机械设计工程训练教学模式的研究(.doc

本文由cdled007贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 机械设计工程训练教学模式的研究 季林红 阎绍泽 索双富 清华大学精密仪器与机械学系设计工程研究所，北京 100084 摘 要 随着现代高科技的发展和教学体系的改革要求，主要基于课堂教学和验证型实验课的传 统机械设计教学模式已不适合现代机械设计教学的需求，培养创新型、综合型机械工程人才是我 国工科院校面临的一项重要任务，迫切需要对其教学模式进行改革。机械设计工程训练教学是现 代教育技术中亟待探索的模式。本文结合清华大学在这方面的探索，对机械设计工程训练课的规 划、实施方式、训练平台建设及师资配备等关键问题进行了研究，并分析了这种教学模式的教学 效果及未来展望。 关键词 机械设计，工程训练，教学改革，创新思维 1 引言 培养高素质工程人才是一项系统工程，加强机械设计工程训练是必要的手段之一。现 代机械设计早已超出传统机械设计的知识范畴，变为具有跨学科特点的技术综合性学科。搞 好机械设计必须有机械、控制、计算机、力学、光学、传感等技术知识，同时还要涉及经济、 社会学、医学等跨领域的知识。基于课堂教学和验证型实验课的传统机械设计系列课的教学 模式受到挑战。另一方面，一些刚刚跨入大学校门的学生缺少对机械类专业学习兴趣和必要 的积极性，导致对机械类课程只满足于拿学分。真正主动学习机械类课程、认真钻研的学生 数目比教师期望的要少得多。从这个角度来看，要真正提高教学的效果，除了搞好课程的教 学改革、提高教师的教学水平之外，必须在课程设置、系统教学等方面进行研究和试验，使 学生热爱机械，有主动学习的积极性。因此，机械工程教育的取向应是：既要重视理论与科 学性分析，又要强调解决问题与工程训练。机械设计工程训练课正是在这种形式下产生和发 展的。 2 工程训练教学模式 机械设计系列课主要包括机械制图、 机械原理、 机械设计和机械 CAD 技术。 我校自 1993 年开始对机械设计系列课从课程体系、 内容、 教学方法、 教学手段等方面进行了一系列改革， 确立了以课堂理论教学和工程训练课为两条主线的新课程体系。 根据对国内外现代教育水平 研究和科技发展的需求，总结出工程训练教学课的建设目标：a)为学生提供一个培养创新意 识和个性发展的良好环境，提高学生发现关键问题的敏锐洞察力和创新思维能力； b)建立 一个能让学生灵活运用所学知识，掌握新技术和新方法，并在此基础上积累工程设计、创新 * 作者简介：季林红(1962 年 10 月)，男，博士，副教授，清华大学设计工程所副所长，机械基础工科基 作者简介 地负责人，清华大学精密仪器与机械学系设计工程研究所(100084) 设计和团队工作经验的虚拟作业现场；c)建成一个支持学生课外科技活动、SRT 计划、机械 设计大奖赛以及走出国门参加国际上各种制作大奖赛的技术支撑训练体系， 逐步建立以技术 创新为内涵的校园文化； d)建设成为促进产学研结合的， 为广大同学提供理论与实践相结合、 拓宽知识面且能初步体会现代社会需求变化的机械设计方面的教育和训练窗口； f)建成世界 一流的集系统学习和个性发展为一体的培养学生创新设计能力的机械设计工程训练体系。 基 于上述考虑，将工程训练课程建设分三个层次：认识训练、分析与设计综合训练、机械创新 设计训练。 2.1 认识训练 从事机械设计必须首先掌握机械的基础知识。 首先， 应使学生了解机械设计的前沿技术， 认识学科的发展方向，调动学生的学习积极性，从根本上解决机械设计系列课程的学习质量 问题。因此，确定第一个工程训练层次为认识训练。它属于机械设计系列课程课堂教学之前 的认识机械环节，培养学生对实际机械的观察能力。具体实施内容包括三个部分： 1) 2) 3) 参观优秀的机械系统、机电产品、自动生产线、机器人、汽车等，让学生了解现代机械 的发展趋势，应用新技术的前沿。 拆装和展示一些典型机械的基本组成和技术发展思路，了解创新设计的方法和手段。 组织一些专题讲座，分析国内外经济发展过程中有关生产、生活等方面的产品设计的前 沿课题以及跨学科技术融合的特点，引导学生热爱机械专业，提高学习机械设计课程的 积极性。 2.2 分析与设计综合训练 第二个层次是机构、机械的分析和设计综合训练。