機械結構設計基礎知識匯總十篇

序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦十篇機械結構設計基礎知識范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

1.2多種教學方法結合機械基礎課程實踐性強，傳統的理論教學采用“填鴨式”的教學方法，教學過程中教師和學生之間缺乏互動，學生被動接受知識，學生感到枯燥乏味，不利于學生的學習。采用多種教學方法，激發學生學習積極性，變被動學習為主動學習。對于工程力學基礎、工程材料基礎知識、基本概念等采用講授式教學法。教學過程中教師要注意和學生的良好互動，避免注入式教學。機械設計中的常用機構、機械傳動、軸系難度大和實際聯系密切，采用討論式教學。理論知識講解前，選擇和生產實際常見的議題，在學生充分討論后，教師再講解，調動學生學習的積極性，避免了“教師教、學生被動學”的單一教學模式，達到事半功倍的效果。采用典型案例教學法，如以齒輪軸為典型案例，通過材料的選擇、結構設計、強度校核、公差與配合的選擇、機械加工工藝制定等環節，可以把工程力學、工程材料、互換性與技術測量、機械設計、機械加工的相關知識聯系在一起，架起了課程的橋梁，知識結構相互銜接，課程體系更加完善。

1.3采用多種教學手段提高教學效率機械基礎課程的研究內容比較抽象，相當一部分學生在學習時因缺乏空間想象力和工程設計而產生厭學情緒。課程學時少，內容多，采用現代教育技術方法，通過運用多種媒體，提高課堂效率，有效提高教學效果。講解平面連桿機構、機械傳動、金屬切削機床、輪系、液壓系統原理時，由于學生沒有實際生產經歷，缺乏相應的想象能力，采用動畫技術，生動形象，讓零部件運動起來，使抽象理論直觀化；講解連接、軸系、切削加工方法、液壓元件時，采用實物、幻燈片、圖片展示教學內容，生動形象，增加學生感性認識，拉近書本知識和生產實際的距離，加深學生對理論知識的理解，更好地突出教學重點和難點。

1.4增加綜合設計實驗教學內容課程的實驗課時為4學時，傳統的實驗為認知實驗，實驗設備是機械基礎陳列柜和模型，以演示講解為主，時間多集中安排在課程中期。改革后，開放實驗室，學生自主實驗，不占實驗課時，時間安排每個模塊的理論課講授之前，學生遞交實驗報告。通過認知實驗使學生建立機械零配件的結構、機械加工、液壓傳動系統的感性認識，對機械基礎知識有一個初步了解。增加綜合設計實驗內容。①軸系結構設計實驗。軸系結構是回轉機械的重要組成部分，軸系結構的性能決定機械的性能和壽命。軸系結構設計實踐性強，涉及內容多，靈活性大，是課程的重點和難點。通過拆卸、結構分析、裝配、調整、結構設計的全過程，學生掌握軸系設計的步驟和方法，培養學生的創新能力和工程實踐能力。②機械傳動方案的創新組合設計、分析實驗。傳動方案的設計是創新設計的主要內容，學生根據教師的要求，選擇傳動類型、自行設計傳動方案，根據設計方案自行組裝，以培養學生的綜合設計能力和動手能力。通過開設綜合設計實驗，在創新實驗的環節中，學生通過方案構思和改進、實驗操作和觀察，達到培養創新意識、創新設計能力。

1.5增加具有食品工程教育特色的實踐教學環節增加工程訓練，訓練時間安排在理論課開課后第6周。工程的本質是一種社會實踐，在科學的基礎上增加工程訓練的內容。學生知識面窄、面向工程實際不足，沒有足夠的工程訓練，現代工程設計思想、方法和綜合應用多方面的知識解決工程實際問題的能力不足。工程訓練中，學生學習金屬加工工藝知識，自己動手操作各種設備，使用多種量器具，增強動手能力，激發創新欲望，培養創新能力。增加課程設計，時間安排在理論課結束后進行。課程設計是實踐教學的重要環節，培養學生運用所學的知識分析和解決問題及獨立思考的能力。課程設計時間1周，工作量大、時間緊。采用接近工程實際的題目：一級減速器設計或小型食品加工機械等。每個學生的任務書各不相同，設計方案和設計思路完全由學生組織設計，充分發揮以學生為主的教學理念。學生基本具備機械傳動系統的設計計算、材料的選擇、會查閱資料，能夠正確使用國家標準，繪制工程圖的能力。通過課程設計鞏固所學知識，掌握機械方面的設計方法和步驟，培養學生工程意識、分析問題和解決問題的綜合能力。

1.6考核方式改革課程考核方式，實行教學全過程多次考核和考查，提高平時成績在總成績中的比例。理論考核采用閉卷考試，成績占課程成績的70%；實驗考核成績占課程成績的30%。細化實驗考核內容，從實驗準備、實驗過程、實驗效果、實驗報告多方面考核，注重實驗過程和創新能力的考核；工程訓練、課程設計單獨考核。

篇（2）

從上個世紀60年代起，我國的工業與軍用電子裝備開始從仿制走向自行研制，經歷了40多年的發展歷程，積累了豐富的經驗，目前已在電子裝備的設計與制造上走向世界的先進水平，與此同時也深刻認識到結構與工藝對電子裝備的性能有著重要的影響，電子裝備中電氣設計、結構設計及制造工藝是密不可分的，并趨向融為一體設計。電子機械是研究電子與信息系統中的機械與結構問題的一門機電光相結合的邊緣學科，它通過研究機械、電磁、熱之間的耦合關系，把電子設備的原理設計轉化為機械和結構的設計，提高其在機械、電磁、熱環境中的可靠性，以保證其電氣性能指標。與一般機械專業相比，電子機械的研究有其自身的特點：在目的上，電子機械在于捉高電子裝備系統的電氣性能，而常規機械則是為了提高其機械性能。在實現手段上，前者主要通過改變、優選機械結構參數與工藝來實現，而后者則主要通過電子信息、光電子信息來實現。在機電一體化的載體方面，前者是電子系統，后者為機械結構系統。從對系統的重要程度看，機電一體化對電子裝備而言不但重要而且是其生命之所在。現代國防武器裝備對軍用電子裝備提出了越來越高的要求，突出表現為高頻段、高增益，快響應、高指向精度，高密度、小型化。為適應上述發展趨勢和要求，在電子信息行業，亟須培養具備電子機械專門知識，從事電子機械的工程應用型人才和研究人才。

 

二、電子機械人才知識結構體系和課程結構體系

 

如何有效地培養出適應電子信息領域需求的高層次電子機械人才，或者說，如何科學合理地建立起電子機械人才培養模式和課程結構體系，是我們從創辦這一專業開始就一直探討的問題。一個真正合格的電子機械人才必須把機械知識和電子技術、計算機技術以及信息技術等知識有機地融合在一起，全面、綜合地設計電子設備。在制定教學計劃和建立課程體系時，從構建學生知識結構的角度，按模塊化分課程體系更容易建立知識結構與課程體系的對應關系。將電子機械方向人才培養的知識結構，劃分為基礎知識模塊、專業基礎知識模塊和專知識模塊。基礎知識模塊分為工程基礎知識、機械基礎知識、電子及信息基礎知識、機電控制基礎知識和工程測量基礎知識5個子模塊，重點是保證學生具有扎實的數理基礎、良好的外語能力和熟練的計算機應用能力。專業基礎知識模塊主要是掌握機械設計及其自動化專業的通識知識，包括機電一體化知識、機電控制工程知識等。專業知識模塊是在結合基礎知識模塊如何構建交叉融合的知識結構，對于電子機械培養方向，除了掌握機電一體化方面的基礎知識之外，更重要的是掌握面向電子信息領域的電子設備的設計和集成化制造方面的知識，這其中主要包括電子設備環境防護、天線結構設計、辦公自動化設備和高密度組裝等知識。

