專業有了更深的了解，提高了對本專業的學習興趣。
4.2 提高學生綜合運用所學理論知識分析和解決實際問題的能力，同時也激發了學生的創新意識
實驗的設置由簡單到設計性、創新性的過渡，促使每個學生都能投入到實驗中去。通過方案選擇設計、傳動系統優化設計、綜合性能測試等，使學生將多門課程（機械原理、機械設計、控制理論、計算機語言等）的知識或多項單獨開設的實驗合成一項綜合實驗，所學理論知識得到全面系統的復習，同時提高了學生綜合運用所學知識分析、解決實際問題的能力。通過對所設計的方案進行創新優化，能較好激發學生的創新設計意識，充分調動學生的學習創造性。
4.3 大大提高了實驗設備的利用率及實驗室的使用率
實驗學時和實驗項目的增加，讓以前閑置的實驗設備都得到充分利用。同時實驗室也為學生提供了良好的創新實踐活動條件，促使學生積極報名參加各類工程技術創新大賽，并充分利用實驗室的資源進行方案的模擬運行。
4.4 培養學生認真、嚴謹、科學的工作作風和團隊協作精神
由于大部分實驗的實驗條件和方法都由學生自己擬訂，實驗過程中往往會出現理論上可行，但實際做起來困難的情況，有的學生會出現急躁、心灰意冷的狀態，指導教師應給予正確的引導和鼓勵，使其及時調整心態，正確對待挫折，并積極思考。同時也要求學生能分工明確、互相協作，達到事半功倍的效果。通過實驗學生的綜合素質得到提高。
5 結束語
機械零部件性能試驗課程實驗已取得了一定的效果，但也存在著一些問題和困難，如教師的工作量加大、實驗設備的維護與保養等問題。今后我們將不斷進行探索和改革，進一步完善實驗學時設置及教學方法的改革。
參考文獻
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1課程教學的現狀及存在的主要問題
機械設計基礎課程是機械類專業學生的一門重要的技術基礎課，目前該系列課程的設置主要由以下幾大模塊組成：
(1)公差與配合
研究機械設計中是怎樣正確合理的確定各種零部件的幾何精度及相互間的配合關系，研究測量工具和儀器的測量原理及正確使用方法，掌握一定的測量技術。
(2)理論力學
研究質點、剛體的靜力學、運動學及動力學。靜力學研究物體在力作用下處于平衡的規律;運動學研究物體運動的幾何性質;動力學研究物體在力作用下的運動規律。
(3)材料力學
研究桿件材料在各種外力作用下產生的應變、應力、強度、剛度以及導致各種材料變形與破壞的規律;為受力構件提供強度，剛度和穩定性計算的理論基礎條件;解決結構設計安全可靠與經濟合理的矛盾。
(4)機械原理
研究機械中機構的結構組成、運動、以及機器結構的受力和設計。
(5)機械設計
研究通用機械零件能量的傳遞方式、材料、形狀尺寸、方法的選擇與設計。
這些課程設置的目的是為了使學生具有機械設計的初步能力和為專業課程的學習起到鋪墊的作用。但是這些課程理論性強、概念抽象，涉及的基礎理論和知識面廣、系統性強、學時多，如果在教學過程中過分強調知識的系統性和理論的完整性，這種教學模式不能適應高職高專教育對應用型人才培養目標的要求。如果按照課程設置的方式，以教為中心，以知識的傳授為主要目的，可能會出現如下情況：忽視了學生創新意識、創造能力和創造個性的培養，往往學生理論考試成績較高，但實際設計和應用能力不強，這與企業需求脫節;課堂教學與實踐教學環節脫節;重視學習者知識的接受與理解，不重視知識建構和發現的方法;沒有充分發揮先進的實驗技術和網絡在支持個別化學習、發現學習、合作學習以及教學管理方面的巨大優勢。
2課程教學模式探索
2.1學生學習興趣的激發
興趣是學生對學習活動或學習對象的一種積極認識或意識傾向，當一個學生對某門學科發生興趣時，他總是愉快地學習，積極主動獲取知識。但在課堂上學生的注意力的集中時間是有限的，長時間集中注意力會引起他們思維疲勞，甚至厭煩。
針對本課程可從以下來展開學習興趣的激發：
在學生剛剛接觸該課程的時候，首先讓學生明白這門課程設立的目的;對后面其他的專業課程的學習有什么作用;對今后工作中可以用來解決那些技術上的問題。這樣以來學生就會意識到這門專業基礎課程的重要性，從而在學生心目中樹立起該課程在專業知識體系中的重要地位。通過動態的多媒體電子課件，利用現代教育媒體的表現力，給學生一種具有新意的刺激，使學生從原來抑制狀態轉化為興奮狀態，從而提高學生學習的積極性;將書本知識還原于生活實踐，能夠激發學生參與探索的欲望，通過觀察生活中的各種常見機械、機電設備中的動作、工作原理，讓學生找到其存在和應用了那些平面機構，進一步增強學生的學習興趣;通過實例來提出問題，讓學生思考，討論，最后教師進行歸納總結。例如，在講解間歇運動機構時，向學生提問：為什么大家在看電影的時候，總感覺畫面有停頓感?學生開始各種各樣的思考和討論，多數同學的意見是不完全正確的，這時老師再給予正確的引導式歸納總結：為了適應人們的視覺暫留現象，要求影片作間歇運動，所以放映機采用四槽槽輪機構，當傳動軸帶動圓銷每旋轉一周，槽輪相應地轉過90，因此能使影片的畫面作短暫的停留，這樣以來使學生聽了以后興趣盎然。采用這些方法不僅能提高了學生的學習興趣和學習積極性，而且還拓展了學生的思路。
2.2創新能力的培養
創新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不竭動力，而高等學校是培養創新人才的基地和搖籃，因此，在學習專業課程的過程中應不時地培養學生的創新能力。就機械設計基礎而言，以培養學生綜合設計能力為最終目標，以學生能應用所學知識來解決工程中的實際問題為目的，以必須、夠用為度，以講清概念、強化應用為重點的原則來確定本課程的主要內容和體系結構;通過引入現代設計理論和設計方法，以基本知識、原理部分作為基礎，發展平臺，注重設計與制造有機結合、機電液有機結合、理論與實踐有機結合，大膽創新。
在教學及實踐教學過程中，不斷地培養學生的創新意識。通過變傳統的、被動的、低效的實物模型來實現機構及裝置設計為先進的、主動的、高效的可視化CAD三維參數化建模來實現裝置乃至產品的創新設計;帶動學生一起分析如何實現機構及零部件的優化設計，從一些實際的問題入手，來考慮那些部件的結構可以實現優化設計，創新設計，分析新的設計會帶來機械裝置實現其功能方面具有哪些好處;改變傳統的考核模式促進學生創新能力的培養，在學生做課程設計時，讓學生利用所學基本原理對日常生活中的機器、裝置的原理進行分析，通過文獻查閱，加以改進，或者提出自己的想法，并把自己的構思用論文或專利的形式加以表達，發揮學生的自主性和創新能力;在實驗課的講授方式上，著重培養學生的工程實踐能力，讓學生知道某種結構為什么是這樣，動力是否可以通過其他的傳動方式實現。這樣既有助于學生認識事物的本質規律，又使學生的實際能力得到鍛煉;通過開展創新設計實踐活動來提高學生的創新能力，例如，在講授撓性傳動時，給學生提出問題，大家都知道自行車采用了鏈傳動的方式來驅動車輪前進。鏈傳動具有瞬時的傳動比不穩定、工作時有噪聲、易脫鏈等缺點，帶傳動有承載能力不大、彈性滑動和打滑現象的缺點。而它們的各自的缺點都是對方的優點，那么能不能設計出一種撓性傳動方式使得它們的特點得以均衡呢?因此就以此為作業任務讓學生自己去按所學的知識和創新的理念給出它們的設計方案來。教學效果表明，就出現了帶式鏈條比較好的創新方案。于此同時可以結合本課程的教學內容開展機械設計競賽、鼓勵并指導學生參加全國的創新設計大賽。這樣以來學生的創新意識和創新能力將在很大程度上得到加強。
