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［摘要］隨著“智能制造”這一國家戰略的制定和實施，培養機械設計創新人才成為實現智能制造戰略的重要舉措。機械設計基礎是機械設計培養的核心課程，但是，目前該課程體系已無法滿足智能制造發展的需求。因此，文章系統分析了課程目前存在的問題，針對存在的問題從注重課程系統性、內容的完善與調整、貫穿性案例設計及創新能力培養等方面對課程改革展開研究，并在此基礎上對課程能力培養的理念和培養模式展開研究。該研究可為機械設計基礎課程改革和培養創新型人才提供有益的參考。

［關鍵詞］機械設計基礎；課程改革；培養模式；理論與實踐并行

隨著“智能制造”這一國家戰略的制定和實施,國家經濟發展的各個領域都對智能裝備提出了更高的要求。智能制造的核心是制造，制造的前提是優良的創新設計，而實現優良的創新設計的關鍵是人才。因此，培養具備創新能力和實踐能力強的機械設計人才，能滿足我國智能制造發展的戰略需求。機械設計基礎作為機械設計培養的核心課程，對人才能力的培養起著至關重要的作用。但是，目前該課程體系已無法滿足智能制造發展對人才知識和能力的需求。因此，結合智能制造背景，本文探討機械設計基礎課程體系的改革問題，使之適應創新人才培養的需要，以服務智能制造裝備的發展，滿足經濟和社會發展需求。

一、課程現狀

機械設計基礎課程是近機械類各個專業的重要基礎課程，內容涵蓋機械原理和機械設計[1-2]，是后續課程的重要基礎。我國從改革開放以來對該課程的教學內容、教學方法等進行了多次改革，教材也較多，在特定時期發揮了重要作用。但隨著社會發展和智能制造技術的進步，該課程體系存在的問題也日益突出，影響了人才培養質量。主要問題有：一是課程缺乏系統性和關聯性。目前課程存在分章節獨立、理論和工程實踐關聯度低的問題；且理論和實踐是串行學習，實踐大部分是通過后續課程來進行的，導致學生知識鏈斷裂，學習不系統、不深入；同時，課程體系偏理論、輕應用[3]，導致學生學完課程后很難完成專業的設計任務。二是課程內容缺失。例如，現代智能制造中大量使用機器人，但現有課程缺少這方面的內容；現代設計方法廣泛應用于機械設計當中，如計算機輔助設計、仿真等，但課程并沒有將這些內容融入課程體系；機械設計中存在大量的結構設計，而這方面內容課程中也沒有介紹，導致學生會進行零部件的基本理論計算，卻無法設計出符合要求的機械結構；現代裝備的設計都需要機電控等多學科融合，但是現有課程沒有相關整體設計的內容，導致學生缺乏整體設計概念。三是部分課程內容老化，部分程式化內容占據較大篇章。比如，機械原理部分的作圖法等內容，已經不符合技術發展需要，沒有必要再講解；機械設計部分的內容，如齒輪設計、帶設計等較多內容學生通過例題或練習參閱標準即可掌握，無須通過專門的章節進行講解。四是課程例題和練習題偏重知識點掌握，而缺乏具體產品或案例的系統訓練。每章的例題都是針對知識點的練習，與具體的產品或機構的關聯度弱，導致學生遇到實際問題時缺乏參考和關聯性思考，學習效果差；課后習題也是注重知識點的掌握，而缺乏與專業相關的典型產品或裝置設計的關聯[4]，導致學生雖然可以很好地掌握知識點，但是實踐能力較差。五是機構及零部件的發展史、應用背景知識和創新方法缺乏。機構和零部件的發展史對學生了解技術發展脈絡，掌握技術創新的思維具有重要的作用，但課程缺乏對其的介紹；課程的理論、習題和練習等缺乏與實際應用背景的結合，如宏觀參數的確定、如何對機構或零部件提出設計要求等；課程還缺乏對創新方法的介紹。這些導致學生缺乏自主設計的能力，雖然掌握了很多知識，但是創新乏力，或有創新想法，但難以實現。本文針對機械設計基礎課程目前存在的問題，對課程改革展開研究。本文提出系統化、理論與實踐并行、即學即用的課程理念，從課程系統化和關聯性、課程內容更新、縮減標準和傳統內容、設計典型案例、創新能力培養等方面對課程進行改革；同時，從培養創新型人才角度給出課程的培養理念和培養模式，以期改進課程教學體系，提高人才培養質量，滿足智能制造裝備的發展需求。

二、課程改革探索

針對課程目前存在的問題，本文從以下幾個方面進行課程改革：注重課程系統性和關聯性，避免知識碎片化和學用割裂；完善教學內容，增加適應時代發展的內容；調整傳統和程式化內容，縮減調整老化和標準化內容；進行貫穿式案例設計，設計貫穿課程的案例和練習；進行創新能力培養，通過技術發展史和設計背景等培養創新思維。

