深化机械设计课程体系改革

深化机械设计课程体系改革　强化学生实践能力培养

吴克坚　钱瑞明　许映秋　黄　克　姚　华

一、成果背景

自新中国成立初期全国高等教育全面学习前苏联开始，全国各工科院校机械类专业即陆续开设了机械原理和机械设计（或称机械零件）两门课程。该两课程经过数十年的发展，在全国各高等工科院校均形成了很好的工作基础。但是，若从整体上审视这两门课程的课程体系、教学内容和实践环节，我们认为仍存在如下需要探讨和解决的问题：

（1）由于受前苏联教育模式的深刻影响、计划经济体制的束缚和“基本要求”等规范的约束，数十年来机械原理、机械设计这两门课程对应的教材内容和教学内容基本变化不大，相互之间缺少衔接、合理分工以及优化整合，两门课程的总体效能未能充分显现。

（2）传统两课程的实验环节均内含在课程理论教学之中，无独立的学分要求，不存在重修、补做等问题；实验项目设置少，学生没有选做、多做的余地；实验类型多以演示型、验证型为主，学生动手机会、自行设计实验的机会少。学生实验成绩只占课程总成绩很小的比例。

（3）两课程均设有相应的课程设计，虽各有独立的学分要求，但在时间安排上错位一个学期，在选题上往往各自为政，缺乏系统性，不利于工程设计各环节的全面训练和创新能力的培养。

（4）实践环节局限于与单门课程间的联系，缺少基于课程群以及学科体系、充分体现专业特色的大综合。

（5）对学生课外科技实践活动重视不够，没有相应的政策引导。

针对上述问题，本成果在继承和发扬原机械原理、机械设计两课程半个多世纪教学、教改经验与成果的基础上，依托教育部面向21世纪“工程制图与机械基础系列课程教学内容与课程体系改革的研究与实践”、“高等教育百门精品课程教材——机械设计立体化教材建设”、“《机械设计》国家级规划教材建设”、“《机械设计》国家级精品课程建设”、江苏省“机械设计制造及其自动化品牌专业建设”等教学教改项目，从课程体系改革和教学内容、实践环节的整合与提高入手，于1999年在国内率先提出并重构了具有自身体系与特色的“机械设计”新课程，并探索出一整套具有时代特征的课程建设模式。

机械设计新课程构建的指导思想是：将近年来课程组和兄弟院校的相关教改研究成果引入课程教学实践，以机械系统方案设计和创新能力培养为主线，打破传统机械原理、机械设计两课程的界限，从整机和系统的角度出发，对课程体系、教学内容和实践环节进行整合与提高，通过教学内容的内拓、教学环节的外延和课外综合实践的纵向扩展，构建新的教学模式和教学环境，以此全面强化学生学习能力、实践能力和创新能力的培养。

至今，新课程的教学体系已连续经过5年的教学实践，受益学生近2000人，在学生综合机械设计能力、创新能力、工程实践能力的培养中成效卓著。

二、机械设计课程体系的创新

机械设计新课程将知识体系整合内拓为“机械设计基本理论”、“常用机构及其传动设计”、“通用零部件设计”和“机械系统设计”这“四大模块”，将教学环节外延为“四位一体”的理论教学（96学时6学分）、实验课程（32学时1学分）、课程设计（4周4学分）和课外综合实践（可获得奖励学分），将课外综合实践纵向扩展为“四路并进”的专题研究、综合型大作业、科技创新活动和机械设计竞赛。课程的模块化体系结构如下图所示。

三、实践能力培养模式的设计与效果

我们在机械设计新课程的教学实践中，为学生实践能力的训练提供了多种途径，并取得了显著实效。

（1）专题研究

在理论教学中给出一些深层次的专题研究提示与思考，学生通过检索有关文献资料进行自主学习与研究，撰写研究报告。

（2）综合型大作业

作为理论教学中实践能力培养的重要举措，在机械设计课程教学的两个学期，均要求学生完成若干综合型大作业。为开阔学生思路，期间适时安排了有针对性的若干专题讲座（目前已开设5个）。其目的是训练学生的机械系统方案创新设计能力、三维设计能力、工作性能分析能力以及信息技术与现代设计技术的应用能力。

学生在完成综合大作业后的感受颇深：“大作业锻炼了我通过查工具书、参考书来获取知识，进而解决实际应用问题的能力。同时，使我第一次亲身感受到如何将自己所学知识付诸实践，如何将各方面的知识和能力融合到一处，综合应用。”