2.3理論聯系實踐的教學方法
從機械設計基礎的課程設置模塊來看，公差與配合、理論力學及材料力學、機械原理這些內容大多為理論性較強的知識內容，而機械設計則是研究機械零件能量的傳遞方式、材料、形狀尺寸、方法的選擇與設計。機械設計部分的特點在于各章內容看似相互沒有關聯，如聯接中的鍵、銷、螺栓、聯軸器;帶傳動、鏈傳動;齒輪傳動、軸、軸承等各類零件，但運用機械原理方法、理論及材料力學知識以及公差配合規則將這些零件匯合才能設計出一個完整的機械裝備。如果在給學生講解理論知識的時候，能將其對應的機械零部件的設計、機器設備中標準件的選擇和應用，讓學生自己通過實踐來完成，真正實現理論用于實踐、實踐鞏固理論，這樣效果將會更好。
以培養學生機械系統方案創新設計能力為目標，以設計為主線，建立理論教學和實踐教學為主體的新教學模式。
該教學模式注重理論與實踐、理論講授與實驗操作相結合，合理地確定課堂和實踐重點，著眼于學生綜合素質的培養。該教學模式提倡學生帶著問題學習的理念，突出以學生為主體的教育模式，以工程設計實例為載體，貫穿教學過程始終，體現學習-設計-再學習-再設計的循環漸進的學習過程。在機械設計基礎課程教學中只有密切聯系工程實際，不斷加強對機構及機器的研究和分析能力，才能更有效地激發出學生的學習興趣，培養和提高學生的設計與創新能力。在教授的過程中通過更新教材內容、增加實踐環節，使理論教學的第一課堂與實踐教學的第二課堂有機結合，相互協調，從而營造理論學習-設計實踐-實驗三維一體的學習氛圍，以培養綜合素質高、專業面寬廣、創新設計能力強的實用性、技能型機械工程專業復合型人才。
1工業工程專業“211”人才培養方案基本框架的設計
1．1“211”人才培養方案的課程設置原則與依據具體說來，本方案的課程體系結構有四部分組成：（1）通識教育領域課程。該領域課程培養學生扎實的自然科學基礎、較好的人文、社會科學基礎，使之具備較高的英語水平和計算機應用能力，掌握文獻檢索、資料查詢的基本方法。這些課程包括軍事理論與技術技能訓練、思想道德修養與法律基礎、基本原理概論、大學體育、大學英語以及計算機課程等。（2）學科基礎教育領域課程。該專業領域課程著重培養學生的專業技術理論與基礎知識；學生分析、解決生產企業尤其是制造企業的生產系統組織與管理問題的能力。這些課程包括高等數學、線性代數A、概率論和數理統計A、大學物理、工程實訓A、畫法幾何與機械制圖、機械原理、機械制造技術、機械設計、理論力學、材料力學、電子電工技術基礎等。（3）專業核心領域課程。該領域課程讓學生了解機械制造學科的基本知識與基本技能，使之具有初步的科學研究、技術開發、技術經濟分析與生產組織管理的能力。該課程包括計算機繪圖、管理學原理、基礎工業工程、運籌學、運籌學課程設計、質量工程、人因工程、生產計劃與控制、物流設施與規劃、物流設施與規劃課程設計、系統工程、生產系統建模與仿真、生產系統綜合實驗、畢業論文（設計）等。（4）專業選修及實踐實習領域課程。該課程包括工業工程專業英語、機械產品三維造型與創新設計、機械CAD／CAM技術、數控技術、現代制造技術、管理信息系統、java語言程序設計、經濟學原理、工程經濟學、市場營銷學、供應鏈管理、項目管理、現代物流學和專業社會實踐等，這些課程旨在培養既具備堅實的機械工程技術基礎、又具備現代企業管理的理論，能為當地經濟建設服務的跨學科應用型人才。
1．2“211”人才培養方案中的素質與專業、課內與課外的關系為了培養學生的認知能力、創造能力和實踐能力，本方案規定學生畢業前除完成規定的課程學分外，學生還必須修讀非本院、本學科開設的通識教育選修課程，完成8學分，其中必須選修體育專項課程等，學生必須修滿課外實踐與創新活動5學分，思政類課程的實踐學分5學分納入自主修習課程考核。其次，“211”人才培養方案重視學生共性的提高與個性的發展。創新是以思想的自由為前提的，個性是學生獨立精神和自由思考能力的表征；如果說通識領域課程和學科基礎教育領域課程是為了實現學生綜合素質的提高，那么專業核心領域課程和專業選修課程則是為了培養學生的個性。
2校企合作背景下的“211”人才培養方案實踐教學要求
為落實“211”人才培養方案，保證工業工程專業取得良好的教學效果，工業工程專業積極聯系校外企業，與之對接合作，采取課程實訓和組織學生到企業實習的措施。
2．1明確實訓大綱，規范實踐教學過程為了使工業工程專業的實踐教學取得效果，“211”人才培養方案采取以下幾種措施：（1）所有的實訓課程都有實訓教材或指導書，這些實訓教材或指導書由本專業的老師集體編寫和修訂，并貫徹實踐教學的各個環節。（2）實訓課前，教師和實訓工作人員必須認真備課，檢查實訓設備、設施的性能和實訓材料的有效性，以保證實訓的正常運行。（3）實訓教師需嚴格管理學生，向學生講明實訓規章、規程和安全注意事項，認真批改實訓報告。對那些違反實訓章程，操作不規范的學生，應該明令其停止實訓；對于不符合要求的實訓報告，教師應該要求學生重做。（4）實訓結束后，教師應該嚴格要求學生撰寫實訓報告，并認真批閱報告，按“優”、“良”、“中”、“及格”、“不及格”5個等級評定成績，將其記入實訓成績檔案。
2．2構建實習管理體系，促進實習效果的提高實踐實習重要性不言而喻，它是促進工業工程專業深化教學改革、提高人才培養質量的重要保證，而且對推進工學結合、校企合作具有重要的借鑒意義。為全面提高實踐教學質量，確保實踐實習取得良好效果，湖北文理學院工業工程專業按照本專業的實踐性特點，制定了實習前、實習中、實習后的一系列管理規章制度，編制了與實習各環節管理相對應的《自主聯系實習單位申請表》、《變更實習單位申請表》、《實踐實習進度表》，以及一系列能夠反饋實習效果的《實踐教學工作評價調查表》、《實習單位意見調查表》和《實習生對實習單位的意見表》等，這些實踐實習跟蹤管理文件對提高教學質量起到了很好的引領與監督作用。
作者：賈利梅單位：湖北文理學院機械與汽車工程學院湖北文理學院省級協同創新中心
關鍵詞：機械原理課程設計；機械系統運動方案設計；機構尺度綜合；機構仿真
《機械原理》是高等工科院校機械專業必修的一門重要的專業技術基礎課[1，2]，《機械原理課程設計》則是使學生較全面系統地掌握及深化機械原理課程的基本原理和方法，培養學生綜合運用所學知識，提高分析和解決工程實際問題的能力的重要實踐環節。
一、問題的提出
我?！稒C械原理課程設計》所選用的設計題目以往多為針對不同類型的連桿機構進行運動分析及動態靜力分析。機構的類型機構及尺寸由教師指定，一般為平面六桿機構。班級各學生所需分析的機構類型或機構的尺寸不同。
隨著科技的進步與發展，對高等教育的要求也在不斷提高。培養具有創新精神和實踐能力的人才，提高工科學生的綜合能力已成為機械工程教育工作者的共識。在此大環境下，對《機械原理課程設計》進行改革，將以分析為主的《機械原理課程設計》改變為“機械系統運動方案設計[3，4]——型綜合——尺度綜合——運動動力分析”的設計型《機械原理課程設計》，勢在必行。
