机械原理课程改革和创新设计实践的研究

一、引言

随着科学技术的迅猛发展、社会竞争的日益加剧以及社会需求的日渐多样化，探索并实践集传授知识、培养创新能力、鼓励个性发展、全面提高学生素质为一体的人才培养模式，是培养适应社会发展的高素质应用型人才的一个基本思路。本文以南京航空航天大学金城学院为例，进一步深化机械原理课程改革和创新设计实践的探索。

机械原理课程作为机械类专业的一门主干技术基础课，在培养学生综合设计能力的全局中，承担着培养学生机械系统方案创新设计能力的任务，在机械设计系列课程体系中占有十分重要的地位。本文从教学内容、教学方法和教学手段、实践教学环节及课外创新设计实践等方面进行改革和探索。

二、精选教学内容，改进教学方法和教学手段

机械原理是一门以机器和机构为研究对象的学科。针对我院培养高级应用型人才的目标和要求，教学内容以加强基础，突出重点和工程应用，加强实践教学环节，着重培养学生的综合设计能力和创新意识为目标进行设置。课堂教学精选讲授内容，根据每部分的特点，改进并灵活设置教学方法和教学手段，以工程设计实例引导学生积极参与课堂学习。

对于各种机构的共性问题，要注重让学生弄清基本概念，理解基本原理，掌握机构分析和综合的基本方法，以及这些原理和方法在工程实际中应用的范围和条件。机构的结构分析是合理设计机构和创新机构的重要途径和方法，讲授时结合实验室中常见机构的模型让学生多观察、多分析机构的组成原理。机构的运动分析与理论力学直接相关，是理论力学中运动学部分的延续和推广，但研究对象从质点和刚体转换为构件和机构，要让学生以工程的观点分析和解决有关问题。如以学生熟悉的牛头刨床为例，分析构件的运动参数及机构的运动特性。机械中的摩擦和效率，涉及理论力学中的受力分析，应以习题课的形式分析工程实际问题。机械的运转及其速度波动的调节和机械的平衡的学习放在实验课环节，让学生直观的学习有关的基本原理和方法等。

在常用机构及其设计的学习中，需要加强理论和实际的联系。教师以课外作业的形式要求学生在每种机构学习之前查找其应用实例，并分析其工作原理等，让学生提前了解机构的应用，调动了学生学习的主动性，提高了课堂学习质量和效率。教师在讲授时，选择一两个典型的创新设计工程实例为切入点，引出讲解内容。为了增强教学的直观性和形象性，常用机构的部分讲授内容安排在机械原理模型室进行，即开展校内情景式教学。情景式教学，可把抽象的理论和形象具体的实物联系起来，引导学生从理论与实践的结合中去理解理论知识，进而去分析问题，解决问题。借助机构实物模型的运动，教师可方便地开展启发式、探讨式、引导式课堂教学，激发学生的学习兴趣，增强师生间的课堂互动性，课堂效果良好。对其他常用机构如间歇运动机构、螺旋机构等，要求学生自学，并开放机械原理陈列室，让学生可通过课余时间分析这些机构的实物模型仿真运动。针对不同的机构，教师设置不同的问题，启发学生讨论这些机构的工作原理、运动特点和用途，不仅提高了学生的观察能力、分析能力，且扩展了学生的知识面，完善了学生的知识机构。

在课程开始之初，教师要对课程的地位、任务及学习方法进行详细介绍，强调机械原理与高等数学、物理、理论力学等课程之间的交叉渗透作用，让学生提前为本课程的学习做好准备。在课程学习过程中，应引导学生将前面所学内容和方法应用到后续所学内容中，如机架转换法在平面连杆机构的演化和设计、凸轮轮廓曲线的设计、周转轮系传动比的计算中都有应用，包络原理在滚子及平底凸轮轮廓曲线的设计、范成法加工齿轮齿廓曲线中都有应用，应前后联系起来，学会融会贯通，为提高学生的应用实践能力和创新能力打下良好的基础。

本课程实践性强，为了增强教学效果，提高教学质量，在讲授时，要合理地利用计算机辅助教学(ComputerAided Instruction，CAI)课件。如在学习平面连杆机构的各种演化形式时，通过演示构件形状及相对尺寸的渐变，加以教师的启发，让学生形象直观地掌握各类平面连杆机构之间的区别和联系;在学习凸轮轮廓曲线的设计原理时，推杆的反转演示动画可形象地展示出凸轮轮廓曲线的形成过程。这样，通过动画演示，让学生易于掌握抽象、难懂的理论知识。探索制作交互式课件，将课程教学内容、交互式设计方案以及丰富的教学参考资料形象、生动、直观地展示出来，提高课堂教学的有效性和互动性，是对现有教学课件进行优化的一个新思路。因课堂教学课时的限制，可增加学生的课外自学课时，开放网络课件及实验室，丰富学生自学资源。