它与机械设计系列课程课内教学同 时进行。对现在课内教学的部分内容进行重新规划，减少课内学时和取消部分传统验证型实 验，转入工程训练课教学，让学生在训练课中自学应该掌握的内容。具体内容： 1) 通过对机械、机构、部件的拆装和分析，学习和了解机械结构、零部件的结构原理和工 作原理。 2) 选择具有代表性的机构、机械让学生在分析其功能、原理的基础上，绘制机构运动方案 简图，改进原理方案和功能设计。 3) 设计指定功能和性能的机械系统，测定反映其运动参数和性能参数，使学生对机械设计 的深层次问题有一个较全面的了解和认识。 2.3 机械创新设计训练 第三个层次为机械创新设计工程训练。该层次的实践环节与机械设计基础课程同期进 行，属于与设计方法学相配套的工程性实践环节，旨在培养学生的创新设计能力。从实际中 提炼出一些设计题目作为指定 Project 内容，例如，设计常见的自动或半自动机械系统及典 型机械部件系统， 对现有机械系统进行改进设计， 拟定用于机械创新设计大奖赛的比赛题目。 指定这些 Project 供学生选择，一般以 23 人小组为单位实施，要求从功能分析、原理方 案设计、结构、参数设计到绘制部件图、零件图，编写设计说明书，完成设计的全过程。另 外，结合机械设计方法学等课程学习，聘请校内外具有丰富设计经验的专家学者进行讲座， 让学生了解系统设计所必须有的宏观思路和设计技巧。 2 3 工程训练平台 根据机械设计系列课对学生的培养目标，需建立与课内教学和实验课相配套的工程训练 平台。工程训练平台建设要形成与基础课程教学和训练相结合的基础理论教学、专业技术培 训和综合能力训练的培养体系；能有机地将产学研结合并落实到学生的能力培养环节中，为 学生走出校门，迎接社会的技术和工程难题的挑战创造良好的条件；促进并带动学生课外科 技活动、创新设计科研和各类机械设计大奖赛的开展，为营造具有强烈创新意识氛围的校园 文化提供支持；建立专业内以及各专业学生之间的学习、讨论和知识融合的学习环境，为培 养综合型、创造性的一流人才提供良好的教育和训练基地；建立一个为机械工程学院全体学 生教学服务的、同时面向全校学生开放的，培养学生创造性设计能力的工程训练基地。基于 以上目标，确定工程训练平台建设主要以三个平台建设为主要内容：创新设计训练平台、工 程训练的网络工作平台、学生课外活动及科研训练等的技术支撑平台。 3.1 创新设计训练平台 创新平台要着眼于系列课程的基础理论和实验教学，强调与工程相结合的 Project 训 练， 按设计阶段的不同要求以及学生所学专业方向的不同设立几组平行的实践课程与训练内 容供学生选择。从工程训练目标出发，规划了支持训练课和 Project 训练的硬件平台，筹建 了优秀设计展室、机械分析室、创新设计室、机械性能设计室和加工间。同时，组织学生走 出校园，参观大型生产、设计企业，拓展了训练平台空间。 3.2 工程训练的网络工作平台 建立创造性机械设计实验室网络，该网络具有以下功能： 建立学习机械设计基础知识和设计方法分析的网络环境 利用计算机将与实验教学和实践教学密切相关的实验内容数值化，一些能够在网络上公 布的利用网络形式表示出来。对展示的设计实例和设计方法的分析用图文宣示，增加设计的 典型思路示范，方法介绍，提供网上参观和学习的条件；结构分析和系统分析用虚拟表达； 为机构方案创新搭接实验提供虚拟的实验环境，创造复杂结构、系统等设计方案设计的虚拟 平台；初步建立性能分析实验分室的虚拟实验平台。提供学生了解和深入课内教学涉及不到 的性能设计的思路、方法等的学习条件，同时结合科研的成果，开放部分能够利用网络进行 虚拟性能实验的使用环境；将支持课内教学的教学课件进行必要改造，为非机械专业类学生 自学和了解机械原理、机械零件课程内容提供网上学习条件。 建立机械设计的网络支援环境 利用现有的 CAD 辅助系统软件进行必要的改造， 增加研究室所制作的面向计算机辅助机 械设计的智能系统，作为网络设计服务平台，为学生开展机械设计提供相互配合、设计纠错 和设计审查的条件；建立机械设计标准件和推荐零件的查阅数据库以及相应的图形库，为学 生进行机械设计提供便利的设计条件和设计支持环境。 