二、設計型《機械原理課程設計》
課題組首次在大三詹天佑班及車輛專業部分學生中試點，進行了設計型《機械原理課程設計》的探索與實踐。
課題組在充分調研查閱的基礎上，選用文獻[5]作為主要參考教材，并自編了與之配套的任務書等教學資料。
1.設計的目的及任務。設計型《機械原理課程設計》的目的在于：使學生鞏固理論知識，并使其對于機械的組成結構、運動學以及動力學的分析與設計建立較完整的概念；掌握機械運動方案設計的內容、方法和步驟，培養機構選型與組合和確定運動方案的能力；培養學生表達、歸納、總結和獨立思考與分析的能力。其任務為：針對某種簡單機器（它的工藝動作過程比較簡單）進行機械運動簡圖設計，包括機械系統運動方案的設計與評定，機構尺度綜合等。
2.設計題目。本次《機械原理課程設計》選擇了“圓盤型自動包本機進本系統”、“水稻插秧機”等六種機械系統作為設計與分析的對象。各個機械系統由多個能夠完成具體工作的機構組成，其各組成機構必須動作協調，方能實現預期要求的功能。教師根據各機械系統所包含的具體工作機構的數目，將學生分為2～4人一組，每位學生在完成所要求的整體機械系統運動方案設計的前提下，還須獨立完成該機械系統中的指定工作機構的型綜合、尺度綜合及其運動分析（動力分析部分為選作）。因此，任意一名學生的工作均需各自完成，不可能“拷貝”他人成果。
3.設計內容及要求。設計型《機械原理課程設計》要求學生根據教師下達的任務書完成：①全組討論及提出兩個以上系統設計方案；②經比較、選優，確定系統最終方案；③每個學生設計分析總體系統中的一個機構；④每個學生對自己設計的機構運用解析法完成機構運動分析；運用解析法選作機構受力分析；⑤每個學生運用軟件選作機構的仿真與驗證；⑥完成設計說明書。
三、《機械原理課程設計》指導方法的改革
1.《機械原理課程設計》前期工作。《機械原理課程設計》為期兩周，為使學生能夠有充分的時間消化理解《機械原理課程設計》的內容，做好先期準備工作，我們提前一周半進行《機械原理課程設計》授課。許多學生聽課后即開始查閱資料，重溫課程設計中所用到的相關先修課程的知識，討論方案，主動找老師答疑等，教師也插空到班級輔導，收到良好的效果。
2.集思廣益，確定機械系統運動方案。各組學生擬定出兩個以上機械系統運動設計方案。所有參加設計型《機械原理課程設計》的六十多名學生一起進行討論，集思廣益，優選機械系統運動方案。具體做法為：每組選派一名學生主講，其他學生補充，借助PPT介紹本組初定的幾種設計方案，指出各方案的優缺點及篩選原因，其他學生提出問題及建議。通過討論，學生對許多概念、基本理論有了新的認識和理解，鞏固了課堂教學中學到的知識，并且各組學生取長補短，相互學習，開闊了思路，對本組原有的設計方案又有了許多新的設想。
3.理論聯系實際，完成機構設計。由于所承擔的任務不同，每個學生必須獨立完成總體系統中一個機構的設計，難度較大。指導教師與實驗室老師一道，帶領學生參觀各類機構模型，演示各類機構動畫，講解各類機構的優缺點及適用場合，一一解答學生的各種問題。指導學生運用solidworks軟件對自己設計的機構進行仿真與驗證。
4.綜合運用知識，對機構進行運動分析和力分析。教師對運用解析法對機構進行運動分析和動態靜力分析進行了較為詳細的講解，對運用solidworks軟件和ADAMS軟件進行機構的運動分析和力分析的方法及常見問題的解決進行了輔導，使得學生在求解機構的運動過程中即“知其然”又“知其所以然”。
5.在課程設計的各環節中強化學生綜合素質的培養。教師在課程設計整個過程中注重對學生查閱文獻、基礎理論知識的掌握、各科知識的融會貫通、理論聯系實際、獨立思考、綜合運用所學知識解決實際問題、動手能力、克服困難、創新意識、團隊協作精神等多方面的能力進行培養，并在對每位學生單獨進行答辯的過程中加以考核。強化了對學生綜合素質的培養，效果較為理想。許多學生感慨，這次課設雖經歷了許多困難，但收獲了知識，獲得了成功的喜悅。
四、結束語
開展“設計型《機械原理課程設計》”，收效明顯：
1.使學生進一步鞏固和加深了對理論知識的理解，并逐步掌握了工科學生應具備的理論聯系實際的學習方法。
2.調動了學生學習的主動性和積極性，使學生動手實踐能力、創新設計能力、團結協作精神和綜合素質得到了提高。
3.促進了師資的培養，教師自身的業務水平得到提高，隊伍得到了鍛煉。
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一、創新機械設計課程體系
在以往的機械設計教學中，一些教師只是對理論知識進行詳細的解讀，忽視實踐練習和對學生創新能力的培養。整個課堂是教師的“一言堂”，教師處于主導地位，一味地向學生灌輸知識。學生作為弱勢群體，只能被動地接受教師的觀點和言論，在課堂上無法發表個人的意見。長此以往，學生的言行中處處有著教師的影子，經常模仿教師的思維方式，使學生的思維被牢牢桎梏，創新能力很難形成。同時，學生對單調、乏味的理論知識往往無法提起興趣，課堂上經常溜號，理論知識掌握不牢，實踐訓練時經常會出現錯誤操作，創新思維無法形成。針對上述情況，教師應轉變教學觀念，更新教學理論，將培養學生實踐能力和創新能力作為教學工作的重點，設計完善的教學組織計劃，對機械設計的相關知識進行系統的歸納和總結，將其以模塊的形式展示給學生，以便學生更好地理解。一般來說，機械設計的理論知識涵蓋產品規劃、技術選擇、方案設計、施工組織等幾方面，每個模塊都可以增加一些創新性的內容，以啟發學生的思路，拓展學生的視野，使其更好地領悟創新的實際內涵。教師要重視知識之間的融合應用，讓學生獨立設計機械部件、機械結構乃至機械系統，通過大量的實踐練習提高學生運用知識的熟練度，為學生創新能力的培養奠定堅實的基礎。
二、調整課堂教學結構
1.使用多媒體技術輔助教學。多媒體技術能將晦澀難懂的知識變得清晰、直觀，適用于無法用語言描述以及構造復雜的零件和系統。通過觀看多媒體課件，學生會對機械的設計原理和運行機制有清晰的把握，聲、形、像的完美結合會給予學生震撼的視聽享受，使其沉浸在教學課件營造的意境之中，對激發學生的學習興趣、提高學生的學習熱情有著重要作用，機械設計的教學效果會更顯著。教師要在機械設計課上加大對多媒體技術的有效運用，制作優良的教學課件，充分地利用課堂時間，讓學生在有限的課堂時間內學習到更多的知識。教學課件的質量在一定程度上會決定教學的效果，教師應該增強教學課件的趣味性，吸引學生的課堂注意力，重視課件的學術價值。2.討論與答疑方式啟發學生。創新是在充分感知的基礎上形成的，需要學生理性認識所學知識，學生對知識的理解比較深入、透徹，才能衍生出新的見解，最終形成創新型思維。教師要經常組織討論活動，先由教師拋磚引玉提出問題，然后學生討論得出答案，最后教師進行總結和深化，以提高學生對知識的理解度。對比較困難的問題，教師不宜直接告訴學生解題過程，而是要為學生提供解決的思路，與以往學過的知識關聯起來，讓學生學會用已學知識解決未知問題，使學生形成系統的知識網絡。教師可以先告知學生最終的結果，讓學生反向逆推解題步驟，訓練學生的逆向思維。在討論與答疑并舉的訓練模式下，久而久之學生會養成樂于動腦、善于動腦的習慣，遇到問題會很快地找到解決的切入點，學生分析問題和解決問題的能力增強的同時，會樹立良好的創新意識。
