段红燕 刘洪芹 李朝晖 何贵平

[摘 要]“机械设计基础”是机械类专业的一门基础专业技术课，是后续专业课程的良好铺垫，更是机械工程技术人员在生产实践中必备的基本技能。从课程设计和毕业设计这两个方面分析了当前机械设计基础教学中存在的问题，针对这些问题研究了在课外实施机械创意设计大赛项目的教学方法改革，并加以实践。通过一个案例说明实施该教学改革后，学生的创新设计能力和工程设计能力得到较大的提高。

[关键词]机械设计;创意设计;大赛项目

[基金项目]兰州理工大学高等研究项目“以‘多维创新为目标的机械类大学生学科竞赛教学改革路径探索与实践”（GJ2019C-52）

[作者简介]段红燕（1977—），女，河北邯郸人，博士，兰州理工大学机电工程学院副教授，主要从事结构疲劳强度与工业机器人技术及应用研究;刘洪芹（1971—），女，山东高唐人，硕士，兰州理工大学机电工程学院讲师，主要从事机械工程研究与应用研究;李朝晖（1970—），男，甘肃天水人，本科，兰州理工大学机电工程学院讲师，主要从事机构设计与风力机技术研究。

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）45-0-03 [收稿日期] 2020-06-05

“机械设计基础”是工科院校机械类及近机械类专业的一门专业基础技术课，它在机械工程专业学生的学习过程中起着承前启后的作用。课程学习所奠定的机械理论基础是机械工程专业学生终身学习使用的学术创新和技术变革的动力。[1]本课程讲授与工程实践密切相关的机械理论知识、思维和方法[2，3]。由于对一些工程实践知识缺乏深度认识，传统的教学模式又重理论轻实践[4]，在学习过程中，学生产生了理论与实践的距离感，理论知识的无用感，导致学生缺乏扎实的专业知识，培养的专业人才不能得到社会实践单位和工程师资质的认可。因此，探索机械设计基础课程的教学规律，进行课程改革迫在眉睫。这也是改变教育理念，改变传统的以课程教学为产出的必经之路。

一、学生工程设计现状

根据教学计划的要求，工科学生应完成两种形式的工程设计：课程设计和毕业设计。

（一）课程设计

工科院校为每个重要的专业课程都做了相对精准的设计。我校机械设计基础与机械设计课程都是设计两级减速器，设备设计课程设计是夹具设计，液压传动课程设计是液压回路的设计。这些课程设计的最终实施方式是绘制整套图纸（包括装配图和零件图）。最基本的要求是合理结构，正确图纸，润滑可行，零件尺寸、公差和技术要求标记清楚合理可行。目前，大部分高校的机械设计基础学时仅为60学时左右，有的高校甚至更少。面对目前的这种情况课程设计中，很难达到上述要求。相当一部分学生的结构装配图绘制得很勉强，正确标注和制作工艺卡更是困难。后果就是：学生为了完成设计任务，只能抄书，不能正确合理的使用运算结果去设计绘制图纸。

（二）毕业设计

工科院校实践性教学环节最为重要的就是毕业设计，是学生毕业前夕总结性地独立作业，综合运用所学理论、知识和技能，提高学生独立工作能力，增强创新意识，是培养学生解决实际问题能力的重要途径。通过对学生以往多年来的毕业设计的分析，主要存在以下问题。

1.确定毕业设计课题后，进入课题的时间较长。毕业设计的题目来源于实际工程，学生对工程背景了解甚少，致使确定设计方案的时间较长;如何用工程语言精准表达;图纸绘制相对困难等。导致方案出不来，后续工作无法再正常开展。

2.创新意识不强。由于迟迟确定不了设计方案，再加上毕业设计时间紧张，教师不得不“填鸭式”教学。教师在指导过程中，不由自主地把自己的设计理念和思路传递给学生，学生习惯性地接受，致使学生的创新意识淡薄。

3.毕业实习环节没有起作用。确定毕业设计课题后，学生们需要去一些工厂进行考察。他们不能完全理解制造商提供的工艺图纸。装配图上表达的结构原理和装配线只能大致理解。究其原因，在高校制图教学中，装配图教学相对简单，加上学生的工程实践较少，知识面比较窄，对于复杂的机器装配图看起来吃力，识图能力较差。