 

由于電子機械方向涉及多個領域的知識，課程設置的主要問題是如何在有限的學習時間內合理地安排機、電等多學科的課程問題，如果只是將課程硬性疊加，則學生不堪重負，且學生對相關知識的應用不能有機地結合，會使學生感到對各方面的知識都沒有學好，因此必須對原有機類和電類課程進行優化、精簡、合理的組合并創新。我們結合自身的情況，所遵循的原則是：“面向電子信息領域，以電子設備CAD/CAM為主線，以創新設計為核心，強化基礎、注重實踐”。貫穿4年培養計劃的主線是電子設備設計制造綜合能力培養。在培養計劃和課程體系的框架上，結合電子機械知識結構體系要求，2005年，按照教育部新的專業目錄，本專業制定了新的教學計劃和課程體系，我們設計了平臺模塊式課程框架結構，突出了課程的整體優化與整合，突出了加強基礎，突出了方向的靈活性和適應性。新的課程體系課內總學時設定為2559學時，其中分為必修課、限選課與選修課程，開出課程總學分為272.5，準許畢業的最低學分186.5。

課程體系為四級平臺(平臺體現了課程的分類與整合)：

 

1.公共基礎平臺。作為通識教育部分，對全校學生統一要求。課程分為5大模塊：數學、自然科學模塊，人文社會科學模塊，工具與方法類模塊工程概論模塊以及體育。

 

2.機械工程學科群技術基礎平臺。(這一平臺課程與部分機電工程學院其他專業共同使用。)

 

3.機械設計制造及其自動化專業基礎平臺。

 

4.電子機械方向平臺。

 

三、課程的建設與改革工作

 

1.機電化合，解決機電結合、設計與制造相結合過程中教學時數劇增的問題

 

正確處理機械與電子、設計與制造的關系，強調以機為主，以設計為主。在教學計劃實施過程中，機械類課程中基礎課、專業基礎課與一級機械類專業一致。電子類課程主要著重基本原理與定性設計，區別與電子類專業。專業課程中重點探討機械結構如何保證優良的電子性能。

 

2.設置與電子機械領域發展相適應的教學內容

 

針對電子信息行業特點，開設具有明顯電子機械特色的課程，如：電子設備熱控制技術、天線結構設計、電磁兼容性設計、現代電子裝聯工藝學等課程，以使所培養的人才能自如地應用所學的專業基礎知識和專業知識進行電子行業電子設備設計的技術工作。

 

3.全方位提高學生的科學研究素質

 

通過豐富多樣的方式培養學生的多種能力，尤其是學生參加科學研究能力的培養，一直是課程體系改革追求的目標。首先在加強教學環節建設的同時，實行實驗室開放制度，增加電子機械方向上綜合性、設計性實驗項目。其次實行導師制，遴選優秀學生在本科階段參加導師的科研工作。再者組織學生參加“全國大學生機器人大賽”，“全國大學生電子設計競賽”、“全國挑戰杯競賽”、“全國大學生機械創新設計大賽”、“全國大學生數學建模競賽”等活動。通過這些措施，在相當程度上激發了學生的創新意識，提高了科研能力，也進一步夯實了基礎。

 

4.結合專業發展的要求，強化實驗室建設

 

實驗室是學生綜合素質和科學思維培養的重要場所。為適應學科發展和人才培養需要，我們把本學科實驗室硬件建設和管理體制改革結合起來同步進行，以先進制造技術為基礎，以制造信息技術為紐帶，建設學院的專業基礎課實驗室。在機電工程學院形成了一個集現代設計技術、制造技術、控制技術、測試測量技術、信息技術為一體的院級綜合實驗平臺。為本科生及研究生的基本技能訓練、創新能力培養提供強有力的支持。

 

5.抓好教材建設工作，形成具有本學科特色的教材體系

 

篇（3）

中圖分類號：G642.41 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.17.117

1 概述

金屬結構類課程是長春工程學院材料成型及控制工程專業結構方向的一類非常重要的專業課，它是一個系統工程，包括設計、加工制造和安裝三個過程。本類課程包括《金屬結構設計基礎》、《輕型鋼結構設計》、《建筑鋼結構設計》、《水工金屬結構設計》、《金屬結構制造及安裝》、《金屬結構涂裝技術》、《金屬結構質量檢測技術》及《鋼結構工程施工機械》等一系列課程及相關的課程設計。

通過本類課程的教學，使學生獲得鋼結構基本構件的工作原理和設計方法的基本知識及典型金屬結構的設計、制造及安裝方面的知識；具備正確運用設計標準、設計規范、設計手冊設計常用鋼結構的基本能力。該類課程范圍廣，涉及到機械、材料、土木、化工、水利等多個領域，而且實踐性較強，然而在教學過程中各課程之間與實踐環節的銜接性不夠，實踐教學多為理論課程服務；對學生工程應用能力獲取和工程素質形成缺乏認識；實踐教學的時間保證也存在問題。

本文借助CDIO教學理念，堅持以寬口徑、強應用為出發點，積極引導學生個性發展，柔性化培養，采用“理論教學、實踐教學、自主研學”的三元化教學模式，對金屬結構類課程的教學模式進行了探討。

2 基于CDIO的金屬結構類課程教學模式改革

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它產品研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程的理論、技術和經驗。其培養的能力應該具有工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面。基于CDIO思想對金屬結構類課程教學模式進行了改革。

2.1 課程結構

金屬結構類課程內容多、范圍廣、實踐性強。在基礎教學中，以工程實踐入門，探討激發學生興趣的新的課程結構體系。首先以工程實踐為導向，向學生闡明該學科的基礎知識；其次在課程學習中，將個人的產品交流能力以及產品、過程和系統構建能力的培養看作是這個課程計劃不可分割的一部分。比如在講受彎構件梁的時候，先以鍛煉身體的單杠作為對象，提問單杠的組成，從而引入梁構件。接著提問單杠在使用過程中受到那些力的作用，設計過程中需要考慮那些因素，讓學生發表自己的看法，從而實現學生的產品設計交流能力的培養。

2.2 教學內容及方法改革

以CDIO教育理念為思想，根據課程結構體系完善課程教學內容，并探討基于主動經驗學習方法的有效的教與學。

2.2.1 以工程應用能力培養為教學目標

結合工程應用型人才能力素質要求，明確了“金屬結構設計基礎”以培養學生基本構件的設計能力，“輕型鋼結構設計、建筑鋼結構設計、水工金屬結構設計”以培養學生設計典型金屬結構的能力；“金屬結構制造及安裝、金屬結構涂裝技術、金屬結構質量檢測技術、鋼結構工程施工機械”以培養學生的制造及安裝應用能力為教學目標。