三、建設開放式的實驗基地
百聞不如一看，百看不如一試。這里的“試”強調動手實踐。學生親自動手，能在實踐中發現問題、分析問題、解決問題。傳統的機械設計教學實驗局限于課程基本原理演示、理論驗證及實驗操作技術的掌握，而且是隨課程開設的，缺乏對學生實驗思路、實驗設計、觀察能力、分析與表達力和創新能力的綜合訓練與培養，特別是缺乏動手實踐能力的培養。在這種教學條件下，學生的觀察能力和動手實踐能力普遍較差，由于實際動手少，自然發現新問題就少，難以調動他們的創造力。學生對獨立分析和解決的問題記憶會非常深刻。學生在學習過程中經常會遇到無法獨立解決的問題，對這類情況教師要加強引導和啟發，通過實踐操作培養學生的觀察能力，增強學生的記憶力。學校可以建設開放式的試驗基地，打造綜合性實驗平臺，為學生提供大量動手實踐的機會，讓學生能夠隨時隨地進行實驗，這樣可以快速提高學生的實踐操作水平。同時，在實驗過程中，學生會總結出適宜自己的學習方法，進而快速消化所學知識，在腦海中形成完善的知識脈絡圖，學生的實驗思路會更為清晰，設計能力會愈發成熟。教師可以設計分層次的實驗教學體系，如基礎實驗、綜合實驗和創新實驗，將學生的實驗成績納入期末考核，提高學生對實驗的重視度，激發學生的創作靈感和創作熱情。為了培養學生的創新能力，教師要盡量帶學生接觸實際，擴大學生眼界，積累和豐富創新設計知識與經驗。
綜上所述，創新性教學沒有固定模式，教師要營造輕松和諧的教學氛圍，采用多種教學方法，積極調動學生學習的積極性和創造性。同時，拓寬學生的知識面，使學生形成合理的知識結構，將課堂教學與社會實踐、科研及各類創新大賽有機地結合起來，以培養學生積極進取的精神和創新能力。
作者:涂春蓮 單位:長沙職業技術學院
參考文獻：
［關鍵詞］機電類專業CDIO卓越工程師教育課程體系培養模式
［中圖分類號］G640［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2013）08-0046-03
一、卓越工程師教育與CDIO的關系
“卓越工程師教育培養計劃”是國家宏觀的培養目標要求，其工作思路是借鑒世界先進國家高等工程教育的成功經驗，創建具有中國特色工程教育模式，通過教育和行業、高校和企業的密切合作，以實際工程為背景，以工程技術為主線，著力提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力，培養造就一大批創新能力強、適應企業發展需要的多種類型優秀工程師。CDIO工程教育理念和培養模式注重培養學生系統的工程技術能力，尤其是項目組織、設計、開發和實施能力，以及較強的溝通和協調能力，體現了當今工程教育的國際共識?？梢?，CDIO人才培養模式和理念與卓越工程師教育培養計劃的教育理念是高度一致的，而且CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，應該作為實現卓越工程師教育培養計劃的重要途徑，也是加入卓越工程師教育培養計劃的基礎。
二、機自專業卓越工程師教育培養要求
機械設計制造及其自動化專業是典型的工科機電類專業，培養卓越工程師正是這類專業教育教學所追求的理想目標。根據近年來專業進行CDIO工程教育改革實踐取得的經驗，開展卓越工程師教育培養模式的探索具有更積極的意義，而且卓越工程師教育對學生的知識、能力和素質的培養要有具體的要求。
1.接受通用知識的基礎教育，具有扎實的數學、物理、化學等自然科學基礎知識，較強的外語和計算機應用能力，較好的人文、藝術和社會科學基礎，初步的經濟管理知識。
2.接受專業基礎教育，較系統地掌握機械制圖、力學、機械設計、電學、機械工程專業基礎領域的基本知識和技能。
3.接受專業基本技能訓練，掌握本專業必須的零件測繪、力學分析計算、實驗、測試、數據分析、文獻檢索和基本工藝操作等方面的基本實踐技能。
4.接受專業知識教育與專業技能訓練，具有本專業領域或方向所必需的專業知識，了解專業領域技術標準，相關行業的政策、法律和法規，了解本專業及相關學科前沿及發展趨勢。
5.接受工程意識與創新意識的培養與訓練，具有綜合運用所學理論、分析解決工程實際問題的能力，能夠參與生產、并具有基本的運行和維護能力，具有進行產品開發和設計、技術改造與創新的初步能力。
6.獲得綜合素質的教育與培養，具有較強的交流溝通、環境適應和團隊合作的能力，具有較好的組織管理能力，具有良好的質量、環境、職業健康、安全和服務意識，具有應對危機與突發事件的初步能力，以及較高的綜合素質和職業道德修養。
三、課程體系改革規劃與實踐
課程體系改革始終是貫徹CDIO工程教育改革理念，落實人才培養方案的具體保證。
（一）調整兩課開設學期，優化課程布局
兩課是標示中國特色高等教育的重要課程，共有356學時，16個必修學分，一般集中開設在大學一、二年級，在限制每學期計劃學時的要求下，一些基礎性課程被迫后延，對學生的工程意識和創新能力培養和訓練非常不利。本專業在CDIO工程教育改革實踐過程中，多方考察、學習，并與學校主管領導和教務處領導多次研究，做出了調整兩課開設學期的重大決定。將兩年完成的兩課主要教學任務調整為四年完成，即每學年開設一門政治哲學類課程，保證兩課四年不斷線：大一第一學期開設 “思想道德修養與法律基礎”，大二第一學期開設“中國近代史綱要”，大三第一學期開設“基本原理”，大四第一學期開設“思想和中國特色社會主義理論體系概論”。在兩課教學過程中，可以通過課程內容的改革，重點教育和培養學生的職業道德和社會責任感。在大三、大四學年開設政治課更有利于準備考研的學生學習和復習，大二調整兩課余出的學時由技術基礎課來遞進填補，優化了課程布局，為學生開展創新訓練提供了專業基礎，更有利于專業培養目標的實現。
（二）公共基礎課程體現工程應用意識
英語課分層次教學，入學即可參加大學四、六級考試，通過者可以進入專業實驗室接受工程意識和創新能力訓練。
數學課教學內容與方式改革，在講述數學知識的過程中，啟迪學生的數學思維方式，教會應用數學理論進行工程建模的方法，數學中的實例應該以機械工程的具體對象為目標，使學生體會到學以致用的感覺，激發其學習興趣。
大學物理課教學內容與方式改革，在講授物理知識的基礎上，傳授和訓練進行物理實驗的基本方法、基本技能，訓練觀察現象與數據分析的能力，為工程實驗奠定基礎。
（三）技術基礎課程培養工程意識
在大一第二學期新增開設機械工程導論課程，介紹機自專業的培養目標、教學計劃、學科發展、工程案例，為學生提供一個開發產品、裝備和系統的理論知識與工程實踐的基本思維框架；勾勒出一個工程師的任務和職責，以及如何應用科學知識來完成這些任務的思維方法；并有意識地引導學生培養必要的個人能力和人際交往能力；進行學為所用的工程意識的啟蒙教育。
改革機械制圖課程體系，增加三維圖形教學內容，將獨立開設的零件測繪教學環節融入機械制圖理論課的進程中，理論與實踐應用綜合在一起，同步進行，初步培養學為所用的工程意識。