4.圖纸的正确表达和标注存在问题。零件图与装配图不一致，因为零件图中表达的内容与装配图无关。有些学生随意标注公差，特别是零件图上的公差要求与装配图上的公差要求不符。撰写技术要求时，不清楚装配图和零件图的技术要求表达重点。

二、机械设计基础教学存在的问题分析

作为机械设计专业的一门基础课程，在教学中应反思存在的问题，归纳为以下几点。

1.机械设计基础讲授内容与工程实际应用存在很大差距。机械设计依据，是根据机械的工作原理、结构、运动、力和能量传递方式的要求，各部件的材质、形状和尺寸，润滑方法的概念、分析和计算，并将其转化为具体的描述，作为制造工作过程的依据。陈旧的授课内容，在实际的工程设计实践中很少用到。工程实际重在机构的设计而非分析。学生把杆件、齿轮、凸轮和它们的组合理解为机构，对其进行结构分析、运动分析、力分析等，但在实际的工程应用中，用到的机构大都是传统机构的改进，学生对于实际的机械产品没有感性认识，所以，应补充一些与工程应用联系较紧密的或学科前沿知识。

2.机械设计基础的各章节之间比较独立，与其他课程结合少，综合性不强，对学生工程实际能力的培养不够。机械设计基础理论章节的各章节之间比较独立，大都是理论力学内容的延伸，与机械类的课程结合较少，现代创新机构和现代优化设计工具很少涉及，与实际产品设计存在较大差距。

3.考核制度不完善。机械设计基础课程的考核形式以闭卷为主，几乎都是对理论知识的考核，不利于对学生工程实际能力的培养。

以上问题的存在，使得机械设计基础教学不能与时俱进，导致一定程度上的理论脱离实际、教学枯燥、学习热情减退、教学质量下降。

三、機器创意设计大赛与机械设计基础教学

针对机械设计基础教学中存在的上述问题，开展机械设计基础教学的改革、研究和实践。在教学过程中，让学生通过课余时间完成作业，并鼓励参加机器创意设计大赛，经层层选拔，直至参加全国性的机械创新设计大赛和全国“大学生创新创业训练挑战赛”等。在课程的第一堂课即布置大作业，提出要求，让学生明确任务，比如：要完成机器的机械结构和控制硬件，并编写控制程序，其中包括功能分析、运动学与动力学计算、电控图和程序等。

教师根据每届的大赛主题制定题目，也可以由学生自主选题，教师进行指导。学生则自愿组合，以4～5人为一组完成这项大作业。通过这样的活动实施，迫使学生理论联系实际，带着问题去学习，激发学生对机械设计基础课程及科创活动的兴趣。教育理论家已经明确指出，“让学生在体验和创造的过程中学习是最有效的学习方法”[5]。在完成作业的过程中，会出现具体的问题需要学生解决。通过解决问题的过程体验，可以激发学生自主学习的积极性，提高学习兴趣。探索解决问题的方法，可以激发学生的创造热情和创新能力。

近年来，通过对竞赛难度和内容的不断改革，以及对学生的艰苦指导，涌现出了许多优秀作品：如学生制作的多功能行走轮椅车获得甘肃省第六届挑战杯一等奖，自制车模在第八届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛中获得全国总决赛二等奖，舞蹈机器人在“中国机器人大赛暨RoboCup公开赛”舞蹈机器人大学组竞赛中获得一等奖等，这些好成绩是在机械设计基础教学中引入机器创意设计大赛项目完成的，学生对参与竞赛和创新设计的兴趣浓厚，使他们对学习机械设计基础课的热情越来越高，大大提高了他们的综合科技制作能力。

四、具体案例分析—升降移动式护理轮椅车的设计

下面以升降移动式护理轮椅车（该产品申请了国家发明专利）为例，在机械设计基础课程教学中引入机械创新设计竞赛，促进了教学的发展，提高了学生的创新能力。在学习了连杆机构及其优化设计后，项目组学生通过市场调研，确立了对现有轮椅车进行优化改进的目标。