建立提高设计水平和方案讨论氛围的网络环境 建立机械设计网上教师与学生，其它非机械设计专业教师、学生与本专业的教师、学生 进行设计咨询、技术论证和方案讨论的渠道和环境。 Project 训练的网络管理 3 建立与实验室全时开放制度等相适应的实验室管理、 设计训练召集、 学生课外科技活动 和实施 SRT 计划以及创新设计大奖赛的信息发布和信息反馈的网络管理体系。 “机械设计”专业还具备对计算机网络系统、计算机软件、计算机控制、计算机信息处 理与信息集成的应用开发能力，精仪系网络就是由本学科建议、设计、实施和负责日常运行 管理的，这个于 1995 年初建成的网络也是清华大学的第一个系级网络，是目前管理最为完 善的系级网络之一。 3.3 学生课外活动及科研训练等的技术支撑平台 机械设计工程训练平台要成为学生课外活动及科研训练等的技术支撑平台，协助校系各 级学生科协开展各种加强创新设计活动。结合机械工程训练，根据要求参加 SRT 活动的同学 特点和兴趣，以及他们选择的研究题目，为学生提供方案论证辅导、设计审查、技术咨询、 科研指导、加工制造、集成组装、试验和演示的“综合平台” ，提供必要的场地、设计及试 验环境。同时承担全校学生实施涉及机械设计的课外科技活动、各类大奖赛活动的以及必要 的项目制定、管理和组织等工作，并成为指导中心。该平台的建设要在分析和综合了国内外 一流大学机械设计学科的教学和科研训练体系、实施措施、并在现有的机械设计工科基础教 学基地的建设基础上进行。 4 师资队伍建设 机械设计工程训练课的效果在很大程度上取决于稳定的、高水平的师资队伍，教师的主 导作用主要体现在引导学生自主学习，结合设计的需要推荐有关资料，启发学生的思路，进 行创造性思维与方法的讲座。教师提供一些工程实际中题目供学生选做，学生进行分组选择 题目，集体讨论，确定设计方案，绘制机构运动分析简图、装配图及典型零件图，每人写出 设计技术报告，最后进行答辩。在这个过程中教师起引导作用，进行宏观调控。 工程训练课对教师的知识结构、综合设计能力提出更高的要求。从教学实践中体会到如 果没有广博的设计理论知识，没有从事过科学研究，很难处理好学生提出的问题及开发他们 的创造力。目前参加工程训练课有主讲教授和教学与科研骨干，他们具有丰富的教学经验， 科研方向涉及机械设计方法学、机械运动学与机构动力学、可靠性设计、机构学与机器人、 性能设计、智能机械、传动设计、人机工程、康复工程、CAD、虚拟设计以及典型机械设备 设计等，科研工作的开展为学生的创新设计训练提供了必要的技术保证。 5 教学效果 在机械基础课程教学中，将机械基础课程的学习归纳为四种能力：形象思维与发散思 维能力、运用先进手段解决复杂机构分析的能力、创新能力与动手能力、协作能力与团队精 神。根据这四种能力要求，教师设计了五个有工程实际背景的训练题目，所有题目均有多种 方案。要完成这些题目，不仅需要掌握所学知识，还需要发散思维和创新，通过对多种方案 比较评价选择最佳方案，并完成此方案全部的设计过程。我校在 98 年暑期对教学计划进行 了调整，在二年级学生中进行了第一轮“机械设计综合实践环节”的教改试点工作。在实践 4 课程中为学生提供 27 种机械，将学生 56 人分为一组，分析和改进设计两种机械。从功能 分析出发，进行原理方案分析和结构分析，每人分工负责绘制不同部分的机构运动简图、装 配图和部分零件图，提出改进方案，最后撰写论文和思想总结，并进行全班交流。十余名教 师参加了工程训练课的教学。这一实践环节引起了学生极大兴趣， 提高了学生自主学习的 积极性，培养了发散思维和创新能力，加强了动手能力和团队精神，部分同学的作品还在北 京市获奖。该项改革试点工作得到兄弟院校教师高度评价和肯定，并获“清华大学教学成果 二等奖” 。 机械设计工程训练课的试点，取得了较好的效果。学生普遍感到收获较大，认为是上 大学以来印象最深、收获最大的教学环节，通过这一环节学习，扩大了知识面，增强了创新 设计信心。很多学生主动要求到实验室参加工作，踊跃报名参加我校 SRT(大学生研究训练) 项目和设计大奖赛等课外科技活动。 相关课程的任课教师参观了学生综合实践展览后震动也 很大，促使大家思考如何规划工程训练课以及如何提高教师的全面素质，以适应这种教学课 的要求。机械设计工程训练环节的试点工作，促使学生从科目分科学习向工程实际综合、从 知识