機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)等課程是工科院校機(jī)械類專業(yè)必修的重要專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)學(xué)員機(jī)械綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力所需的知識(shí)結(jié)構(gòu)中占有十分重要的地位，具有很強(qiáng)的基礎(chǔ)性、工程性和應(yīng)用性。但是，筆者在長(zhǎng)期的課程教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，針對(duì)如此重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣在逐漸減退，教學(xué)效果不盡如人意。

　　摘要：隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的手工理論機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算方法在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用受到較大影響。如何在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)中引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，以及如何改革相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法是迫切需要研究和解決的問(wèn)題。本文針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)中運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行一些探索和分析。

　　關(guān)鍵詞：職業(yè)教育論文,機(jī)械設(shè)計(jì),現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,課程教學(xué)

　　雖然這一現(xiàn)象的發(fā)生可能有多種因素，但是，其中一個(gè)重要因素?zé)o疑還是教學(xué)內(nèi)容陳舊，尤其是其傳統(tǒng)的機(jī)械理論設(shè)計(jì)計(jì)算方法的教學(xué)與實(shí)際工程實(shí)踐要求相脫節(jié)，不能適應(yīng)時(shí)展的要求。這使得學(xué)員在學(xué)習(xí)中感受不到專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的有用性，感受不到該課程對(duì)其提高設(shè)計(jì)能力有多大幫助。如何使機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)適應(yīng)時(shí)展要求，筆者認(rèn)為，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的迅速發(fā)展和普及給課程教學(xué)改革開辟了新路。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法引入機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程，教學(xué)作用明顯，對(duì)提升學(xué)員的綜合設(shè)計(jì)能力、培養(yǎng)他們學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)課程的興趣和積極性均起到較好效果。學(xué)員在課后學(xué)習(xí)感想中寫道：“機(jī)設(shè)課讓我有機(jī)會(huì)體驗(yàn)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的魅力，使我對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了興趣，激發(fā)了我的學(xué)習(xí)熱情，以及通過(guò)實(shí)踐帶動(dòng)課本理論的應(yīng)用得以體現(xiàn)。”

　　1傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

　　（1）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用脫節(jié)。目前大部分機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)類教材中呈現(xiàn)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法是一套經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期理論研究以及經(jīng)驗(yàn)積累形成的手工設(shè)計(jì)計(jì)算方法，該方法在特定的歷史時(shí)期對(duì)機(jī)械類人才的培養(yǎng)起到積極的作用。但隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，過(guò)去要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算或繪制已被計(jì)算機(jī)輕松替代，傳統(tǒng)的手工理論設(shè)計(jì)計(jì)算方式逐漸被現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法替代。在此情況下，再花費(fèi)寶貴的課堂時(shí)間讓學(xué)員學(xué)習(xí)掌握過(guò)時(shí)的設(shè)計(jì)技術(shù)已與時(shí)展要求不相符。

　　（2）課時(shí)安排不能適應(yīng)教學(xué)需要。在課堂教學(xué)中，設(shè)計(jì)方法的介紹本應(yīng)需要相當(dāng)比重的學(xué)時(shí)，但隨著課時(shí)的不斷壓縮（目前機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)兩門課加起來(lái)的學(xué)時(shí)還不到100學(xué)時(shí)，少的甚至不到60學(xué)時(shí)），用于講授設(shè)計(jì)方法的時(shí)間比過(guò)去大幅減少。在如此少的時(shí)間里，教員通常只能泛泛地講解一下設(shè)計(jì)思路和過(guò)程，對(duì)傳統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)計(jì)算方法無(wú)法進(jìn)行更深更透地講解，學(xué)員對(duì)這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)大都是囫圇吞棗。因此，在實(shí)際操作中面對(duì)繁雜的理論設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，學(xué)員多數(shù)都呈現(xiàn)畏難情緒，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)興趣也隨著課程的不斷深入而逐漸下降。

　　（3）傳統(tǒng)的手工理論設(shè)計(jì)方法數(shù)據(jù)計(jì)算分析耗時(shí)，設(shè)計(jì)效率低下。例如在機(jī)械課程設(shè)計(jì)中，學(xué)員要花費(fèi)大量時(shí)間在繁瑣的計(jì)算和修改上。而在對(duì)設(shè)計(jì)方案創(chuàng)新的思考，以及對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的優(yōu)化和分析方面，卻由于課程學(xué)時(shí)的限制不能充分實(shí)施和展開，這違背了課程為使學(xué)員綜合設(shè)計(jì)能力提高的本意。

