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设计思想和反求设计《机械设计基础》教学中的应用研究
2013-11-14 08:23 康博 

1.问题提出的背景

《机械设计基础》是面向机械类和近机类各专业中研究机械共性问题的主干技术基础课,其目的在于应用机械设计理论和方法,培养学生从事机械设计、使用和维护的综合能力和开发创新能力。特别是培养复合型、理论与实际相结合、具有创新思想和创新能力的人才方面起着十分重要的作用。本课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本方法,在培养能力方面着重设计构思和设计技能的基本训练,培养学生的综合设计能力并将此能力体现在其他后续专业课程的学习当中。

《机械设计基础》也是我校机械学院各专业的一门主干课程。但是,由于这门课比较传统以及课程本身的特点:概念多、公式多、参数多,以往常常被称之为“机械零碎”。在教学的过程中,我们也发现学生并未将设计认为是一个综合性的设计工作,而是将在《机械设计基础》中所学习的各类机构和零件割裂开来,不能达到本门课程培养综合设计人才的目的。例如,现在机械行业中常用的设计软件,如Solidworks、Pro/E、UG等,许多学生并不能把这些软件认为是设计软件,而仅仅当成画图软件,因而,在使用的过程中不能将自己所学习的《机械设计基础》的相关知识以及其他的机械专业知识共同融入到软件的使用中去,真正完成设计工作。

另外,在机械类人才的培养过程中,《机械设计基础》这门课是培养设计型和创新型人才中很重要的一门课程。虽然,《机械设计基础》这门课程的相关知识属于传统的机械设计范畴,但是,在课程教学和人才培养过程中,我们可以考虑适当引入先进的设计方法和设计理念,让学生能够利用传统的设计方法和现代的设计方法共同融合到设计的过程中。

鉴于以上原因,有必要针对这些现象,把实际生动的综合教学案例引入到《机械设计基础》教学工作的始终,让书本上的知识不再零碎,让学生在日后的设计工作中将设计思想始终贯穿于设计工作的始终,将设计工作看成是一个综合的、系统的工作。同时,在《机械设计基础》的实践教学工作中,利用我院开设的综合性和设计性的实验,先在课程的实践教学领域,试点引入现代的设计方法,在时机成熟时,在逐渐拓展到课堂的教学工作中。

2.研究的主要问题

传统《机械设计基础》课程教学模式存在的问题:教学手段单一,教学方法匮乏。传统的教学模式教师在讲台上满堂灌输公式、概念和方法,欠缺综合性和系统性。长期以来,《机械设计基础》的教学主要按照学科体系来进行,以传授机械设计知识为主要目的,培养的学生仅仅会在考试卷上进行“设计”,严重缺乏对学生综合设计能力的培养。

根据传统教学模式存在的问题,本研究工作结合课程特点以及培养目标。主要在《机械设计基础》的教学改革中,利用典型的工程实例为研究对象,将实例贯穿于教学过程的始终,把课程教学的主要内容融入设计项目的各个阶段,以工程实例中所涉及的机构和各种典型零部件的设计为载体开展教学,让学生将设计思想始终贯穿在课程的学习过程中,从而更好地培养学生的设计能力。在课程的实践环节中大力探索综合性和设计性的实验开设,并在实验中引入现代机械设计领域的反求设计的思想。课堂教学和实践教学环节均取得良好的效果。

3.研究内容

3.1设计思想在《机械设计基础》中的应用

《机械设计基础》课程有概念多、公式多、参数多的特点,以往学生在学习每一章节的时候均割裂来学习,最后课程学习完后,不能讲各个机构以及各个零件综合的应用到机械产品的设计过程中。为此,我们在教学的过程中将中国测量技术研究院的一个实际生动的具体工程——“力基准机加码装置的设计”引入到课堂,将“教师一学生一课堂”思维转变为“企业领导一设计中心技术人员一加工车间”思维。在教学中让学生把他们自己定位为企业设计中心的技术人员,学生可以假想自己已经毕业并进入了某企业的技术中心成为了技术人员,上面有企业领导,下面是企业的加工车间。上面有领导,要给技术人员布置设计任务,这样使学生自身产生“压力”,从而可增加学习上的动力;下面是加工车间,可以使学生把设计和其相关的制图、材料、加工工艺等各个环节紧密联系起来,做一个真正的机械设计工程师。通过这样的方式创造一个真实的情景,激发学生创造性地解决问题的欲望,通过实践到理论,理论到实践的过程领悟默会知识并把知识内化为能力,让设计的思想贯穿于学生学习的始终,最终达到全面提高学生综合设计的能力。