（3）实验课程

将原“机械原理”与“机械设计”的实验环节从两课程中剥离出来，在全国率先构建了机械设计实验课程，并新编了《机械设计实验指导书》，按“四大模块”体系设置了不同难度等级的20多个实验项目，以创新设计型、自主设计型（提出实验方案，搭接实验系统）和综合型实验为主。实验按课程要求进行考核。

对于系级、校级优秀学生（有专门指导教师，按准研究生模式培养），要求他们结合研究课题开展研究型实验，自行提出实验研究目标、思路与方案，自行设计实验装置，实验室提供基本条件与环境并给予指导。

实验单独设课提高了学生对实验教学环节的重视程度（实验课成绩不合格必须重修）；综合型、自主设计型、创新设计型实验项目提高了学生的实验兴趣、动手能力和综合实验能力，加深了对课程内容的认识。

（4）课程设计

将原隶属于机械原理、机械设计课程的两个课程设计整合为时间集中、任务统一的“机械设计课程设计”。选题结合工程实际和教师的科研与产品开发，注重整机设计能力和创新能力的训练，并强调“多方案、再设计”的思想。

例如，机械设计课程设计题目之一是“游梁式抽油机机械系统”设计，要求学生从系统的角度首先进行动力机的选择和传动系统、执行系统方案的创新设计，然后采用优化方法对系统进行运动学设计，在此基础上再进行关键零部件的工作能力设计和结构设计。在结构设计方面，初步建立了由三维设计到二维设计的教学新模式，要求学生基于Solidworks等软件进行三维装配设计以及结构件二维图生成。

一位学生在完成机械设计课程设计后认为：“这是我第一次做设计，经过四个星期的努力终于完成了。其中涉及的知识点几乎涵盖了整个课程的内容，使我进行了一次较完整的机械设计方面的基本训练，锻炼了实际分析和综合运用的能力。”

（5）设计与制造的贯通

从2002年开始，将“机械设计课程设计”与“现代制造技术综合实践”（2周2学分）打通，两者统一任务，分段完成，使每位学生能亲历亲为设计→制造→装配这一过程。学生按2～5人一组自由组成团队，通过分工和协调合作，完成三维设计、加工工艺编制、数控加工编程、数控机床操作和零件装配等工作。

在2003年、2004年两届实践中，学生们对这种大型综合实践的教学模式给予了高度的评价：这次实践给了他们一个崭新的机会去发挥他们的想象力和创造力，不仅强化了他们的整机观念，提高了综合设计能力和动手能力，还培养了他们协同工作的能力和综合素质。

（6）科技创新活动与机械设计竞赛

学生利用实验室条件，结合学校立项科研训练计划项目或自选项目，开展各类课外科技活动。

从2003年开始每年主办面向全校本科学生的机械设计竞赛。2003年首届竞赛共有近100名学生组队参赛，11项36人获奖，其中获奖作品“机器鱼”曾被江苏电视台、南京电视台等多家新闻媒体报道；2004年有12个院系近200名学生组队参赛，24项近100人获奖。课外创新实践成果突出的学生，按学校有关政策还获得了奖励学分。

学生作品于2004年9月获第一届全国大学生机械创新设计大赛一等奖、三等奖各1项，我校获“优秀组织奖”。学生获批实用新型专利多项。

四、教学资源建设

（1）实践环境建设与管理

结合世界银行贷款项目东南大学“机械基础教学实验中心”的建设，针对机械设计新课程在实践环节方面的教学要求，近5年在设备硬件、实践环境等方面累计投入500多万元，实践装备和实验技术具有先进水平。

本成果项目组新实验台的研制在国内享有盛誉，研制的多种新实验台均形成批量生产，并畅销全国。近期自行研制的多种小型化新实验台已在近二十所学校推广应用。“回转件平衡实验台”和“凸轮轮廓检测实验台”于2002年7月分别获江苏省自制实验仪器二等奖和优秀奖。

实验室面向全校学生开放，并从管理制度上保证学生学习能力、实践能力、创新能力培养目标的实现。

（2）立体化教材建设

近年来，本课题组以几代教师数十年积累的教材建设经验与成果为基础，努力探索教材表现形式的多元化以及课程改革与建设的新理念、新成果在教材中的固化。目前，本课程已基本形成了教材的系列化、立体化，在教学实践中发挥了很好的作用，在全国产生了较大影响，并被高等教育出版社评价为机械设计类教材的研发基地。由本课题组教师负责、以立体化形式呈现的“机械设计课程教材”和“机械设计基础课程教材”均于2003年7月列入“高等教育百门精品课程教材建设计划”一类精品项目，并成为国内机械原理、机械设计类教材中唯有的两本一类精品建设教材。近期主要教材如下。