機械原理和機械設計課程體系改革，將獨立開設的機械原理課程設計和機械零件課程設計教學環節調整到對應的理論課學期，將課程設計內容與理論課內容綜合在一起，同步進行。在機械原理或機械設計理論課開始之初，將課程設計的任務布置給聽課學生，并要求理論課程結束時完成課程設計任務。教師講授理論課時始終關注課程設計內容，督促和指導學生完成所講相關內容的課程設計任務，使學生邊學、邊練、邊用，理論緊密聯系實際，不斷建立學為所用的工程意識。機械原理與機械設計課程與原培養計劃比較，分別提前1個學期開課，以便為后續專業基礎課提供前期知識。
（四）專業課程增強實踐能力訓練
專業課程的改革方式是減少專業課的理論授課學時，大幅度增加實驗、實踐訓練學時，盡量將CDIO理念貫穿于課程教學中。根據培養目標、對主要課程及學時比例進行了綜合調整，構成如表1所示，其中單片機原理及應用、井下作業設備與工具和海洋石油裝備概論為新增課程，目的是增強機電基礎和突出石油特色；合計增加100個實驗學時、88個理論學時。取消了獨立的專業英語課程，設置兩門以上的專業課程采用雙語教學，從而保證學生專業外語應用水平；專業英語（64學時）和思想和中國特色社會主義理論體系概論（96學時）后置余出的160個必修課程學時基本平衡了增加的專業課理論和實驗學時。
表1課程改革新增實驗學時課程列表
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（五）課程設計實施CDIO模式
“機構分析創新設計”和“機電一體化系統創新設計”是東北石油大學機械設計制造及其自動化專業參加教育部CDIO工程教育改革試點，實現“卓越工程師教育培養計劃”的目標，為培養本專業學生的個人、人際交往和團隊合作能力，產品、過程和系統的設計、建造和控制能力，而分別在大二和大三短學期新增設的2個理論與實踐相結合的教學環節。目的是為學生逐步獲得優良的工程素質和綜合能力（學會求知、學會做人、學會做事、善于合作）奠定基礎。
每個班分成6~7個設計小組，每個小組獨立承擔一個設計題目，由4~5人組成，自選組長，組長負責設計小組任務分配、組織管理和工作協調。每個小組提交一份設計報告和每個小組成員的個人工作過程記錄（手寫），并進行ppt匯報答辯。機構分析創新設計提交的設計報告包括：設計分析說明書、CAD 設計圖紙；機電一體化系統創新設計提交的設計報告包括：設計分析說明書、CAD 設計圖紙、控制原理圖、電氣回路圖、程序設計圖。
課程設計的考核方式進行了如下探索：
1.組長給定本設計小組成員的個人貢獻或成績排序。設計小組組長根據小組同學的個人貢獻、合作表現，按分差不小于2分給出小組成員個人成績，或給出小組成員成績排序。
2.指導教師組成的答辯組評定設計小組成績。答辯組根據每個小組設計總結報告撰寫的質量（結構層次、語言表達、分析計算、撰寫規范）；設計圖紙的質量（圖紙完整、表達正確、符合規范）；答辯過程表現（匯報講述、回答問題、PPT質量）等項目按百分制綜合給出該組設計的綜合成績。小組的答辯綜合成績為小組成員的個人成績中間值偏上。
3.指導教師還可以根據設計小組每個同學的平時表現（出勤情況、工作態度、提問情況）調整個別同學的個人成績，更好地維護公平性。
4.學生自評與團隊成員互評可以調整小組組長給出的成績排序偏差。小組成員自評主要考核學生的誠實性；團隊成員互評主要考核學生的公正性和團結互助精神。
（六）畢業設計實施CDIO模式
大四第二學期全部進行畢業設計，將畢業設計從13周延長至18周，有利于完整系統地實施CDIO工程教育模式。
在畢業設計的準備、進行和總結的全過程中，對各個環節都進行嚴格把關。首先在選題上，采取指導教師申報題目，然后由教研室從中優選確定，保證工程實際設計題目占到80%的比例。將確定好的設計題目下發給學生，使學生有很大的選擇權利，在個別嚴重沖突的題目上，由教研室做適當調整。這樣做，能夠激發學生的興趣，提高學生對畢業設計的積極性。
學生在畢業設計過程中，把幾年中所學的理論知識綜合應用于工程實際，不僅鍛煉了他們分析研究問題的能力，而且增強了他們的工作責任感，從而使他們投入更多的精力；遇到疑難問題，指導教師能及時地給予啟發，并與之研究、討論，激發他們的創新意識。對于常出現的問題事先講給學生，使其自檢、互檢，有問題及時修改，爭取交出一份質量較高的畢業設計答卷。
在畢業設計的最后階段，教師根據畢業設計的任務書對設計圖紙嚴格審查，杜絕在答辯時出現“設備無法安裝、機構不能轉動、機件互相碰撞、工件不能加工”等原則性問題。隨著畢業設計的完成，多數學生基本掌握了進行工程設計和解決工程實際問題的方式和方法，并培養了創新意識，已具備直接服務于生產與工程建設的能力。在教師嚴格要求、認真把關下，學生完成較好的畢業設計可以直接轉化為生產力，經過近兩年的統計，學生的畢業設計經修改后直接應用于工程實際生產的占18%左右。
四、CDIO實踐總結
2010年機械設計制造及其自動化專業代表東北石油大學成為教育部CDIO工程教育模式第二批試點院校。經過多年的實踐探索，機自專業基于CDIO教育理念的人才培養模式已經逐步形成，對專業培養目標、培養方向、教學計劃、課程教學大綱、實踐環節教學大綱、課程教學體系等進行了卓有成效的改革與建設。
東北石油大學機械設計制造及其自動化專業已經分別在機自07級、08級、09級的部分課程和環節逐步開展了CDIO工程教育模式的探索性實踐，完成了機電一體化原理及應用、數控加工技術、電氣控制技術、液壓與氣動、機械控制工程、石油鉆采機械等課程為載體的CDIO三級項目實施試點工作，都取得了預期的效果，并獲得了良好的經驗；機自2010級、2011級的人才培養方案已經融入了CDIO理念，并根據調整后的課程體系有序地進行全面實踐和總結；機自2012級、2013級的人才培養方案在CDIO實踐基礎上又加入了卓越工程師培養計劃的新要求，正在進行著初步的實踐探索。
CDIO工程教育模式的廣泛實踐有效促進了本專業大學生創新創業訓練計劃和科技創新活動的開展。在創新實踐活動中，學生明確自己的發展目標，積極性、主動性非常高， 2010~2013年本專業學生承擔或完成 “國家大學生創新創業訓練計劃項目”15項，發表科技論文10篇，獲得以“挑戰杯”為主的科技競賽獎勵30余項。
五、結束語
東北石油大學機械設計制造及其自動化專業在CDIO工程教育改革實踐過程中不斷探索和總結，逐漸積累了一些工程教育改革的經驗，基本建立起CDIO工程教育的實施環境，為培養一批工程意識好，實際工作能力強的優秀學生奠定了良好的基礎。同時，我們也在實踐中漸進性地理解卓越工程師教育培養計劃的內涵，并逐步明確：CDIO工程教育與卓越工程師教育培養計劃的理念是一致的，卓越工程師教育培養計劃是宏觀指導方針，CDIO是具體實施模式和重要基礎。
［參考文獻］
［1］顧佩華,包能勝,康全禮,等.CDIO在中國（上）［J］.高等工程教育研究，2012,（3）.
［2］吳恭興，劉文白，張寶吉，等.基于CDIO模式的卓越工程師培養方案的探索與實踐研究［J］.大學教育，2013,（9）.