2.2.2 以典型工程案例為教學載體

各教學環節精選具有典型的工程案例作為具體的教學內容，這些工程案例均來自具體工程單位并且是真實的工程任務。如講授輕型鋼結構設計的時候，課前教師提出與輕鋼結構有關的一個典型工程案例（校工程訓練中心廠房），學生查找相關資料；課上教師講授，并讓學生分組討論或辯論；課后學生自己選擇一定的實例來設計完成此節知識點的學習。最后才是學生做課后作業。該過程是一個主動學習的過程，讓學生致力于對問題的思考和解決。

2.2.3 以問題驅動為教學方法

在教學方法上采用了問題驅動方式進行，即通過具體任務問題，驅動學生參與全部教學過程。

2.2.4 以小組合作為教學組織形式

學生在教學環節中，以小組合作的形式來完成具體的教學任務。例如，在實施“金屬結構制造綜合訓練”教學時，要求學生根據個人的基礎和能力，以小組為單位選做不同難度的金屬結構，充分體現了“因材施教”思想；要求小組合作者在專業兩個方向的學生之間交叉選擇，并且擔任與其專業方向相左的任務，通過學生間相互學習、相互協作，共同完成產品制造。其目的在于全面培養學生工程應用能力，更加重視團結協作和頑強拼搏的工程素質訓練。

2.3 學習評價系統

CDIO教育理念強調知識講解的同時重視個人能力的培養，因此需要有效的評價過程來衡量能力的高低。建立與CDIO相關能力的評價系統。該評價系統將過程考核和成果考核有機結合，不但考核學生最終的成果質量，同時注重考核學生在整個實訓中所表現出來的工程應用能力和工程素質，使該教學環節真正發揮對學生工程應用能力培養的實效。

3 結語

本文針對當前金屬結構類課程教學中存在的一些問題，在CDIO教育理念指導下，從課程結構、教學內容及方法改革、學習評價系統等方面進行了改革，探討了以典型工程案例為教學載體、以問題驅動為教學方法以及以小組合作為教學組織形式等教學模式在金屬結構類課程中的應用。

參考文獻：

[1]徐學東，郭淑蘭.突出應用及實踐能力的《金屬結構制造及安裝》課程教學改革研究[J].時代教育，2010，（4）：99-100.

[2]馮建芳.金屬結構課教學改革的一些嘗試[J].高等建筑教育，1988，（1）.

[3]查建中.CDIO：顛覆性的工科教育模式改革[J].中國遠程教育，2009，（3）.

篇（4）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2013）33-0104-02

機械設計是機械類各專業的主干課程之一，是學生今后從事各項技術工作的重要基礎，也是培養學生機械創新能力的核心課程。通過本課程的學習，學生應該具備運用本課程的基本理論與基本設計方法，獨立完成簡單傳動裝置和簡單機械的設計能力。因此，為了增強這門課的教學效果，改變以往的課堂教學模式，對本門課程內容進行分析和重構，提出一些課堂教學改革的做法。

1 教學過程設計

機械設計課程主要研究常用、通用機械零部件的設計，但每類零部件都是相對獨立的，前后章節聯系不大，比如第5章是螺紋連接，第6章是鍵、花鍵、無鍵連接和銷連接，第7章是鉚接、焊接等，知識內容各不相同且不銜接，學生開始學習此門課時會感到零碎，而難以入門。

通過研究本門課每章節的內容特點，發現基本上每個零部件的學習過程都會研究該零件的主要失效形式，并對零件進行受力分析和強度計算，以及確定出零件的關鍵尺寸或選擇出零件尺寸。 因此，為了讓學生有效地掌握所學的內容和理論知識，在教學設計時，筆者以“失效形式——受力分析——強度計算——結構設計”作為貫穿整個教學過程的主線，突出重點，使學生對所學內容心中有數。無論學習哪種零部件的設計，若以此主線為綱，就便于入門、便于掌握。

2 多樣化教學方法的應用

機械設計內容比較繁雜，信息分散，計算公式比較多，特別是對一些重要概念、理論，僅用PPT和黑板結合方式進行講解，學生會覺得枯燥，注意力不易集中，導致對理論不理解。而且由于學生不是來自于工業生產第一線，沒有一定的工業技術背景，對零件的結構、材料、強度要求等方面缺乏感性認識。

因此在講解過程中適當加入演示法，使理論與實際聯系起來。比如：在講解螺栓強度計算時，結合螺栓事故現場的視頻，可吸引學生的注意力，提高學習興趣，使學生意識到螺栓強度計算的重要性；在講疲勞破壞時，引入1998年德國列車事故的視頻，直觀地加深學生對循環應力作用下零件會出現疲勞斷裂這種失效形式的理解，由感性認識上升為理論知識，對該知識點的印象深刻；在講解帶傳動的打滑時，通過Flash演示打滑的特性，增加學生的感性認識。通過這些教學手段，使深奧的理論知識得到簡化、直觀，使學生獲得最真切的感性和理性認識，能夠比較牢固地掌握一些基本理論和概念。

3 課內任務學習

教師在課堂上以講授為主，長時間滿堂灌時，學生的注意力下降，思想不易集中，理解能力也隨之降低。導致學生在學習新理論時，思維速度滯后于教師傳遞信息的速度，來不及仔細、深入思索，處于聽不太懂、記不太清的被動狀態。

因此，可以在課內以適當的時間，由教師主講變為與學生互動的方式，使學生對接受的信息進行一次由淺入深的再加工，對錯過的信息進行重新認識，這樣更有利于優化教學效果。比如在講授完相關知識點后，可利用適當的課堂時間與學生進行互動，如通過“螺紋聯接的類型和應用”任務，使學生具備常用螺紋連接的選用能力；通過“軸的應用與結構設計”任務，使學生具備軸結構設計和軸與軸上零件裝配的能力；通過“齒輪的參數與尺寸計算”任務，使學生具備認識齒輪各部分和進行齒輪結構尺寸計算的能力；等等。通過這些課內小任務，可將每次課的教學內容重點和難點突顯出來，使學生更容易把握所學知識的核心內容，目標明確，達到可以看得見的學習效果。

4 小組項目教學法

該教學方法的學習模式是由教師確立項目內容，全班分為多個學習小組，共同完成此任務。比如，本門課大部分內容講解完后，教師可布置多個設計項目，如進行X-Y送料裝置結構設計等小型的設計任務，學生自行分成4～5人的小組，每小組根據任務要求，對項目進行分析并確定出設計方案。然后，對設計進行介紹和原理說明，并由其他小組對設計進行討論和分析，確定其設計的可靠性和可行性。因此，小組項目教學法具有實用性和綜合性，可將以前學習的內容，即各類零部件的應用場所、設計、使用要求等進行融合，對本門課的離散性、零碎性的特點進行彌補，使學生能充分體會機械設計的樂趣，了解機械設計過程。

在小組項目教學過程中采取啟發式教學，學生是主體，教師以指導為輔，起到把握項目大方向和啟發學生的創新性思維的作用，在教師的指導下，學生具體完成機械結構方案的設計、零件類型選擇、結構設計等。通過項目設計的完成，可充分調動學生的自主性和合作性，為后期的機械設計課程設計及畢業設計打下基礎。