　　2機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的必要性

　　（1）作為新一代工科學(xué)員，學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和方法尤為重要，這符合時(shí)代對(duì)創(chuàng)新型人才的要求。而且由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，以及各類仿真設(shè)計(jì)軟件的普及和易用，使得現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用能得以實(shí)現(xiàn)。

　　（2）運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)可以將機(jī)械設(shè)計(jì)信息和內(nèi)容生動(dòng)直觀地作用于學(xué)員，拓展學(xué)員的思維和視覺的空間，使他們可以多方位、多角度地觀察研究對(duì)象；同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)快速的解決問(wèn)題，調(diào)動(dòng)學(xué)員的情緒，提高其注意力和興趣，并能突出重點(diǎn)，有助于培養(yǎng)學(xué)員的綜合認(rèn)識(shí)和理解能力，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

　　（3）對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)人員而言，掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的能力。這一能力是學(xué)員后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)和發(fā)展的基礎(chǔ)，特別是對(duì)學(xué)員在機(jī)械課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)中提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力起到很好的幫助和推動(dòng)作用，同樣可以為學(xué)員今后的自我學(xué)習(xí)和研究打開視野、注入動(dòng)力。

　　3基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程教學(xué)實(shí)踐

　　（1）連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)。運(yùn)用三維工程設(shè)計(jì)軟件，快速建立四個(gè)不同長(zhǎng)度的桿件，并裝配成四連桿機(jī)構(gòu)，根據(jù)曲柄存在的條件，以不同桿件做機(jī)架，演示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，可以迅速直觀地讓學(xué)員理解和認(rèn)識(shí)連桿機(jī)構(gòu)的特征。然后再利用軟件的Motion組件，對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)調(diào)取仿真計(jì)算后的各種數(shù)據(jù)，顯示和分析被模擬連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性線圖。見圖1。此外將連桿制成多孔的板狀，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)仿真，顯示連桿曲線的生成及其特征，見圖2。實(shí)踐證明，與傳統(tǒng)的理論教學(xué)對(duì)比，經(jīng)由上述的教學(xué)演示，再通過(guò)學(xué)員親手操作，學(xué)員對(duì)連桿機(jī)構(gòu)特性的理解和掌握，以及對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析能力均有較大提高。

　　（2）凸輪機(jī)構(gòu)的建模及運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力仿真設(shè)計(jì)。如設(shè)計(jì)偏置尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。給出凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向、基圓半徑，以及從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律等初始設(shè)計(jì)條件。由從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律寫出從動(dòng)件位移運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)而寫出凸輪廓線方程。然后在工程設(shè)計(jì)軟件中，運(yùn)用“方程式驅(qū)動(dòng)的曲線”繪制出凸輪輪廓曲線，并通過(guò)拉伸制作成凸輪模型，見圖3。接著將其裝配成凸輪機(jī)構(gòu)仿真模型，利用軟件的Motion組件，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力仿真，圖4為顯示某凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件位移線圖和速度線圖，以及凸輪接觸力的方向（該方向與從動(dòng)件軸線之間的夾角為凸輪機(jī)構(gòu)在該處的壓力角）。

　　（3）齒輪建模與強(qiáng)度分析及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。為獲得標(biāo)準(zhǔn)的漸開線齒輪齒廓，事先編制好齒輪廓線VBA程序ZGear.swp文件，利用設(shè)計(jì)軟件提供的應(yīng)用程序接口（API），在設(shè)計(jì)軟件中調(diào)用宏-編輯，繪制齒廓曲線，經(jīng)特征建模制作成需要的齒輪模型，見圖5。然后再利用軟件的Simulation組件，對(duì)齒輪輪齒進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算分析，見圖6，通過(guò)分析仿真計(jì)算后的各種數(shù)據(jù)，再對(duì)齒輪進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。（4）軸系結(jié)構(gòu)建模與剛、強(qiáng)度設(shè)計(jì)與分析。由軸受載轉(zhuǎn)矩計(jì)算出軸的最小軸徑，按軸的工作要求在設(shè)計(jì)軟件中由最小軸徑向中間逐漸增大構(gòu)建軸的各段直徑和長(zhǎng)度，形成階梯軸的模型，再在軟件的Simulation組件中，設(shè)置軸的材料，按軸的支承情況設(shè)置軸的“夾具”，針對(duì)軸上零件承載對(duì)軸的影響，按遠(yuǎn)程載荷和轉(zhuǎn)矩的方式對(duì)軸進(jìn)行加載設(shè)置，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并運(yùn)行分析計(jì)算，即可通過(guò)仿真運(yùn)算后的結(jié)果，對(duì)軸的剛、強(qiáng)度進(jìn)行分析評(píng)估。通過(guò)應(yīng)力圖解查看軸的最大應(yīng)力所在位置，通過(guò)位移圖解查看軸的變形情況以及最大變形量及其位置，見圖7；通過(guò)疲勞檢查圖解查看軸在特定條件下的最低疲勞安全系數(shù)，見圖8。