3.2反求设计在实践教学中的应用

由于本课程是工科类的一门专业基础课程,所以实践教学中不可缺少的重要教学环节,是培养学生理论联系实际、分析问题和解决问题的重要手段。我们在课程的实践教学过程中,积极进行教学改革,变单一的验证性实验为综合性和设计性实验,大力开展综合性和设计性实验教学,例如:减速器拆装实验和机械设计综合实验等实验。其中减速器拆装实验就是本课程中一个综合性的实验。在该实验的教学过程中,我们不断地进行改革和创新,把最新的设计方法引入到实验的教学活动中,取得了良好的效果。

3.3加大实践教学环节在教学中的作用

创新是高科技发展的动力和源泉,是一个民族进步的灵魂,是国家兴旺发达的不竭动力,创新能力的培养,是我国21世纪人才培养的核心目标。在《机械设计基础》教学改革中,我们十分注重培养学生的创新能力。借助于我院机械设计和机械原理实验室,以注重培养学生的工程实践意识、创新意识和动手能力为原则,对实验教学和课程设计做了以下改革:

(一)加强动手能力的培养,培养创新意识

我们在课程实验中开设了机械零件认知实验、机械性能实验和机械设计综合实验。机械零件认知实验主要是通过实验项目的进行,增加学生对机械结构形式、种类和运动规律的理解和认识。机械零件认知实验室有新式机械零件陈列柜、机械创新设计陈列柜,通过参观陈列室的各种机械零部件、简单机构、机械的工作以及实际机械的运动过程等增加学生的感性认识,调动学生的热情,使学生对工程实际问题有了初步认识。

机械性能实验是通过实验现象,证实课堂教学的某种理论或规律等。在完成验证实验的基础上,实验室增加了各种传动性能综合实验设备、各种连接的机械性能综合实验和轴系零件的机械性能综合实验设备,加强了学生对机械零件性能的理解,深化了课堂教学效果,培养了学生的动手能力。

机械设计综合实验改变了学生在实验学习中的被动地位,由学生自主设计实验项目的实验方式、方法和步骤,培养学生的创新思维,开发创新潜能。实验室有机电组合创新设备、机构组合搭接创新设备、加工制作设备等,为学生提供了良好的实验环境。综合实验教学使学生在实践中掌握综合设计的基本方法,提高了学生的机械设计创新能力。

(二)开放实验室

为发挥学生的主动性,打破实验教学受实验学时的限制,改变多年的传统实践教学方法,我们同时面向教师和学生开放实验室。学生自主对实验项目进行设计、改进,自己选择仪器、操作实验过程,增加了学生实际动手的机会,培养了学生分析问题和解决问题的能力。

(三)《机械设计基础》课程设计改革

《机械设计基础》课程设计是学生运用所学知识进行机械设计实践的重要环节,也是机械类学生接触到的第一个设计课题,它对培养学生的工程设计意识、设计能力有十分重要的意义。传统的机械设计一般是以减速器为设计对象,并在设计题目中给出明确的、经过验证的设计数据和设计方案。我们改革了这种让学生“找葫芦画瓢”的做法,要求学生从方案开始进行设计,并把整个设计环节分为方案设计、总体设计、施工设计等几个阶段,培养学生正确的设计思想,鼓励学生敢于否定现有的参考方案和结构设计,培养学生的创新意识和创新能力。

在课程设计中我们鼓励学生运用现代设计方法和现代设计手段,如优化设计、计算机辅助设计、智能设计等。我们鼓励并指导部分学生进行三维计算机辅助设计,先后完成了二级展开式斜齿圆柱齿轮减速器、圆锥一圆柱减速器等产品的设计,并运用CAE进行模拟仿真,使学生对自己的设计结果进行虚拟验证,不仅培养了学生计算机辅助设计的能力,而且培养了学生独立分析问题、解决问题的能力。

4.重要建树

通过这样的教学改革工作,我们在实践中修订了《安阳工学院机械工程学院《机械设计基础》实验指导书》和《安阳工学院机械工程学院《机械设计基础》实验大纲》。先后在中文核心期刊上发表了2篇论文和在CN期刊上发表了1篇论文。另外,参与编写了《SolidWorks产品造型设计实战精解》一书。

(一)发表论文

[1]康博,张伟,陈守强等.力基准机独立连续加码装置的设计[J].机床与液压.2013.41(4):133-136.(中文核心)

[2]康博,冯利民,张弘等.力基准机独立连续加码控制系统的设计[J].机床与液压.(中文核心,预计2013年8月见刊)

[3]康博,梁永政,朱艳芳. 反求设计在《机械设计》实验教学中的应用[J].安阳工学院学报.(2013年5月见刊)

(二)著作

邢启恩等.SolidWorks产品造型设计实战精解[M].北京:机械工业出版社.2012.12.(参编)