5 結論

采用上述的教學方法和教學形式，針對本門課對兩屆本科生進行了課堂教學模式改革，得到以下收獲。

篇（5）

機械制圖、機械設計基礎、電氣技術基礎、機械制造技術、產品三維造型與結構設計、數控加工工藝與編程、電氣控制與PLC技術、液壓與氣壓傳動技術等。

3、培養目標：

本專業培養德、智、體、美全面發展，具有良好職業道德和人文素養，掌握常用零件的制造工藝編制、工裝設計與選擇、普通和數控加工、質量檢測及機電設備應用等基本知識，具備機械加工工藝編制、數控編程與加工、機械產品安裝與調試等能力，從事較簡單產品的機械加工工藝編制、機械產品加工、機電設備安裝調試生產線維護、生產現場管理等工作的高素質技術技能人才。

4、培養要求：

本專業培養具備機械制造基礎知識與應用能力，能在工業生產第一線從事機械制造領域內的設計制造、科技開發、應用研究、運行管理和經營銷售等方面工作的高級工程技術人才。

篇（6）

【中圖分類號】G640 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-9646(2008)08-0185-02

1 引言

人類的一切文明都是設計的產物。工程產品設計就是利用科學研究得到的原理,發明現實世界里還沒有的人造裝置,以滿足人類在生活和生產中的各種各樣的需求,從而創造出更美好的新世界。文學家雨果曾說過“想象是偉大的潛水者。”[1,2]創作新的作品需要想象,同樣科學技術研究也需要創新性的想象與想象力培養。中國的大學教育傳統上以文學和政論為主,強調修身、齊家、治國平天下[3]。近代以來,西方的以分析精神為代表的現代科學教育進入中國,并且已成為理工農醫科學教育的核心[4]。根據中國教育的長期教育歷史和目前建設創新型國家的要求,當前有必要強調創新教育。前文從產品設計、想象與想象力和想象力培養三個方面著重討論了想象力在產品創新設計中作用[5]。表1列出的是發明家所需具備的主要素質[6],由數據可見,想象力和堅持性是邁向成功的兩個主要素質,因此,在科技人才的培養方面應注重這兩方面能力的鍛煉。只有不斷地在學習和工作中,主動地學習想象的方法,積極想象新的功能、原理和結構,才能更好地設計新產品。

機械產品、機電產品的設計也需要培養設計者的想象力,可以說,沒有想象,就沒有創造,只會是驥尾之蠅,亦步亦趨的步人后塵。我國政府倡導建設創新型國家,在一些領域要與國際先進水平并駕齊驅,這需要科技工作者與技術工人的共同努力。在新產品的創造過程中,需要設計者創新性的構思新產品、技術工程師設計新產品和制造工藝以及技術工人加工新產品。工人從事產品制造加工,技術人員從事產品設計和加工工藝編制,科學技術工作者從事產品創新思路研究與產品原型研制。想象力與堅韌不拔是創新工作者應注重培養和訓練的優秀素質。本文擬討論從事機電產品創新所需要注意的幾個問題。

2 功能設計的想象

產品是指生產出來的物品,對人類具有一定的功能。“顧客購買的不是產品本身,而是產品所具有的功能。”社會上流通的產品對其生產廠商是獲得經濟效益的產品,而對使用者來說,他人提供的產品就是自己的工具。西方的阿里士多德和培根曾對工具論作了闡述,與機械工業化革命相對應,工具論對機械工業革命、電氣化工業革命、信息化工業革命和生物技術革命都產生了顯著的作用。笛卡兒提出數學描述的方法論,后來牛頓、達爾文和哥白尼等分別提出了自然科學不同學科的基本原理。機械產品設計依據機械原理,1970年德國科學界提出的功能原理的產品設計,特別注重功能原理解。功能是產品購買者購買商品的原因,因此產品的設計就是實現某些產品功能。

在人類社會的前期發展過程中,工程科學一直沿用師傅帶徒弟的方式傳承手工技藝,有的的技藝還是家族傳遞下來,由于戰爭等災難因素,其中有的技術已經失傳。近代科學以伽利略為其開端的代表人物,將數學原理用于物理知識的表達和分析,開啟了近代工程科學。另一方面,知識的傳播也由學校完成,高等教育蓬勃發展,形成機械、電氣、土木、化工、計算機、信息和生物組成的現代工程科學體系。機械工程的歷史悠久,而且其原理知識滲透到各個工程技術領域,并沒有隨新型工程技術的發展而消亡,而是成為工程產品設計的基礎。例:現代的航天工業、生命技術和核能工業都離不開機械工程知識的支持。機械產品與信息科學、生命科學的結合,出現了數控加工機床、機器人和靶向藥物等一系列技術產品,人類的制造能力大幅度提高。近年來,隨著數字化設計和協同設計技術的發展,人們設計新產品的能力也將得到顯著提高,計算分析軟件包的開發與使用,必將對產品設計的方式和方法產生巨大影響,新產品的設計周期將大大縮短。

要設計出新的產品,就是設計出新的功能或功能組合。要實現產品的創新設計就是要在設計初始階段想象出新的功能或功能組合,向用戶提供新的功能。一般常用的想象方式是通過市場調研或用戶反饋的意見,提出產品功能的改進,新的產品功能很多是根據使用者需要而想象出來的。革命性的系列化產品都是依據新的科學原理,或變換原理或變換結構所想象出來的。例,從雙卡收錄機到卡式隨身聽,再到電子技術的MP4,前者使用相同的磁記錄原理,但變換了結構與功能組合,獲得了便攜的功能。后者采用新的磁記錄原理,利用巨磁阻效應設計出新的技術手段,實現播放聲音和圖像媒體的功能。

功能設計有分解和綜合方法,原理設計有集成、轉用和逆向等方法。產品的功能創新設計不一定是設計出前所未有的產品,隨著各個領域知識的融合和技術革命,很多產品的設計采用新的知識原理來更換以前產品所采用的原理,獲得更低的成本、更方便的制造或使用。

功能設計的創新過程中需要形象,例如人類想象出了飛機、電視機和收音機等,在設計這些產品前,人們就已經幻想象鳥一樣飛行,千里眼和順風耳,在古代的小說中就有這樣的文學想象,后來的技術革命用技術手段實現了人們以前的想象。要實現對新功能產品的想象,就必須解決其依托的核心功能原理,例如流體力學原理、無線信號傳遞等原理。物理原理、化學原理和生物原理是設計新型產品的基礎知識,近200年來,人們主動采用各種基本原理設計出許多種新產品,而且這一趨勢仍將繼續下去。

3 原理設計的想象

設計產品需要依據一定的功能原理,功能原理的創新就非常重要,機械原理知識僅僅是機械產品原理設計的基礎。有時很復雜的機械產品,如果用電子控制技術來實現,其結構就非常簡單。例上面所述的隨身聽。機械科學的原理并不多,常用的有杠桿、滑輪、嚙合傳動、摩擦傳動、滾動支承、滑動支承、電磁支承、凸輪、連桿、螺旋等十幾種。常用的電子原理有加、減、乘、除、微分、積分、反饋等。現在基本的機械元件和電子元件都已有基本的單元銷售,已有專業化生產廠家生產這些標準化的元器件。復雜機電產品的設計并不是將機電單元簡單的堆砌在一起,而是有機的組合、有目的的組合基本單元,來實現其使用功能。

產品的制造工藝原理也十分重要,它們決定了產品設計是否可以物化、是否可行。常用的機械產品的加工工藝有車、銑、磨、刨、鏜、鑄造、焊接、熱處理,新的加工工藝有電子束焊接、激光表面處理、離子注入、化學氣相沉積、物理氣相沉積、腐蝕、鍵合等等,這些加工工藝都已在機械產品加工中得到廣泛應用。利用新的物理、化學或生物原理來發明新的機械產品或電子產品的加工工藝,這是目前和今后發展的方向之一。在知識教學中,更應培養學生的觸類旁通、獲取知識的能力。