[關鍵詞]機械結構；設計方法；設計原理；智能化
中圖分類號：TH111 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）25-0175-01
一、引言
從18世紀以來，機器逐步代替人力勞動，用于做功或轉換能量。做功的機器不僅大大提高了勞動生產率，而且很好地保證和提高了產品的質量。由于機器實現的能量轉換，人們發明了多種多樣的工作機械，提高了人類的生產水平，改善了自己的生活條件。機器的設計是由具體的機構物化為實體的產品，以提供用戶所要求的使用功能。因此，機械的結構設計是產品設計的重要一環，在機械設計課程中，機械結構設計也是非常重要的教學內容。在機械結構的設計中，應“勤于學習、善于思考、勇于探索、敏于創新”，以偉大的接納之胸懷學習前人成果，并以開拓的精神實現偉大的創造。機械結構的設計不是具體案例的機械堆砌，而是有其內在的知識基礎、設計的方法和物理原理。本文擬從機械結構的設計方法和設計原理兩個方面，討論機械結構設計的內在知識和結構創新的基本途徑，但本文不討論機械制造工藝性對機械結構的要求。
二、機械結構設計的方法
1.經驗設計。從現代科學誕生以來，機械科學與技術已有300年的歷史。機械的連接結構、傳動結構和支撐結構等已經積淀有汗牛充棟的實踐案例，但如何掌握這些案例的基本原理和設計方法，而不是記憶這些案例的具體結構設計，這是經驗設計中的關鍵。具體的產品設計，例如車床，其結構設計可以參考前人的設計圖紙，這對于提高設計效率，汲取前人經驗、避免犯前人的錯誤具有實際意義。通過借鑒前人的經驗，可以吸收他人的結構創新方法，同時也拓寬了自己的設計思路。隨著機械結構數據庫的出現和搜索方式的更新，對他人的相關結構設計的學習將更加方便。經驗知識是結構設計的寶貴財富，也是公司的知識資產。通過對國內外同類型專利知識的學習，也是一條提升自己結構設計能力的途徑。另一方面，要注意避免侵犯他人的知識產權?！肮湃藗飨聛淼膶W問，就是裝在船里的貨物?，F在的新潮流、新趨勢，就是行船的風?！痹趯W習他人的結構設計創新點的基礎上，設計者應有自己的革新與發明、自己的創造。
2.理論設計。機械結構設計的理論方法，討論的是機械結構設計的理性方法，具體的有：模塊化和組合化設計、復合化設計、分級結構設計、載荷均布性設計和變結構設計。隨著結構優化、結構可靠性和概率設計等方面的發展和具體應用，機械結構的理性設計方法也在不斷的推陳出新。
模塊化和組合化設計。一臺機器總體是由提供不同功能的結構單元有機的組合而成，因此模塊化的以及模塊之間的組合化就是早期的方法之一。在復雜的機電系統和設備中，模塊化和組合化的設計理念是有效的結構設計方法，同時也是機械制造的方法之一。例如，組合航空母艦的設計概念；我國的組合化機床的設計在上世紀70年代就已經取得了很大的成功。模塊化和組合化，一般是按功能單元、結構單元來劃分模塊，然后組合起來成為一臺機器。
復合化設計。復合化的基本特點就是將兩個或兩個以上的功能零件組合成一個部件或構件來設計，其功能可以是運動功能、承載功能等。例如，組合凸輪結構的設計就是將兩個凸輪設計成一個零件；一根連桿在組合結構中同時作為兩個或兩個以上機構的結構件。復合化方法可以降低機械的制造成本、減輕機器的重量、縮小機器的尺寸和降低產品的成本。
分級結構設計（層次化設計）。復雜的制造設備是由分級的機械結構組成，大功能層次的結構是由若干個分功能結構組成。層次化不僅是功能樹結構的要求，而且也是制造工藝對結構設計的要求。例如，床頭箱由多個輪系組成，而每個輪系又由次一層次的系統組成。復雜機電產品的設計，例如組合挖掘機的設計，集推土機和挖掘機的功能在一起，而共用一個動力系統，在執行系統處分開。層次化結構設計方法在構想分級結構階段，能夠幫助設計者厘清思路，從而找出結構設計的關鍵點，集中解決結構設計中的難點問題。
載荷均布性設計。由于機械結構設計的特點，希望載荷分布均勻，充分發揮材料的機械力學性能或者取得降低最大載荷的目的。例如，修形齒輪的設計、對數滾子的設計，為了取得接觸應力的均布，從而修形零件，實現結構的優化設計。行星齒輪減速器的設計也體現了載荷均布性的設計理念，從機構運動學來看只需一只行星齒輪；然而從受力平衡、承載能力和提高齒面的抗磨損來說，三只行星齒輪的結構設計更好。
變結構設計。機械結構的創新常常采用變結構的方法，變結構可以改變機械結構的功能，例如，非圓連接形式的成形連接、曲柄滑塊結構設計變為轉動導桿結構設計。變結構可以改變實現功能的形式，例如徑向柱塞泵和軸向柱塞泵的設計。變結構也可以降低機器的設計成本，例如利用死點的桌面支承設計。
3. 模型試驗設計。相似模型試驗設計?；跈C器物理模型的相似，運用相似科學理論，對于大型的機器設備進行模型試驗設計。通過模型結構設計和試驗分析，獲取機械結構的可靠性、并預測機器的工作性能。模型相似的設計方法已在工程領域有廣泛的運用，例如大型水輪機組的結構設計。通過制造大型水輪機組的模型，測試試驗模型的工作性能以及其可靠性等指標，優化水輪機組的結構設計和工作能力。機械結構的設計方法不是一成不變的，而是隨著人們的發明和新的科學原理的發現，在日新月異地發展，不斷出現新的機械結構設計方法，同時對前人的機械結構設計進行革新。
三、機械結構設計的原理
機械結構的設計必然要依據技術科學的原理，例如：理論力學原理、材料力學原理、彈性力學原理、疲勞力學原理、流體力學原理、熱力學原理、摩擦學原理、聲學原理、智能原理和一切可能的新物理原理。這里討論以上各種原理在機械結構設計中的應用，以期總結機械結構設計的常用原理，討論機械結構設計的原理在今后結構創新設計中的可能性。
理論力學原理。理論力學是機構設計的基礎理論，對于機器的運動學和動力學分析，得到的結構必然反映到機械結構的設計中來。例如，軸承轉子系統動力學的設計，其動力學及其穩定性的設計，要求修改軸承的設計和軸的鋼度設計。
材料力學原理。機械零件的強度和鋼度設計是基于材料力學理論的，強度或鋼度不足時，就需要修改零件的結構設計。例如，齒輪輪齒接觸強度和齒根彎曲疲勞強度的設計，當齒面接觸強度不足時就要求增大小齒輪的分度圓直徑；當齒根彎曲強度不夠時就要求增大齒輪的模數。
彈性力學原理。彈性力學分析是零件應力應變計算的基礎，例如滾動軸承中滾子修形的設計，基于彈性力學的接觸分析，確定滾子的修形曲線和修形量。在機械零件的結構優化設計中，常常用到彈性力學理論。
本文從機械結構的設計方法和設計原理出發，分析了機械結構設計的基本知識和設計準則。毋庸置疑，機械結構的制造工藝性對機械結構設計有重要的決定性。筆者認為，今后的機械結構創新中仿生設計和智能化是發展的重要方向。
參考文獻
1.1工業設計的發展歷程。