5.教学改革方案和实践过程

5.1设计思想在《机械设计基础》中的改革方案和实施

(一)教学内容的调整

引入具体工程实例到教学中,必然存在如何调整教学内容的问题。教学内容的调整要遵循“必须、够用”的原则。强调自学能力的培养以及知识之间的关联。我们把理论课程内容分解为基本内容和拓展内容两大部分。基本内容属于了解课程脉络以及基本概念、基本方法必不可少的基础性内容,所有专业的学生都必须学习。拓展内容根据专业要求,针对不同的教学目标进行选择。通过项目这个媒介,把基本内容和拓展内容有机的联系起来。

在不改变总学时的约束下引入工程实例教学,必然存在如何安排教学时间的问题。我们在教学改革试验中,采用以工程案例的具体剖析取代课本例题引入教学内容,以做工程取代做常规作业的方式。这样可以不改变知识总量,只改变呈现这些知识的载体,总学时保持不变。

(二)教学过程设计

首先在“绪论”中引入将要进行“力基准机加码装置的设计”这个项目,分析所要达到的设计要求,引出必须具备的设计知识,解决为什么学、学什么、如何学的问题。

在设计项目面前,学生面对着从无到有设计加码装置的设计任务,首先产生的是如何表达自己的构思这个需要,从而产生要掌握“机构运动简图”、“机构有确定运动的条件”等知识的欲望。完成这些内容的教学后,学生就可以按照实例中关于力基准机加码要求来构思一些简单的机构。在这个过程中,学生必须通过各种途径获取关于加码设备的信息,构思出不同的方案。

初步方案确定后,怎样才能满足力基准机砝码加载和卸载过程的位移、速度和加速度要求这个问题就自然提到议事日程上,产生掌握机构运动分析知识的欲望。常规教学方式对已经存在的机构进行研究,学生不知道如何根据所学的知识设计出满足要求的机械。采用具体工程实例的方式就必须确定未知的机构尺寸,使其取值符合运动和动力要求。在这个环节中,学生通过自学掌握相关的计算机应用软件,完成自己所设计实例的运动分析,通过修改各部分尺寸,最终获得满足设计要求的机构运动尺寸。

此时学生具有修改自己初步方案的强烈愿望,但深感机构设计方面知识的缺乏。这是进一步推进机构设计方法教学的时机。针对力基准机加码设备运动过程的分析后,首先引入平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、蜗轮蜗杆机构和螺旋传动的设计。由于采用了具体工程实例,在教学的过程中不仅可以方便地扭转常规教学中存在的“只管教、不管用”的弊端,而且让各章节的知识更好地联系起来。例如凸轮从动件的运动规律,书本上只介绍了常用的运动规律及其选择的原则。实际上,光靠选择往往不能满足要求。在实例中,力基准机的加码运动规律要严格符合工艺要求,其运动规律必须从工艺动作出发自己来设计。通过这个环节,学生经历了如何从简单抽象的用户需求分解出具体的设计要求的过程,填补了完成真实工程所需要的基本能力训练。经过这样的训练,学生才会明白课本知识是需要经过转换才能真正运用到实际的。

内部具体的重要的传动装置设计出来后,学生就会对配套传动机构的零件的设计产生的强烈的愿望。针对这些零件的设计过程,在教学过程中引入螺栓、键连接和销连接、滚动轴承、轴和联轴器的教学。通过这样具体引入一个工程实例贯穿于整门课程教学的始终,把原来互相分割的知识联系在一起,引导学生针对某一具体问题及其背景,学习、研究如何综合地运用多学科的知识和经验去分析和解决问题,以期达到全面提高学生能力的目的。通过这样的方式,学生始终将设计的思想贯穿于知识的学习中,从而,在日后的工程设计中,始终将“设计”这两个字贯穿于心,而不会为了把整个设计工作割裂开来。

5.2反求设计在实践教学中的改革方案和实施

(一)减速器拆装实验的介绍

减速器拆装实验是学生在进行了课程的学习的基础上需要完成的一个综合性的实验教学的环节,也为后续的《机械设计基础》课程设计打下坚实的基础。通过这个实验学生可以了解常见的减速器的结构,掌握齿轮、滚动轴承和轴之间的装配形式,掌握减速器内部装配和调整的过程,掌握减速器的各个参数的测量方法。通过这个实验能够使学生对于《机械设计基础》课程当中齿轮传动、滚动轴承和轴等多个章节的内容有了更具体的认识和体会,能够更好地把书本上的理论知识和实际问题联系起来。