現代的機電產品,在構思整體設計時就要分析其功能原理形態矩陣,比較優化得到最優的技術原理方案,并且擇善而從地詳細分析最佳方案。設計原理的選擇,不僅要考慮技術的先進性,還要分析其成本、環境的友好性和可持續發展的前景。對產品功能原理的優化軟件在近20年時間內得到了很大發展,例:TRIZ等。但,產品的成本分析和環境友好性分析仍無相應的設計軟件,這也是今后的發展方向之一。

隨著數字化設計、虛擬加工和虛擬裝配技術的發展,例:Unigraphics軟件包,機械產品的設計和制造過程也發生了很大變化,運用虛擬軟件設計來設計和制造產品的成本比試樣產品的制造,成本大大降低。數字設計、數字制造和數字管理技術的發展,依托于信息技術,對機械工業已經產生了變革性的影響。協同設計、協同制造和協同管理技術在最近幾年仍然會得到快速的發展。機電產品的原理設計有集成、轉用和逆向等方法。例如汽車內燃機集成了連桿傳動、軸承支承、凸輪傳動等。沖壓機和汽車發動機就是曲柄滑塊機構的轉用。鞋底防滑花紋的設計是摩擦學中理論應用的反問題。

4 結構設計的想象

要將設計原理實體化,獲取設計者設計的產品功能,就必須進行產品的結構設計。常用的結構設計方法有放大、縮小、轉用和變結構等。在機械系統的結構設計方面,俄羅斯的學者非常重視,而德國和日本的學者重視原理的設計和設計方法。我國的機械產品設計在1978年以前學習俄羅斯的結構設計,在80年代學習德國的功能設計理念、日本的二次設計方法。結構設計中常用的零件結構已經標準化。

從1960年來人們研究的仿生設計思路,為結構設計者提供了一條途徑。基于流體力學的飛機結構設計,基于固體力學的齒輪和滾動軸承設計,基于動量守恒原理的噴氣機設計,基于光學的鷹眼、蛙眼設計,基于紅外原理的制導設計等等。在固體材料結構方面有仿生陶瓷、仿生的復合材料,多層涂層設計模仿竹、海螺殼等結構,今后在有機材料的設計方面人們更加依賴于對自然材料的仿生。

結構的標準化、新材料的開發與應用將對機械結構的設計產生重大影響。前人的石器時代、青銅時代、鐵器時代和半導體時代以及今后的生物材料時代,都已經對產品的設計原理、設計方法產生了巨大影響,而且產品的結構也發生了很大變化。例:古代利用細繩作為鋸子,今天利用合金材料和電力驅動的電鋸,今后的激光切割等。新的原理、新的方法和新材料決定了那個時代的產品的技術含量和經濟效益。

現代機電系統向復雜化和微納化兩個方向發展。復雜機電產品集成了機械原理、電路原理和控制原理等。例如,盾構機械和大飛機等,復雜機電產品的結構比簡單機械要復雜100～10000倍,因此其設計制造是一個國家的機電產品設計制造能力的集中體現。復雜機電產品的設計過程中一般都采用數字化協同設計的組織方式,充分發揮各個設計單位的優勢,團隊的協作有助于縮短設計周期、提高設計效率和優化產品的性能。我國的機械工程教學中過分強調單元課程的學習,可喜的是近來組織機械設計大獎賽的競賽,這有助于培養設計復雜機電產品的能力。

微納機電產品,以微納微型、微納傳感器和芯片等技術為代表,在近10年內取得了一系列突破。化學原理和生物原理也逐漸應用到這類微納機械產品的設計,例如生物傳感器和生物芯片等。未來的機械應該是生物機械,傳統的機械原理、機械設計和機械制造技術都日臻成熟,21世紀的機械是生物機械,這一點上大多數人已有共識。我們現在大學里培養的人才,今后的21世紀的機電產品創新必定依靠現在的青年人,因此有必要開設系統論、生物原理等課程,這一點仍有欠缺,也未達成共識,作者認為應從未來機械發展的高度,布局現在的機電產品設計人才的知識結構,以利于他們今后更有創造性、更好地創造出新的產品。

關于微納機電產品的設計,目前有兩種技術路線。其一,是將以前的機構、機械結構和電子元器件縮小,在微米級加工微型齒輪、連桿和軸承等。另一種思路是拋棄傳統的機械原理和機械零件設計,依據生物物理和生物化學的基本原理來構造微納系統,例如仿葵花的轉動機械等。作者認為第二種思路是更好的,因為機械原理和零件的設計應該隨時俱進,不應保守的依據毫米級的機械原理和零件,而應該結合生物科學的發展,將生物物理和生物化學與機械科學結合起來,創造出更多更好的微納機械系統。

5 結語

(1)功能、原理和結構的思路是德國科學家提出的別具一格的產品設計整體框架,本文從功能、原理和結構三方面再次討論產品創新設計中“想象力”的作用。

(2)未來機電產品的發展向復雜化和微納化兩個方向發展,今天我們在本科教育階段應該縮減單元知識的教學,增加系統論和生物原理的知識傳授。

(3)對于研究生的創新能力培養,學生的課題研究不應竭澤而漁,而應結合研究生的論文主題,在討論課上各抒己見,培養同學的提出問題、分析問題、解決問題和總結問題的能力。

參考文獻

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[3] 曲士培.中國大學教育發展史[M].北京:北京大學出版社,2006.

[4] 戴本博,張法琨.外國教育史[M].(上冊,中冊,下冊).北京:人民教育出版社,1989.

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【Key words】Project-driven； Teaching mode； Mechanical； Practical ability

機械專業的本科畢業生不僅要求具有豐富的理論知識，同時也應具備較強的實踐能力。在傳統的教學中，常常是理論脫離實踐，課堂所學的理論在實踐中沒有體現，亦或是實踐內容跟理論知識關聯甚小。雖然大部分課程均安排有相應的課程設計來提高學生的實踐能力，但因課程設計題目太過傳統和陳舊，導致學生在實踐訓練中收貨較小，難于面對我國制造業的迅猛發展要求。

1 項目教學法的意義

“項目教學法”是指老師和學生通過共同實施科研項目中的全部或部分實際工作而進行的教學活動。學生在項目實施過程中有意識、有組織、系統的完成一件具體的、有實際應用價值設計或產品，在具體的情景中通過所學的理論知識解決實際問題。