·《机械设计》纸质主教材及电子版《机械设计学习辅导》——高等教育出版社，2003年3月，为面向21世纪课程教材和普通高等教育“十五”国家级规划教材。

·“机械设计网络课程”——教育部新世纪网络课程建设工程项目，已在高等教育出版社网站【网络课堂】运行1年多。于2002年10月获江苏省多媒体教学课件竞赛二等奖，于2003年11月通过教育部组织的验收。

·“机械设计CAI系列软件”——国家“九五”重点科技攻关项目，于1999年8月通过教育部主持的鉴定，鉴定结论为国际先进水平。其单机版和网络版于1999年11月由高等教育出版社出版，于2002年10月获全国普通高等学校优秀教材一等奖。

·机械设计电子教案——作为高等教育百门精品课程教材建设项目，自主开发了全套开放式ppt电子教案，内含近400个avi播放文件，利用多媒体技术和动态仿真技术来充分展示复杂机械的结构、机构运动过程、传动机构设计原理与步骤以及工程应用现场等信息。

（3）网上教学资源建设

为满足学生课外学习的需要，同时充分发挥教学资源的广泛作用和教学成果的辐射推广作用，我们建有东南大学机械设计课程网站（http://me.seu.edu.cn/course/mechdesign/）和教学成果展示网站（http://www.epal.seu.edu.cn/jxcg）。课程网站教学资源模块如下表所示：

五、特色与应用情况

本成果以所在学科在教学研究、教学改革、教材建设等方面数十年精髓的沉积为基础，通过近年来在课程体系和教学模式上的锐意改革与创新，实现了跨越发展。近年来，承担教学研究与教学改革项目20项（教育部10项，省级1项，校级9项）；取得各类教学成果奖励20项（教育部及国家级8项，省级8项，校级4项）；发表教改教研论文28篇。

本成果的主要特色和创新点如下：

（1）构筑的基于“四大模块”知识体系、“四位一体”教学环节和“四路并进”课外综合实践的机械设计新课程体系为国内首创。实现了教学内容的内拓、教学环节的外延和课外综合实践的纵向扩展，体现了学生能力培养的循序渐进性，突出了整机观、系统观、创新观和发展观，理念新，特色鲜明，实践效果及人才培养效益显著。

（2）将理论教学中的“专题研究”、“综合型大作业”与实践教学中的“实验课程”、“课程设计”、设计与制造“贯通实践”、“课外科技创新活动”、“机械设计竞赛”有机结合，并辅以专题讲座，为全面强化和提升学生的实践能力与创新能力提供了形式多样的实践训练途径，在学生实践能力培养模式方面迈出重大步伐，并已取得显著实效。

（3）教材建设全国一流，既有数十年精髓的沉积，又有近年来的跨越发展与创新以及改革新理念、新成果在教材中的固化，已基本形成系列化、立体化教材体系，网上教学资源丰富，为新时期的课程建设与教学实践提供了有力保证。

基于机械设计新课程体系的理论教学、实验课程、课程设计以及专题研究、综合型大作业等环节，从1999年8月开始，在我校已经过5届本科学生的教学实践，受益学生近2000人；课外科技创新活动、机械设计竞赛的组织以及将“机械设计课程设计”与“现代制造技术综合实践”打通的教学模式也已经过两届学生的实践，在全面提高教学质量和培养学生知识、能力与素质等方面收到了很好的效果，尤其是在学生实践能力和创新能力的提升方面实效显著。

五年的实践积累，形成了一整套新的教学资源和教学模式，包括：先进的实践装备与环境，系列化、立体化教材和丰富的网上教学资源；为学生构筑了专题研究、创新设计与制作和设计竞赛等形式多样的课外实践环境。对学生知识、能力、素质的协调发展和个性化成长发挥了重要作用。

本项目的建设与实践情况曾在全国性和地区性机械原理、机械设计等教学研讨会上作大会交流，受到兄弟院校同行专家的充分肯定和高度评价，一致认为具有很强的示范性和重要的推广价值；哈尔滨工业大学、北京科技大学、山东大学等二十多所高等学校的教师来我校观摩交流，新的课程体系与改革思路已在全国产生很大影响，正在向多所院校辐射。