　　此外，螺栓（組）連接的強(qiáng)度分析、鍵及花鍵連接的強(qiáng)度分析、滾動(dòng)軸承的動(dòng)態(tài)壽命仿真設(shè)計(jì)等均可借助于工程設(shè)計(jì)軟件講授該類零部件采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)的方法和思路。

　　4實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題及對(duì)策

　　基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，給傳統(tǒng)的機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)帶來(lái)新的生機(jī)，也深受學(xué)員歡迎，對(duì)促進(jìn)學(xué)員認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)，掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生較大影響，其好的教學(xué)效果和產(chǎn)生的積極作用毋容置疑。但是在實(shí)踐中，一些新的問(wèn)題也隨之出現(xiàn)。其一，此項(xiàng)改革的課程學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)員計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力有一定要求，而學(xué)員此前在該方面的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)薄弱，使得學(xué)員在有限的課堂學(xué)習(xí)中疲于應(yīng)付認(rèn)識(shí)工程設(shè)計(jì)軟件，對(duì)運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)提高設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練卻不足。其二，學(xué)員通過(guò)學(xué)習(xí)和實(shí)踐感受到了運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法高效解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的驚喜，但多數(shù)學(xué)員由于其他輔助知識(shí)的脫節(jié)，對(duì)采用方法的原理和其具體的計(jì)算過(guò)程還是弄不清，只是知其然，而不知其所以然。其三，新的教學(xué)模式對(duì)教員也提出了較高要求，包括必須能熟練運(yùn)用工程設(shè)計(jì)軟件，在課程講授過(guò)程中要能隨時(shí)通過(guò)軟件輔助教學(xué)，幫助學(xué)員快速掌握和理解機(jī)械設(shè)計(jì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用等。而現(xiàn)階段部分教員離這一要求還存在一定差距。其四，由于學(xué)時(shí)限制，學(xué)員在上機(jī)練習(xí)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中為了完成作業(yè)，往往很容易出現(xiàn)抄襲復(fù)制，這給教員正確判斷學(xué)員學(xué)習(xí)效果帶來(lái)難度。

　　針對(duì)上述改革實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題，筆者建議解決的方法是：一、建立與課程改革配套的課程體系，加強(qiáng)學(xué)員計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，使學(xué)員在課程開始前已具備相關(guān)的基本技能，從而提高學(xué)員學(xué)習(xí)運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)解決問(wèn)題的效率。二、適當(dāng)開設(shè)相關(guān)選修課或增加課外輔導(dǎo)時(shí)間，讓學(xué)有余力的學(xué)員能更進(jìn)一步地了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)及其方法，幫助學(xué)員建立自我研究和自我學(xué)習(xí)的能力。三、任課教員應(yīng)積極參與工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，提高運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法解決問(wèn)題的能力，并學(xué)會(huì)善于將工程實(shí)例結(jié)合教學(xué)內(nèi)容引入課堂，加強(qiáng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)課程內(nèi)容結(jié)合的研究，并將研究成果應(yīng)用于教學(xué)改革中。四、從學(xué)員的學(xué)習(xí)體會(huì)反映出，學(xué)員們對(duì)運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)上機(jī)實(shí)踐的自我要求是相當(dāng)高的，無(wú)需教員盯促。因此可以減少學(xué)員上機(jī)成績(jī)的比例，讓學(xué)員安心上機(jī)練習(xí)，上機(jī)作業(yè)課中完不成可課后完成，此外教員應(yīng)掌握和提高判改學(xué)員電子作業(yè)的技巧和能力。

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　在當(dāng)今信息時(shí)代，對(duì)已成定論的傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)的學(xué)習(xí)并不像以前那么重要，重要地是教員們?cè)诮虒W(xué)中如何不斷地啟發(fā)學(xué)員掌握先進(jìn)的知識(shí)和技術(shù)，提升學(xué)員分析和解決問(wèn)題的能力。通過(guò)實(shí)踐，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)和方法取得了較好效果，學(xué)員通過(guò)學(xué)習(xí)和實(shí)踐感受到了運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法高效解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的驚喜。這對(duì)于提升他們學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的興趣以及盡快理解并掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法起到了積極作用。隨著該項(xiàng)課程改革實(shí)踐探索的不斷深入，必將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的教學(xué)和發(fā)展帶來(lái)深刻影響。

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