自從項目教學法引進我國開始，很多學校針對相應課程開展了項目教學法的研究，且取得了一定成效。北京師范大學珠海分校信息技術學院打破了傳統的軟件專業教學模式，探索了一條軟件人才培養新方法――項目驅動教學（Project Drive Lecture），建立了“國際軟件實驗班”，系統學習軟件的相關知識。通過一年的教學實踐，其中四人在參加大三2009年暑期兩個月的實習，就已成為國內知名軟件企業研發中心的簽約人員，且企業向學校提出全部承包軟件實驗班畢業生，搭建了一個人才供給的互動平臺[1]。江西理工大學的陳敏等[2]研究了項目教學法在《機械制造技術》課程建設中的應用，提高了學生實際操作能力，給學生以直觀感受；加工和裝配虛擬實驗室使得學生可以進行虛擬加工和裝配；與相應的加工企業建立了校企聯系，學生通過參觀和企業技術人員的講解，甚至直接動手，對項目得到直觀的感受。武漢船舶職業技術學院的汪曉云[3]研究了基于“項目驅動”的《機械制造工藝與夾具設計》課程教學改革，開發了學生的思維，使理論知識在項目完成的實踐中得到充分的運用，促進了學生的學習積極性，培養了學生的職業能力和職業素養。湖南城建職業技術學的何濱等[4]研究了基于項目驅動《機械設計基礎》課程教學改革的探討，以現代職業教育的先進理念為指導，以項目為主體，以不同專業的職業工作活?游?導向，以全面培養學生的職業能力貫穿于整個教學活動的過程中，開發了具有專業特色的基于工作過程導向的《機械設計基礎》課程模式。

由此可見，項目驅動法理論在國外誕生，近年來在國內引起了教育工作者的廣泛關注和研究。其研究成果顯示，項目驅動教學法能提高學生的學習興趣，促進學生思維活躍、培養學生分析問題和動手解決問題的能力；理論聯系實際，在具體的項目實施中表現出職業能力素養，為學生走出校門進入職場做好充分的準備。本文作者結合自身的科研項目，選擇適宜于機械專業本科生完成的部分課題，通過課堂教學和課余指導方式，使得學生在完成項目的過程中加深理論知識的理解及應用，極大增強了學生的實踐能力。

2 項目教學法的設計與實施

2.1 項目選擇

機械專業大三的學生已經掌握了機械制圖、機械原理和機械加工工藝分析等知識，掌握了二維/三維繪圖軟件，同時也在學習相關的分析計算軟件，如ANSYS，MATLAB等。因此，作者根據學生知識基礎和興趣愛好，從完整產品的結構設計、簡單零部件制造和復雜零件的工藝制定方向出發，選擇以下三個課題作為學生的實際項目，每個課題學生自由組隊，每隊人數不超過5人。教學活動以完成各項目任務，并使學生在完成過程中應用所學理論知識分析解決實際問題，按照項目認知、擬定方案計劃、項目實施和結果評價的流程來完成教學。

2.1.1 完整產品的結構設計

磁力耦合器是一種基于電磁感應原理研制出的非接觸式新型傳遞裝置，是實現運動系統中電機驅動軸和負載輸出軸之間的動力傳遞。主要優點為無摩擦磨損、壽命長、允許對中誤差、節能可靠等。學生在設計磁力耦合器的過程中，首先需要了解磁力耦合器的基本結構和工作原理；其次，根據電磁感應和渦流場的損耗分析設計參數（如永磁體尺寸、銅盤尺寸、空氣間隙等）對磁力耦合器傳遞扭矩的影響，基于獲得的基本參數設計完整的磁力耦合器。磁力耦合器在工作過程中會因為渦流損耗產生熱量，使得磁力耦合器溫度升高，溫升過高將導致永磁體失效無法工作，因此必須對磁力耦合器進行冷卻散熱設計。學生創新的應用了三條均勻分布的阿基米德螺旋線作為冷卻水水槽，水槽設計在產生熱源的銅盤和銅盤端蓋上，易于加工。并且通過ANSYS有限元軟件進行熱固耦合模擬，結果顯示水槽的散熱效果良好，保證了磁力耦合器的正常使用。水路在密封水槽中，避免與其他零部件接觸，可減少對設備的腐蝕。學生在設計磁力耦合器的過程中應用了機械原理、機械制圖等基礎知識，同時還學習掌握了電磁場和熱分析等相關知識。利用ANSYS和MATLAB軟件進行編程計算分析，系統完整的將所學知識應用到實際中去，極大的鍛煉了學生理論聯系實際的能力。

2.1.2 復雜零件的工藝制定

風扇軸（如圖1所示）是飛機發動機風扇部件關鍵旋轉件，即與發動機壽命、安全性緊密相關的重要件，具有結構復雜、精度要求高、特種工藝多、加工難度大、工藝過程控制嚴格等特點，因此對風扇軸的研制具有十分重要的意義。黎陽國際制造有限公司作為飛機發動機零部件的主要制造企業，對飛機發動機中的各種復雜零部件的加工制造有著豐富的經驗。該項目以風扇軸的加工工藝及工裝設計為出發點，分析零件的材料、結構和工藝特點，了解零件的生產類型，在公司目前執行的工藝路線上進行工藝優化。對零件的加工和制造難點進行分析后，結合工廠實際生產情況，考慮加工經濟效益，制定最優的工藝流程及相應的夾具設計。學生在完成該課題過程中應用了機械制圖、互換性測試技術、機械制造和機械工藝流程編制等基礎知識，鍛煉了學生在工藝分析、夾具設計和機械加工方面的實踐能力。

2.2 實施效果

針對磁力耦合器項目，學生設計了完整的磁力耦合器結構，繪制了零件圖及總裝圖；創新的提出了冷卻散熱方案，申請了發明專利一項，解決了大功率磁力耦合器工作過程中溫升太高而無法正常工作的問題。學生在完成整個項目的過程中，強化了工程制圖及使用三維軟件建模能力；使用MATLAB軟件進行分析計算，鍛煉了編程計算能力；開發了創新思維，培養了解決實際問題的能力。

通過對旋轉放大桌的設計與制造，增強了學生對機械原理和機械結構的理解，把課本上的知識應用到實際當中。在結構設計過程中，出現了很多干涉和無法配合等問題，使學生深刻體會了設計過程中出現的問題，還有部分零件繪制了圖紙卻無法加工，使學生理解了繪圖與制造的區別，真正的設計是要落到實處，能加工制造出來的設計才是好設計。實際的項目增強了學生學習的積極性，提高了結構設計和制圖能力，同時鍛煉了動手能力。

3 項目驅動實施關鍵點

3.1 教學項目的選擇

項目的選擇是一個關鍵問題，如何將教師在研的科研項目分解提取，轉化為學生可執行并可完成的任務是一大難點。項目選擇過難，則學生無法入手，也沒有足夠的時間精力完成；項目選擇過于簡單，則達不到鍛煉學生的目的。不同的項目對學生實踐能力的鍛煉不盡相同，選擇項目的時候要了解學生的基礎和學習能力，并盡量涉及多種知識，使學生能將更多的知識轉化到實踐中，同時促進多學科知識的融合。此外，應確立優秀且切實可行的項目，使學生能積極主動的參與到項目中來，在真實的問題情境下應用舊知識探索新知識，使所學知識得到鞏固、加深和遷移，提高教學效果。

3.2 教師適當的指導

學生在項目實施過程中，不可避免的會遇到各種各樣的問題，需要教師進行指導。教師在指導過程中應根據學生的實際情況進行指導。教師指導要適度，在保證項目順利完成的同時，多讓學生在實施過程中自己發現問題，學習新知識，利用新知識解決問題。如果教師指導不夠，則會打擊學生積極性，使得項目無法完成；如果教師指導過度，對學生各方面能力的培養力度則不夠。