工業設計伴隨工業革命而得到迅速發展，按照工業革命的發展程度，一般可分為三個階段，一是蒸汽革命階段。十八世紀末蒸汽機發明促進了第一次產業革命的到來，進而產生社會分工，有力促進了傳統手工藝轉向工業設計方向發展。二是電氣革命階段。該階段更系統地發展了工業設計理論，而且，與日俱增的人對工業設計加深了解，使工業設計的傳播更為廣泛。三是電氣革命后，各國對科技都非常重視，先進設計制造技術的發展更為迅速。工業設計緊密結合了先進技術，相得益彰，設計生產的工業產品具有較強的外觀性、人文性、環保性、功能性、創新性等，這些因素對于消費者產生積極的影響。各國企業也逐漸提高面向產品的工業設計，不斷增加人財物的投入力度，工業設計水平不斷提高，市場競爭力不斷增強。
1.2國內工業設計的發展。
因受歷史發展等影響，國內工業設計的發展相對與國外較晚且發展不快。一般可歸納為以下三個發展階段，一是“拿來主義”，也就是引進國外先進經驗并進行復制，幾乎不存在設計元素。二是“鸚鵡學舌”，也就是引進國外先進經驗并進行模仿，盡管很多地方存在引進國外的影子，但也具有一些獨特之處。三是“創新設計”，也就是將引進的國外先進經驗進行學習分析并再次創新，企業重視利用創新設計使產品核心競爭力不斷提高。隨著近年來我國外貿出口逐年增加，面臨的經濟糾紛也日益增多，引發企業高管日益關注工業設計，并相繼投入資金用于工業設計的發展。國內很多大學也相繼舉辦工業設計專業，培養高水平工業設計人才。
1.3工業設計特點。
工業設計的特點比較突出，一是在學科知識方面具有綜合性。工業設計一般被認為是從事外形設計，并將其與重復的機械勞動、嘈雜臟兮的環境等相聯系。但是工業設計不只是工業產品設計，還能解決“人－機－環境”之間的各類問題，具有較強的綜合性、有機結合技術與藝術的一門學科，涉及的學科涵蓋機械、物理、化學、市場學、美學、社會學及心理學等多個不同領域。二是學科知識的實踐性與應用性都很強。利用設計創造，為人民群眾生活提供具有合理性的生存方式，使生活具有人性化、便捷、個性化等特點。三是學科的時代性很強。不同時代的要求不盡相同，目前工業設計需要符合綠色環保、健康節能等設計要求。
2機械設計制造技術
機械工程中機械設計與制造技術是十分重要的內容，是其機械性能的最重要決定因素。隨著信息技術的發展，新的機械設計制造方法不斷出現，諸如基于數學規劃理論與計算機程序而建立，利用數值計算優化設計方案，使期望指標實現最優化的方法；利用結構離散化，采用有限個相互連接并進行分析的單元節點，依據變形協調條件對有限元進行綜合求解的設計方法；在規定條件及時間內，規定功能可完成的可靠設計方法；利用虛擬現實與仿真技術，對產品設計、制造等全過程進行模擬，并預測評估技術數據與性能指標的虛擬制造技術；采用目前主流智能制造、綠色制造、納米制造、個性制造等技術，隨著新的設計制造技術的廣泛研究應用，將會對世界經濟發展起到重要促進作用。
3工業設計與機械設計制造技術之間的關系
3.1機械設計制造技術的作用。
工業設計學科具有綜合性，涵蓋科技、藝術等多個領域知識。工業設計的先決條件就是科技，產品生產應與科技要求相符，違背客觀規律的任何設計都無法實現。很多工業設計具有完善的功能，美觀的外形，備受人們喜愛，只是與設計制造客觀規律相違背為略有遺憾，難以在力學、結構及制造等方面實現。因此機械設計制造技術作為關鍵的工業設計技術，應基于對機械工程基礎知識的深入理解而開展工業設計，確保產品遵循客觀規律與基本原理，工業設計人員充分利用自身專業優勢，在結構、色彩及外形等方面易于用戶廣泛接受。
3.2工業設計的重要作用。
在機械設計制造技術中，工業設計在人機工程學具有重要作用。設計理念基于人的自身，綜合各方面因素而進行科學判斷。結合人機工程學特點有機結合消費者、產品及其使用者開展相關研究，不只是關注個別要素。目前應用的各類成功產品，都具有人機工程學設計理念。
3.3工業設計與機械設計制造技術相結合的應用。
工業設計與機械設計制造技術各有優勢，將其有機進行結合才能使企業產生更顯著的經濟效益，進而使其綜合競爭力得到提高。目前很多國內中小企業，因財力、時間等因素所限，其工業產品設計方法與制造技術還相對較為落后，政府資金投入不足，激勵措施有待于進一步完善，使工業設計的發展處境艱難。因此要采用必要的行政手段調節市場經濟，利用政府干預促進工業設計健康發展，從而轉變設計理念，積極拓展綜合性合計人才的培養方式，成立專業研發中心，培養更多的高層次工業設計專業人才。
4結語
“機械原理”是工科院校機械類專業的一門重要的技術基礎課，它在整個專業教學計劃中起著承前啟后的作用。它既有豐富的基礎理論，又有一定的工程知識，而且包括著應用基礎理論知識解決工程實際問題的一系列獨特方法。它不僅提供了分析機械的基本原理與方法，而且還可以利用這些原理和方法來創造、設計新的機器。但它既不能代替專業課來講述一部完整的機器設計過程，也不能像理論基礎課那樣強調其理論嚴密性、完整性與抽象性。機械原理研究的問題本身都是工程實際問題，它直接為生產實踐服務。在“機械原理”課程教學中只有密切聯系實際，才能激發學生的學習興趣，增強其對機構及機器的研究與分析能力，最終提高學生設計與開拓創新的能力，以達到提高學生的整體素質的目的。
二、創新思維與教育培養
創新思維與一般思維的不同點主要在于它具有新穎性、獨創性及突破性。創新思維是一種很復雜的思維活動，它具有兩個特征：它是邏輯思維與非邏輯思維（形象思維、直覺、頓悟、靈感）的統一；是擴散思維和集中思維的統一。創新是通過抽象和概括反映事物的本質與規律的思維活動，然而伴隨著這種思維往往有強烈的探索動機，經歷存疑、假設、推理、頓悟和驗證的各個階段，最后達到對事物的進一步認識，而解決以前沒有解決的問題或獲得以前沒有的某種新事物，因而表現出創新性。
創新是選擇，突破與重新構思三個過程的結合，創新不是無中生有，而是有其生長點，或是從現有機構中進行研究、摸索、通過分析、類比選擇出基本雛形，或是以設計者的創新構思作為創新生長點，進行突破與重新構思，實現創新設計。由于創新比較接近推展、衍生的，是建立在從前現存成果上的，因而對于高等教育者，培養學生的創新思維則具有較好可操作性。
現代教育存在的問題之一是，教育者往往將教授的內容講解得詳細而貼切，但學生仍是遇事問而不思，最終導致課堂“填鴨”的大部分知識將會在很短的時間內被遺忘。實際上，引導學生進行主動的創新思維過程，就是使學生扎實掌握事物的本質和基本規律的過程。如果現代教育者能夠重視這一過程，那么學生所學到的知識將不再是僵化而機械的。他們將很快能夠領會、掌握事物的實質，進而在這一知識領域舉一反三，游刃有余。
三、課程教學與創新思維培養
要想培養與訓練學生的創新能力，首先，教育者要拋棄把所有的知識都要在課堂上灌輸給學生的想法，“授人以魚，不如授人以漁”。機械學的有關知識越來越多，越來越新，教育者要想把所有的知識都教給學生，這是非常不現實的，只有通過啟發、誘導和提示，激發學生的興趣和熱情，培養學生主動獨立思考的意識和能力，這樣才能夠教給他們真正的知識和技能。第二，一定要避免孤立的講解各章節的內容，教育可通過歸納、比較各部分內容使知識成為一個有機整體，更易于掌握鞏固。第三，向學生介紹一些創新思維方法，并結合課程的有關內容，訓練學生的創新思維，鼓勵學生減少思維“約束”，增大思維“自由度”，把傳授知識與培養優良的思維品質結合起來。第四，教育者要緊跟現代機械的發展方向，隨時注意發展前沿的新熱點，不斷充實和豐富教學內容，尋找激發學生興趣的新觀念、新事物、開發學生的機械創新思路。在教學實踐中，這些嘗試都取得了較好的效果。