(二)反求设计在减速器拆装实验中的具体应用

虽然对于《机械设计基础》这门课来说,主要是对于传统机械设计的方法进行讲解,但是无论在理论课的教学中还是在实验课程的教学环节中,我们都尽可能地将先进的设计理念引入到教学中来,让学生尽可能地了解最新的设计手段和设计方法,在日后的设计工作当中,能够把先进的设计手段、设计方法和传统的、经典的设计手段和方法想结合,更好地运用所学的知识解决实际问题。对于减速器拆装这个实验来说,在教学过程中充分将教师教的主体和学生的主观能动性结合起来,让学生了解反求设计的简单思路和过程,和学生一起探索解决减速器中零件测量存在的一些问题。

反求设计(也叫逆向工程)是指针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。它主要根据先进产品设备的实物、软件、图纸、技术文件或者影像资料等作为研究对象,应用现代设计理论的方法进行系统的分析和研究,掌握其关键技术,进而开发出同类的先进产品。该方法是机械设计中较为先进的设计方法之一。我国的反求设计制造方面和发达国家有比较大的差距,社会急需要一大批此类人才,但是在我国高校中,对于反求设计的相关知识的课程并不多。我们在这个实验中创造性的尝试引入了反求设计的思想,使学生初步了解反求设计的一些相关知识,更有利于他们日后设计工作的开展。

学生在实验中需要进行齿轮参数的测量,学生无法很准确的找到齿轮的分度圆,更无法精确地测出齿轮分度圆的直径,以及齿轮的模数。为了高效、精确地测得齿轮的参数,我们可以引导学生利用反求设计的方法进行测量。学生可以很容易测得齿轮的齿顶圆直径da,通过计数可以数出齿轮的齿数z,如果该减速器是斜齿圆柱齿轮减速器,还可以测得斜齿轮的螺旋角β,另外,由于该齿轮是标准齿轮,还可以得知齿轮的压力角 ,齿顶高系数 ,顶隙系数 ,根据齿顶圆直径的计算公式可以反求齿轮的模数m。但是,这样反求出来的齿轮模数大多都不是标准模数系列,这时,我们让学生思考,理论课中齿轮的模数是国家标准规定了的,不应该是一个任意的值,这时学生会对照标准模数系列表,将模数就近圆整成标准模数系列,从而可以确定齿轮的模数m。根据这个标准的模数m,以及齿轮的齿数z,和压力角,齿顶高系数和顶隙系数,就可以确定该齿轮的各几何尺寸参数,并再将这些几何参数填入实验报告的记录表格中。

在减速器中有多种多样的螺栓,为了能够确定其尺寸,在实验中,要求学生主要对螺栓的大径(即公称直径)进行测量。学生测得的大径由于误差原因不一定是标准值,在教学过程中,让学生让学生根据自己测得的大径,到国家标准中查找相接近的标准螺栓进行圆整。最终,将圆整后的螺栓公称直径记录在实验报告中。

通过反求设计在该实验中的引入,使得学生不仅更好地了解了先进的设计方法,而且还能更好地培养学生的设计能力和工程素养。

6.实践意义

(一)提高了学生学习的主动性

提高学生自主创新能力是工科院校的重要目标之一。体现学生在教学过程中的主体性是首先遇到的问题.明确。学”是教学的中心,引导学生积极参与,激发其学习动机,培养他们的创新意识和理性思维。在教学中引入具体的工程项目,从项目的给出到项目的结束,在项目的完成过程中,学生都始终被项目的各个环节所吸引,为了完成这个具体的工程项目,学生就在上课过程中,带着问题进行分析和学习,主动提出问题,解决问题,这大大提高了学生学习的兴趣和主动性。

(二)提高了学生的综合设计能力

在课程改革的实施过程中,具体的工程实例贯穿于课程的每一章节,这样更好地将书本中孤立的各章节生动形象的联系起来,更好地培养学生的综合设计能力,在日后的设计工作中,把设计的思想始终贯穿于设计工作的始终。

(三)增强了学生的创新能力

在课程改革的实施过程中,通过实践教学环节,创造性的引入了新的设计方法和设计理念,让学生了解机械设计的发展方向,并且将传统的机械设计方法和现代机械设计方法有机的结合起来,共同完成设计工作,有利于学生创新能力的培养。另外,在实践教学环节,增加综合性和设计性的实验教学环节,特别是设计性实验的教学环节能够很好地培养学生的创新能力。同时在教学过程中我们教师及时帮助善于思考的青年学生捕捉智慧的火花,完成一项立足于实践的发明创新,激发学生对科学的兴趣,培养学生的社会责任感。

(四)提高了学生的动手能力和团队合作精神

学生在课程实践环节通过实验和课程设计,将学生分组完成任务,在实验和课程设计的工作中始终由学生亲自动手完成,这从多方面锻炼了学生的团队合作精神和动手能力。

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