3.3 過程控制

篇（8）

關鍵詞：

金屬結構；課程教學；教學內容；教學方法

“金屬結構設計”課程是三峽大學為材料成型及控制工程專業和機械設計制造及其自動化專業學生開設的一門專業主干課程。課程的主要目的與任務是使學生掌握金屬結構的基本設計計算方法，培養學生的金屬結構設計計算能力。該課程的教學內容對學生后期的課程設計、畢業設計等都能起到主導作用的影響。但以往采用單一傳統的教學方法往往使學生產生厭倦和疲勞，導致學生學習積極性不高，教學效果不好。本文在分析探討“金屬結構設計”課程教學過程中出現的諸多問題基礎上，結合課程特點，提出了課程教學改革措施，并付諸實施，取得了良好教學效果。

一、課程教學存在的問題與分析

1.課程知識點多，內容涉及的理論深而廣，學生學習感到困難。“金屬結構設計”課程主要講述金屬結構基本理論和基本構件的設計方法，內容包括：緒論、金屬結構材料和性能、金屬結構的連接、軸心受力構件、受彎構件、拉彎和壓彎構件等。通過課程的學習，要求學生掌握金屬結構的基本概念、基本理論和基本構件的設計方法。要達到這個要求，學生必須能熟練運用力學、金屬材料學、焊接等學科和領域的諸多相關知識點。因此，這門課程要求學生具有較好的專業基礎知識和綜合分析能力，這對于那些專業基礎知識掌握不太好和綜合分析能力較弱的學生來說，學習該課程有一定難度。此外，課程中有很多公式推導內容，推導公式過程中，有時會涉及學生以前少有接觸的相關理論知識，遇到這種情況時，學生就會感到很茫然，影響了學生對課程內容的理解。

2.課程章節內容相對獨立，邏輯關系不強，學生學習很吃力。“金屬結構設計”課程內容是由多個章節組成的，每章的內容都相對獨立，前后無嚴密的邏輯關系，導致課程內容顯得繁雜零亂。因此，要學好該課程，學生必須具備一定的綜合分析、總結、歸納和理解能力。這對于已經習慣于學習理論體系好、邏輯關系強的公共基礎課專業基礎課的學生而言，學習該課程就非常吃力，久而久之就會產生厭煩情緒，影響教學效果。

3.課程研究對象與工程實際緊密相關，學生實踐知識匱乏，缺少對課程研究對象的認識，增加了學習難度。課程研究對象直接來自于工程實際，如課程講述的焊縫連接、螺栓連接和三大基本構件等都是工程實際中使用的連接和構件，其構造和尺寸幾乎沒作簡化，課程講授的設計和理論計算內容都是針對這些真實的連接和構件的。因此，要學好該課程，就必須對實際工程中的連接和構件的構造形式及使用條件等有一定的了解，這對于缺乏實踐知識的學生來說，無疑加大了學習難度。

二、課程教學改革措施

針對上述問題，我們從整合規劃教學內容、改進教學方法和教學手段等方面對“金屬結構設計”課程教學進行了改革，提出了改革措施。

1.整合規劃教學內容。教學內容是為滿足課程知識和能力的傳授服務的，教學內容和課程知識的緊密結合有利于合理利用教學時間，使學生在有限的學時內掌握好課程的知識和應用的能力。“金屬結構設計”課程內容廣、知識點多，要想使學生在有限學時內掌握課程教學大綱要求掌握的知識，首先必須對課程教學內容進行合理整合規劃。多年教學實踐告訴我們，如果僅按教材照本宣科，教學效果是不會好的，授課內容只有結合學生的思維模式和認知規律，合理整合規劃，循序漸進，才會取得好的教學效果。因此，我們課程組對課程教學內容進行了整合規劃，并用于課程教學。在課程教學內容的整合規劃上，重點進行了以下幾方面的工作。

（1）精簡理論，突出應用。“金屬結構設計”課程內容多而繁雜，涉及的理論和公式也較多，在講述各章節內容時，一般先講解基本概念，后講解設計原理和運用，在講授設計原理過程中，常常要用到許多相關學科領域的理論和知識點，同時還伴隨著較多繁雜的公式推導，按照這種教學模式講授課程內容，從學生學習角度來看，勢必會出現兩個問題，首先是抽象的理論和煩瑣的公式推導過程對學生來說是枯燥且難以理解的，其次是過多地占用和耗費了學生的時間和精力，使學生顧此失彼，注重了公式推導而忽視了基本設計原理的掌握和運用。基于上述原因，本著少而精的原則，在課程講授中盡量少講復雜的公式推導，精簡理論內容，在講清基本概念和基本原理的基礎上，重點講述設計原理和方法的運用，這樣既能降低學生對課程內容的枯燥感，學生又能把時間和精力放在課程的主要內容上，從而使學生能在有限時間內較好地掌握課程基本理論知識及其應用。

（2）調整授課順序，精簡教學內容。目前的金屬結構設計教材都是按照緒論、金屬結構材料和性能、金屬結構的連接、軸心受力構件、受彎構件、拉彎和壓彎構件等章節順序編排的，這種順序編排雖然可以滿足知識體系的完整性和系統性，但由于后三章中主要涉及構件整體穩定和局部穩定等一些比較抽象的概念，理論性強，若按教材順序講授，學生理解、掌握課程內容很困難。為此，在分析這三章內容及相互關系基礎上，結合多年的教學實踐，我們將授課順序進行了調整，先講受彎構件，由于受彎構件的構造和穩定性等內容是相對獨立的，先講這一章不會增加學生的學習難度，然后講授軸心受力構件，最后再講授拉彎和壓彎構件，由于軸心受壓構件和壓彎構件的截面形式相似，兩者都是受壓構件，雖兩種構件的整體失穩形式不同，穩定性計算也不同，但兩者的內容具有一定的對比性，將這兩章調整到前后順序介紹，結合這種對比性進行課程講授，可以大大提高學生的學習效率。如學生學習了軸心受力構件一章后，軸心受壓構件的整體穩定概念已建立，在隨后講授壓彎構件的整體穩定概念時，對比軸心受壓構件整體穩定概念進行講解，學生就很容易理解和接受壓彎構件的整體穩定概念了。此外，由于前面課程已講述了普通螺栓連接內容，因此，在金屬結構連接一章中，我們把重點放在焊縫連接和高強度螺栓連接上，對普通螺栓連接內容只做簡要介紹，避免了課程內容的重復，節省了授課時間，提高了授課效率。

2.改進教學方法和教學手段。教學方法是課程學習的核心。大學教育的中心任務不僅在于教什么，更在于怎么教，如何教得更好。為了將“金屬結構設計”課程教得更好，針對課程教學中出現的上述問題，在整合規劃課程教學內容基礎上，我們課程組對課程教學方法和教學手段進行了改進，取得了較好的教學效果。

（1）案例教學法。案例教學是當前高校提升教學質量的重要手段。實踐證明，案例教學利于強化學生對理論知識的理解與掌握，利于提高學生學習的主動性和熱情，利于培養學生理論與實際相結合的思維能力。近些年來，我們課程組在課程教學中嘗試了案例教學法，收到了良好的效果。例如在講授金屬結構連接一章時，我們適時引入了三峽工程中一大型臨時公路橋主鋼箱梁設計實例，該梁因跨度太大，需分三段制作，現場連接組裝，設計時需進行段與段之間的連接設計，是采用焊縫連接還是采用高強度螺栓連接？如何設計計算？針對這些問題，組織學生對其進行分析、討論，并提出自己解決問題的方法，最后由教師進行歸納總結，給出最后結果。通過這個工程案例分析，不僅加深了學生對金屬結構連接理論的理解，調動了學生學習的積極性，而且培養了學生理論聯系實際的思維能力。