三、改革实验课，强化实践教学环节

为了进一步提高学生的实践动手能力和创新设计能力，在原有6 学时课内实验课的基础上，增设了机构运动方案创新设计综合实验课。本实验课安排在机械原理课程结束之后的下一个学期，由机构运动方案创新设计搭建和Pro /E 上机两个实践环节组成。本实验旨在让学生掌握机械传动系统方案拟订及机构选型、变异的基本知识，掌握常见机构的组合方式及机械各执行构件间的协调运动设计方法，了解机构选型的评价体系，逐步树立工程设计的观点。同时，运用计算机三维辅助设计软件Pro / E 对所设计的方案进行运动分析和优化，不仅增强了学生的软件应用能力，更让学生掌握了现代设计和创新设计的特点，并把现代设计和创新设计的思想融合在本课程实践之中，培养学生实践动手能力和创新设计意识。

根据教师布置的任务要求，每个学生至少自行设计5 个结合实际应用的机械传动系统方案。在上机环节，按照设计的方案，结合机构运动方案搭建实验平台提供的功能零部件的参数和尺寸，在Pro / E 软件中对方案中使用的零部件进行三维建模、虚拟装配和运动仿真，从而直观形象地分析机构运动的可行性和构件布局的合理性，并对机构进行运动学分析。利用Pro / E 软件的测量功能，可对机构各部分的运动特性进行测量，分析机构在整个运动过程中的各个运动参数，如从动件上指定点的位移、速度、加速度等，而利用运动仿真结果输出的运动参数图表，可实现对设计方案的调整和优化设计。在实物模型搭建环节，参与实验学生3 个人一组，利用机构运动方案创新搭建和仿真实验平台，对所设计的方案进行实物模型的拼装和运动演示，利用平面机构创意组合，可对所设计的方案进一步优化和创新设计。对于搭建后的机构，根据对某个从动件的运动要求，组建测试系统，实现对位移、速度、加速度等参数的测试，进而对机构的运动性能进行分析和优化。

在本实验课程开设过程中，学生表现出浓厚的学习兴趣和积极性，每组同学协作互助，共同完成每一个设计方案的搭建。学生设计的方案新颖多样，切合工程实际，如工业机械手、自动打标机、精压机、无链条杠杆式自行车等。小组内各成员间对不同方案的对比和探讨，不仅深化了自己对理论知识基础的学习，更提升了自己的创新思维能力，增强了团队协作能力。

四、建立大学生创新设计实践平台，开展课外科技创新活动

机械创新设计是充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术知识进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品(装置)的一种实践活动[7]，是激发大学生潜能，培养机械类大学生创新意识和创新能力的重要手段。我院建立了开放性的机电工程系大学生创新实验室。该实验室主要面向机电工程系学生开展各类课外科技活动，旨在提高我系学生的科技创新意识，激发学生创新潜能，增强学生实践动手能力，培养学生的团队协作精神，促进学生理论与实践相结合，是提升学生机械创新设计综合素质和能力的重要平台。经过近几年的发展，实验室具备了进行机械创新设计的各种设备，包含车床、铣床、钻床等加工制造设备，25 台智能两轮车，两台电脑鼠及IEEE 标准迷宫板，各种电子元器件及制作工具和调试设备等，配备了专用电脑和网络设备，并聘请了一位机械加工技术人员协助学生进行各种机床、工具等的操作使用，为对机械创新设计有兴趣有潜能的学生提供了科技创新实践的良好条件。

为了开阔学生的视野，增强学生对科技创新活动的兴趣，实验室选择机器人作为课外创新设计和科技制作的载体之一，成立了机器人兴趣小组，并为机器人兴趣小组配备了指导教师，为学生进行结构及控制设计指点迷津。我院每年举办一次面向全院学生的机器人创新设计大赛，每次比赛都吸引了不少学生参加，部分学生制作的机器人结构新颖、功能多样，总体设计和制作水平逐年提高。通过比赛，调动了学生的学习积极性，激发了他们的学习兴趣和潜能，丰富了他们的课外生活，增加了同学间的互动性，使学生所学的理论知识和实践有效结合起来。

依托江苏省大学生创新基金项目，创新实验室小组成员依次顺利完成了多足爬壁机器人和自动化立体停车库等机电一体化作品的设计及制作。实验室小组成员还成功设计制作了航空模型飞机、旋翼飞行器、遥控模型车、跳高机器人等科技作品。这些科技作品又可以应用到课堂教学之中，丰富课堂内容。

实验室齐全的实验设备和良好的学习氛围，吸引了越来越多的优秀学生参与到科技创新的实践中来。实验室由学生自行管理，要求学生遵守实验室的使用管理规范，满足了学生课外科技创新训练要求，提高了实验室的利用率，已逐步形成可持续发展的课外科技创新活动机制。

五、结论

为适应当前高科技的快速发展和社会形势对高素质应用型人才的需求，结合我院创新育人模式，本文阐述了对机械原理理论及其实践教学进行的一系列改革尝试和探索。通过加强基础学习、改进教学方法和教学手段、强化实践教学环节、开展课外科技创新活动等教学改革措施，有效培养了学生的综合设计能力和创新实践能力，增强了学生的社会竞争能力。