（一）注重課程系統性和關聯性

目前機械設計基礎課程的內容主要分為機械原理部分和機械設計部分，而每一部分的章節相對獨立，每個章節主要講解一類機構或零部件的設計原理和方法，如四連桿機構、齒輪傳動設計等。通過對每一章內容的學習，學生可以掌握某個機構或零部件的基本原理和理論計算方法。但是，一方面在給定具體設計任務后，由于缺少相應的理論指導和實踐基礎，學生普遍缺乏對裝備的總體設計能力，不具備對設計任務進行分析和解決的綜合能力，導致學生面對實際問題時無從下手；另一方面章節間知識的關聯性和知識與實際應用間的關聯性較差，使得學生面對實際問題時，很難快速找到解決方案，比如系統宏觀參數如何確定、系統方案如何設計等。從實際的機電產品設計角度來講，每一個裝備或者裝置的設計都首先需要從總體功能要求出發，考慮總體方案和設計，需要確定系統的參數和性能要求、方案中會用到多種機構或零部件，該如何進行選擇和設計，課程缺乏系統性的設計體系；同時，總體設計不僅是機械系統的設計，還要根據智能裝備機、電、控等一體化的要求，合理選擇和配置機、電、液等系統。因此，現有的課程結構很難使學生具備自主設計裝備的系統知識和能力，需要對課程進行改革，使課程具有系統性和關聯性。系統性可以避免知識碎片化和知識斷鏈，主要改革重點應放在以下幾個方面：（1）課程系統需要具有現代智能裝備整體設計理論和方法，使學生具有全局觀念和意識，掌握裝備整體設計的基礎理論、知識和基本流程，特別是總體知識架構，如系統設計方法、傳動系統類型、常用結構等，使學生具有系統設計的能力和寬廣的知識面。（2）課程需要融入現代設計方法，目前課程基本不涉及現代設計方法的介紹，而在實際項目中，工程技術人員都是基于現代設計方法和工具進行設計的。因此，需要在基礎學習時讓學生掌握基本的現代設計方法和CAD、CAE等基本工具，具備實踐能力。（3）課程需要增設裝備結構設計的內容，目前課程設計主要是進行基本性能和參數的計算，但是計算完成后，裝置或設備結構如何設計合理，缺少相應的理論和實例講解。關聯性可以使各章節知識關聯起來，使理論和實踐關聯起來，使學生建立理論到實踐的直觀概念，從而實現即學即用。關聯性改革主要體現在以下幾個方面：（1）根據專業特點，以經典產品或者案例為框架，如采用汽車底盤為案例，將各章節知識點的學習與實際案例的功能部件設計直接關聯，從如何分解功能部件、如何確定參數、如何選擇方案、如何迭代設計等方面展開講解，使理論和實踐自然銜接；（2）章節例題以案例功能零部件為例，自然引入設計要求，使學生設身處地地考慮具體問題，解決具體問題，從而實現學與用的零過渡；（3）以專業常用裝備為總體案例設計課后練習題，使學生將課上所學理論和知識運用到一種或幾種專業裝備設計上，使學生拓展知識的應用實例，從而增加學生面對復雜問題的從容性，做到舉一反三。

（二）完善教學內容

隨著科學技術的發展，智能制造領域的發展需要研發各種新型裝備，這就要求設計人員具有良好的創新能力和掌握扎實的設計技術。根據前文關于系統性和關聯性的陳述，機械設計基礎課程在教學內容上要先增加這些系統性和關聯性內容。同時，隨著智能裝備的技術發展，一些新型的機構、零部件大量涌現，現有的課程內容主要對象是傳統機械常用機構和零部件，沒有體現技術發展現狀，如機器人技術、新型聯軸器等，致使學生在面對實際問題時，一是認知不足、知識面窄，二是思維受限、創新乏力。因此，在教學內容方面還要增加新型機構和零部件的內容，主要有：（1）機器人的基礎理論和知識。講解機器人的類型、自由度、運動學與動力學基礎及典型機器人，包括串聯機器人、并聯機器人、移動機器人等。（2）新型零部件的介紹。如液力耦合器、粘性耦合器、封閉齒輪傳動等，這些內容廣泛應用于機械設計領域，但學生基本沒有接觸，這限制了學生的創新能力和設計能力。（3）零部件結構和結構件的常用設計方法。目前課程內容中缺乏常用結構形式、結構設計原則、設計方法等方面的內容，比如殼體設計方法、基于零件工藝的結構設計、常用結構形式和設計方法等。

（三）調整傳統和程式化內容

隨著CAE技術的發展，機構的設計可以通過編程或者軟件直接完成，而不需要進行手工作圖和推導計算；零部件的設計則基于標準進行，且設計內容都已流程化、程序化，沒有復雜的理論和技巧。因此，對這些傳統方法和程式化的內容學生完全可以在練習過程自主掌握，這些內容需要進行縮減，以節約更多的課時。具體調整包括：（1）調整傳統內容。如刪除連桿機構的作圖法、凸輪的作圖法等內容，增加這些內容的現代設計方法的介紹。（2）刪減程式化設計內容。比如齒輪設計、蝸輪蝸桿設計、帶設計、軸設計的部分內容。