四、采用多維一體教學手段，激發學生創造性思維，開闊學生思路
在教學手段方面，運用實物、模型、錄像、參觀工廠、CAI課件、網絡課堂等多維一體的教學平臺，調動學生的學習興趣，營造積極向上的學習氛圍。同時，還應建立機械原理課程的多媒體專用教室，配置機械模型系列陳列專柜。這樣學生課堂上認真聽講，課下自己動手操作，使學生有現場操作的體驗，增加了課堂教學的信息量，提高了教學質量，激發了學生創造性的思維。
在所有機構講授完后，通過對各種機構進行綜合性的比較、總結、并且誘導學生進行機構的組合設計。如在講到串聯組合方式時，前置子機構若為連桿機構，引導學生思考后置機構有哪些，學生自然想到學過的連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、槽輪機構、棘輪機構。在課堂上拆卸一些玩具，讓學生看到其原理，使學生恍然大悟，原來認為“深不可測”的玩具，居然都是用機構原理中一些簡單機構組合成的。如由凸輪機構組成的小熊打鼓，曲柄搖桿機構組成的蜻蜓撲動翅膀，曲柄搖桿組成的電動飛馬等，開闊學生的思維。
五、加強實踐環節，注重學生綜合能力的培養
1.加強實驗課環節
機械原理實驗課是重要的實踐環節。總的課時雖然減少了，但實驗課不應削弱。通過學生親自做實驗，不但加強了學生對機械的感性知識，加深了對基礎概念的理解，體驗到用理論聯系實際的學生方法，而且培養了學生運用實驗方法研究機械的能力，提高了學生動手和解決問題的能力。
2.加強習題討論課環節，注意引導學生掌握正確的學習方法
機械原理課是工科學生掌握機械類工程學科學習方法的“開山石”，其學習內容，方法和要求均與基礎課不同，死記硬背和套用公式的習慣性方法已完全不適用。習題討論課是結合典型題目以討論為主來進行做題。所謂討論，就是教師根據學生在學習該章節時暴露出來的問題，加以歸納、整理以提問的方式讓學生來回答，而且大量的問題由學生之間相互進行討論。教師要結合題目準備好問題，啟發學生自覺發言從中抓住癥結所在進行分析討論。通過習題討論課可引導學生積極思維、主動分析、開發思維，以培養學生舉一反三、觸類旁通的能力。
3.加強課程設計環節
課程設計是本課程教學的最后一個環節，也是最重要的一個環節。通過做課程設計學生除了加深鞏固和綜合應用所學的理論知識外，還能使學生受到確定運動方案的初步訓練，進一步提高使用技術資料、運算、繪圖及應用計算機的能力。課程設計應以開發學生智能為主，強調機械系統的運動方案確定，機械運動方案的設計是整個設計過程中培養學生創造性設計能力和獨立工作能力的關鍵性環節，它把課堂教學中學到的各自成章、彼此孤立的各種機構根據其不同點和應用場合有機地綜合運用于具體設計中去，從根本上培養鍛煉了學生從全局的觀點綜合考慮設計問題的能力。
六、結束語
【關鍵詞】工作過程；機械設計基礎；教學改革
機械設計基礎是機械類專業學生的專業基礎課之一，該課程將機械原理與機械零件兩門課的內容有機地結合在一起，其任務是使學生掌握常用機構和通用零件的基本原理和基礎知識，使學生具有初步分析、設計和應用的能力，培養學生解決一般工程問題的能力，為培養高素質技能型人才奠定基礎。
1.課程傳統教學中存在的問題
在機械設計基礎教學的過程中發現，由于該課的教學特點與學生之前接觸到的課程有較大的差異，所以學生學習起來比較困難，且學生在該門課程的學習過程中學習的目的性及學習興趣不強，教學效果不佳。主要原因是傳統的教學模式中，該課程的教學活動與學生所學專業特點沒有結合起來，使學生感覺這門課程與今后所學專業沒有太大關系。即使教師不斷提醒學生課程重要性，但學生因為對本專業的機器缺乏感性認識，所學的知識又不能在他們以往的生活和生產經驗中得到印證，因此學生學習的興趣不高，學習的積極性和主動性不夠。針對于這種現象，在教學過程中改變傳統的、單純的、章節式的教學模式，而以能力的培養為主線來設計教學內容，采用典型的工作過程來設計教學，并將工作過程進行任務分解，以任務驅動來完成教學，達到教學的目標與要求。
2.教學改革的內容
本次教學改革主要針對于我院數控技術專業，因是初次改革，為便于比較，所以只選了數控技術專業3個班中的其中一個班為教改對象。
整個教學圍繞著設計一個帶式運輸機的工作過程來進行（因帶式輸送機的工作過程涉及到機械設計基礎課程中絕大多數的基本知識），然后將這一典型的工作過程分解成7個模塊，每1個模塊以機構或零件的設計為載體，完成1個獨立的子任務，而這些任務教學的重點、難點及教學目標與機械設計基礎各個章節的教學目標相吻合。在開課之初，對學生進行分組，每3個學生分成一組，將任務布置給學生，每組學生每學完1個教學模塊，就要完成帶式運輸機的設計中的1個部分， 這樣學生在任務的驅動下帶著問題學習，明確了學習目的，也變被動為主動，使教師的教學內容上重點突出，教起來有的放矢。
3.教學改革的成效
本次教學改革得到了機電系相關領導及教師的支持，但因本次教學改革屬初次，所以只針對于個別班級進行，并沒有在整個數控專業展開。但從改革的效果來看，還是比較顯著，主要表現在以下兩個方面：
（1）與未實施教學改革的班級相比，實施教學改革班級學生機械設計基礎課程的學習成績普遍提高。因為學生在學習的過程中目標明確，學習的主動性和積極性普遍提高，課下找老師答疑的同學明顯增多。由于課堂學到的理論馬上用到了課程設計的實踐中，提高了機械設計基礎課程的教學效果。期末考試，在題目相同的情況下，實施教學改革學生成績普遍提高，不及格率大大下降。
（2）學生對所學知識的綜合運用能力得到提高。教師在教學中不僅講解零件的強度設計，還結合課程設計介紹零件的材料選擇、精度要求、圖紙表達等內容。使學生在設計這些零件時不再一頭霧水。通過設計典型的零件，如軸和齒輪等，使學生的綜合分析能力、選用公差和繪圖能力等都得到了提高。
4.結束語
教學實踐表明，本次在機械設計基礎課程中采用具體的工作過程的教學模式改革是提高教學質量一種有效的措施。但因初次改革，時間比較倉促，所以并沒有脫離原教學的目標和任務，而是在保證原教學目標和任務的基礎上，通過將具體的工作過程進行任務分解，以任務驅動式教學，提高學生學習的積極性，保證教學質量。而且，本次教學改革只是實驗性的針對于個別班級進行的，并沒有在整個年級或者在該門課程的教學中展開，雖然改革取得了一定的成效，但從授課的過程來看，學生完成每個任務所需的時間比較長，單純依靠課上時間遠遠滿足不了要求，需要占用大量的課余時間?；诖?，對于該門課程從教學的目標和任務、教學內容、學時的安排、教學方法以及涉及到教學的各個環節等方面還都需要優化。
【參考文獻】
[1]翁蓉，陳進武，曹軼杰.高職高專機械設計課程教學改革研究.科技信息，2010，（23）：307-308.