该产品的设计背景是：目前市场上提供的轮椅，主要功能是为残疾人解决行走问题，而且结构简单。然而，如何解决将残疾患者从床上移到轮椅上或从轮椅移到床上的问题，是残疾人或行动困难患者护理中的难点。由于残疾人或偏瘫患者没有自理能力，他们经常需要两个或更多的人来解决上下轮椅的问题。

该产品的创新之处在于使用螺旋机构和四杆机构，轮椅的高度可以根据患者的需要进行调整。它可以放下轮椅，通过椅面、椅背和辅助导轨形成担架式双轨移动机构，方便患者上下轮椅。升降移动式护理轮椅车的结构造型图如图1所示，升降移动式护理轮椅车原理图如图2所示，升降移动式护理轮椅车的工作状态示意图如图3所示。

1.前导向轮;2.前导向轮锁紧机构;3.脚踏板;4.大车轮锁紧装置;5.升降机构;6.坐垫平移机构;7.座椅;8.扶手;9.靠背;10.靠背角度调节机构;11.大车轮及手轮;12.座椅平移机构;13.轮椅支架。

机械设计基础课程教学的几部分知识：螺旋机构、四杆机构、机构优化设计与机械系统设计，以上是该机械产品的运用制作技术。一个好的作品就是一堂生动的机械原理课。对于学生来说，参与该产品的设计和生产，不仅可以巩固和提高机械设计的基础知识，还可对其他相关的专业课程进一步学习，理论知识与实践应用相结合，可以培养学生的创新能力、实践能力、团队协作能力及写作能力也得到锻炼。

五、结语

本文从课程设计和毕业设计两个方面分析了机械设计基础教学中存在的问题。例如，现有的教学方法多注重专业基础知识，缺乏创新设计思维和实践应用能力。浅析机械创新设计竞赛项目的教学方法改革在专业课程教学中的应用。学生通过参与诸如此类的大赛项目的制作，“机械设计基础”课程所讲授的各类普通机构在实物生产中灵活运用，因此综合能力也会提升。

在当前形势下，为更好地培养高素质专业技术人才，提高综合技能。机械设计基础教学模式和教学内容都需要进行课程教学改革。在机械设计基础教学中引入机器创意设计大赛项目，对于提高机械设计基础教学效果和提升学生创新能力大有好处，该教学方法值得推广。

参考文献

[1]张毅杰，施杰，孔令琼.面向新工科机械设计基础课程体系的DTPC教学模式研究[J].农业教育研究，2019（2）：30-34.

[2]于靖军，郭卫东，陈殿生.面向工程教育的STEP教学模式[J]. 高等工程教育研究，2017（4）：73-77.

[3]边宇枢，杨洋，郭卫东.机械设计综合实践课教学改革探索与实践[J].大学教育，2018（1）：44-46.

[4]徐春明，周艳，孙瑛，等.基于“卓越计划”的《机械设计基础》实验教学改革探索[J].教育教学论坛，2019（5）：269-272.

[5]张尧成，杨莉，戴军.应用技术型大学《机械设计基础》课程改革浅谈[J].课程教育研究，2015（2）：226-227.

Analysis on the Teaching Reform of "Fundamentals of Mechanical Design"：

Taking Machine Creative Design Contest as an Example

DUAN Hong-yan， LIU Hong-qin， LI Zhao-hui， HE Gui-ping

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Lanzhou University of Technology，

Lanzhou， Gansu 730050， China）

Abstract： Fundamentals of Mechanical Design is a basic professional technology course for machine related majors， which is not only a good follow-up course but also provides necessary practical techniques for Chinese technical personnel of mechanical engineering. This article analyses the existing problems of this course from two aspects including course design and graduation project. In terms of addressing the potential existing problems， the participation of Machine Creative Design Contest may play a crucial role in teaching reform. This article studies a case， which illustrates that students' innovative design and engineering design ability are greatly improved after the implementation of the teaching reform.

Key words： mechanical design; creative design; competition project