（四）貫穿式案例設計

課程內容、例題、習題與實際裝備的聯系對課程體系構建和人才培養具有重要的意義。理論和實踐的聯系可以使知識系統化、理論實踐并行化、抽象與直觀一體化，從而大大提高學生的學習興趣、學習效率和效果。根據課程內容和專業特點，設計貫穿課程理論的整體案例，可培養學生的整體設計意識、任務分解能力等，比如采用汽車作為整體案例，汽車是學生所熟悉的一個產品，其零部件基本涵蓋了課程所有內容，可大大增加學生的興趣和親和感。例題的設計可以采用整體案例和專業常用裝備結合的方式，以整體案例為主，以專業常用裝備為輔，將課程理論和案例有機結合，使學生在學習知識點的同時培養整體和部件設計意識，加深對知識和專業裝備的理解；比如連桿機構的講解可以與汽車雨刮刷結合，齒輪設計可以和新能源輪邊減速器結合等。對包裝專業的學生可以以包裝機械為案例，對化工專業的學生可以以化工裝備為案例等。課后練習題也要避免以練習知識掌握程度為主的方式，應以專業常用裝備的零部件設計為主，進行習題設計。這樣可以使學生在學完典型案例后轉換到新的案例場景，通過場景轉移不僅可以使學生掌握所學知識，加深對專業裝備的理解，還能培養學生舉一反三的能力，遇到問題有對比、有參照，消除面對新問題的無措感。

（五）進行創新能力培養

創新能力不是憑空具備的，需要對知識的來龍去脈有充分的認識，通過對技術的發展脈絡的認知，逐漸提高學生的創新意識，從而提高學生的創新能力。而了解任何一個機構或者零部件方案是如何產生和滿足要求的，則可以讓學生在心中生成知識的全景圖，從而提高認知和分析能力。因此，需要在每一章緒論對本章內容的發展歷史脈絡進行陳述，同時嵌入創新方法在其中發揮的作用，尤其是對技術是如何被創新出來的展開討論，使學生對知識的歷史和未來產生一種認知感和“趨勢感”，利于培養學生的創新意識和能力。課程的例題和習題要增加裝備的設計背景知識，使學生對所設計的對象的功能、要求和使用等有充分認識，對實際設計案例進行沉浸式體驗，將抽象的理論學習和實際應用結合起來，從而具備創新能力和即學即用的能力。

三、能力培養模式探索

課程體系改革的目的是使課程滿足學生能力培養的需要，而能力培養需要從培養理念和培養模式等方面展開研究。

（一）培養理念

技術的發展需要學生具備獨立從事機械設計工作的能力，因此，課程要有系統化、理論與實踐并行、即學即用、創新培養的課程理念。課程要自成體系且系統化，避免內容孤立碎片化，且不需后續課程專門訓練即可具備設計能力；理論和實際知識要貫穿課程，使之成為一個有機體；課程不是學知識點，要實現理論到實踐的零過渡，使學生具備即學即用的能力；課程要注重創新思維的培養，做到提供知識的土壤，播下創新的種子。

（二）培養模式

培養模式的構建是落實培養理念的途徑。培養模式要以培養學生的創新能力和掌握扎實的基礎知識為中心，通過理論與實踐結合的方法開展教學，并充分調動學生的積極性和主觀能動性，通過課堂教學、課后練習、創新設計、綜合考核等手段對學生進行全面培養。在課堂安排上，可以采用翻轉課堂和慕課結合的方式，教師進行綜合講解，學生進行具體知識點和習題的講解，并在此基礎上師生就問題展開深入討論，培養學生發現問題、解決問題和獨立思考的能力。在課后，學生要按照系統化案例進行練習，要求部分學生對練習題進行講解，其他學生根據自身理解和課外學習內容進行補充，展開師生討論，使學生掌握扎實的知識，從而擴充知識面，培養創新思維。課程教學過程中布置兩到三次創新設計，以小組為單位，自主選題或者由教師命題。任務完成后，每個小組安排一名代表進行小組創新設計總體講解，同時小組成員分別講解自己在創新設計中的工作和體會，其他組同學對創新設計進行評價和討論，教師最后進行設計點評，進而幫助完善每一個創新設計。通過這種創新設計，可以極大地提高學生的學習興趣、積極性，提高學生綜合設計和創新的能力。課程的考核應該避免知識化考核，而應采用平時訓練和期末考核的方式。

［參考文獻］

［1］沈言錦.“中國制造2025”背景下機械類專業課程體系重組研究：以《機械基礎》課程為例［J］.學理論，2018（3）：213-214.

［2］韋慧玲.非機械專業“機械設計基礎”課程教學改革［J］.高等教育，2020（2）：176-177.

［3］湯曉明，潘曉紅.“目標引導，任務驅動”下的課程設計與專業課教學同步的教改嘗試：以機械設計基礎課程為例［J］.大學教育，2019（1）：58-60.

［4］陳小強.面向創新社會的精密機械設計基礎實踐課程改革［J］.教育教學論壇，2019（52）：103-104.

作者：楊富春 岳曉明 陳龍 單位：山東大學機械工程學院