（2）對比教學法。“金屬結構設計”課程教學內容中，有些概念和內容之間存在著一定聯系和區別，按照傳統的依次講授的方法講解這些概念和內容時，學生常常概念混淆，難以理解和掌握，但采用對比的方法，將這些慨念和內容排列在一起，進行對比講解，學生就能較快地理解和掌握了。

（3）利用現代化教學手段提高課程教學效果。現代化教學手段是傳統教學的有效輔助手段，先進的教學設備和現代信息技術能使教學內容圖文并茂，活潑生動，在增大信息傳輸量的同時，提高教學效果。在課程教學中。我們將現代化教學手段與傳統教學手段相結合，根據教學內容和知識點的需求，將自制的和網上下載的工程實例圖片及視頻適時呈現給學生，結合圖片及視頻講述課程內容。教學實踐結果顯示：將現代化教學手段融入課程教學，一方面能使學生在課堂直觀地接觸到工程實際，更好地理解掌握課程內容和相關知識點，實現理論學習與實踐學習的完美結合，另一方面能消除學生的厭倦情緒，提高學生學習的積極性和主動性。

三、結論

課程教學改革是教育改革的組成部分，提升課程教學效果是每個任課教師的期望。本文在充分分析探討了“金屬結構設計”課程教學過程中出現的問題基礎上，結合課程特點，提出了課程教學改革措施，并付諸了實施。幾年的教學實踐表明，合理整合規劃課程教學內容，教學中適時融入案例教學法、對比教學法等，充分利用現代化教學手段，課程教學效果是可以得到明顯改善的。該課程教學改革措施的進一步完善和實施，將對課程教學效果的全面提高和我校材料成型及控制工程專業本科應用型人才培養質量的提升產生極大的影響。

參考文獻：

[1]燕怒.金屬結構設計[M].武漢：華中科技大學出版社，2012.

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《機械設計基礎》是高職高專機械類、近機械類專業的一門重要的技術基礎課，具有內容雜、知識點多、綜合性、實踐性強的特點。近幾年來，由于生源質量下降，學生基礎知識比較薄弱，在學習中他們普遍感到吃力。本人針對學生的特點，結合教學實踐，對該課程的教學作了一些有益的探索，取得了一定的效果。

一、注重概念教學

概念多，是本課程的一個特點。難理解、難記、難區分是學生對概念的共識。怎樣能把握概念？首先應給概念進行分類，一般可按識記、理解、應用三個層次列出所有概念，這樣做，能使概念一目了然、主次分明，便于學生學習。其次，避免錯誤理解概念。由于新知識學習時對概念理解不透，或者由于知識間的相互聯系，使學生對某些概念產生模糊、錯誤的認識，教學中必須澄清。如：構件與零件、機器與機構、螺距與導程、壓力角與嚙合角及分度圓與節圓等概念，教學中不能作簡單處理。第三，注重概念的導入藝術。考慮學生認識的漸進性，有些概念不宜直截了當地介紹給學生。如：講“ 死點”時，可由縫紉機為什么有時踩不動而引出，其效果迥然不同。如果再進一步引出死點在夾具及折疊桌椅上的應用，更加深了學生對死點這個概念的認識。第四，力求從本質上把握概念。如在凸輪機構、螺紋、蝸桿與蝸輪傳動等都講到“自鎖”；連桿機構、凸輪機構及齒輪機構中都講到“壓力角”，從本質上看，這些概念都是一致的。從本質上把握概念，能提高學生的認識效率。

二、串接知識點

串接知識點就是以某一條主線將分布于不同章節的知識點聯系起來。學生一接觸《機械設計基礎》就會產生“沒有系統性”、“邏輯性差”等錯覺，這是由于學生習慣了基礎課的系統性所造成的。本課程中，雖然不同的研究對象所涉及的理論基礎不同，且相互之間沒有多大關系，但最終的研究目的只有一個，即設計出能應用的機構、零件等。本課程的各部分內容都是按照工作原理、結構、強度計算、設計、使用維護的順序介紹的，有其自身的系統性。另外，串接知識點也要注意遞進過程，遵循學生認知的習慣。如討論輪系傳動比計算時，應先討論由圓柱齒輪組成的平面齒輪系，再討論包含錐齒輪和蝸桿蝸輪傳動的空間齒輪系。學習齒輪傳動時，同樣首先介紹直齒圓柱齒輪傳動，再講斜齒圓柱齒輪傳動，最后講錐齒輪傳動及蝸桿蝸輪傳動。

三、注重講評環節

講評是糾正學生錯誤認識，形成能力的一個重要教學環節。適時講評有利于學生掌握解題策略、補缺知識的遺漏點、理清思路、建立嚴密的邏輯思維方式。講評內容一般以綜合性和實踐性較強的題目為主（如：帶傳動的設計、齒輪傳動的設計或軸的結構設計等）。講評時，要鼓勵學生大膽發表自己的觀點，可調動學生的積極性、培養發散思維的能力，避免傳統的“一言堂”授課方式，同時要實施因材施教、分層次指導。對成績好的學生要給予獨立思考、大膽創新、分散思維的空間，對成績差的學生要給予反饋、補償的機會。

四、采用直觀教學手段

直觀教學，是理論教學的極有效的輔助手段。在教學中，為了有助于學生學習，提高學生的理解力，盡量采用直觀教學手段。在授課時，除了最大限度地利用現有教具外，還可以用簡單材料做一些簡單的“教具”。如：把硬紙板剪成條狀，用鐵絲做鉸鏈，做成了“四桿機構”，借此啟發學生分析鉸鏈四桿機構曲柄存在的條件、鉸鏈四桿機構類型的判斷及其演化等內容，并要求學生課下親手做四桿機構的模型，學生通過動手，使抽象內容具體化，不僅調動了學生學習的積極性，而且加深了對四桿機構的理解。在講凸輪機構的工作情況時，我除了讓學生觀看凸輪模型外，還可用厚紙板剪出一個盤形凸輪模型，并用它畫出凸輪在不同轉角時從動件的運動情況，另外，也使學生較快地掌握了運用“反轉法”設計凸輪輪廓曲線的方法，收到了較滿意的教學效果。在講螺紋時，用兩張A4白紙，把一張沿長邊卷成一個圓柱形紙筒，另一張沿對角線折成一個直角三角形，然后將直角三角形長的直角邊與圓筒的底面對齊繞到圓筒的表面，直角三角形的斜邊在圓筒表面形成的即為螺旋線，將直角三角形反一下面就改變了螺旋線旋向。這些方法非常簡單，但是很適用，對學生了解基本概念和原理很有幫助。

五、加強與實踐結合環節

《機械設計基礎》是一門實踐性很強的課程。為了使學生掌握好本課程所學的內容，提高學生分析問題和解決問題的能力，課后適時安排一些大作業和實驗教學，以加強實踐環節。講了平面機構運動簡圖和機構的自由度后，安排學生做平面機構運動簡圖的繪制與分析實驗，使學生初步掌握正確繪制一般平面機構運動簡圖的方法和步驟，并應用機構自由度的方法分析平面機構運動的確定性。講了齒輪加工后，安排學生做漸開線齒廓的范成實驗，使學生了解范成法加工漸開線齒輪齒廓的原理、齒廓產生根切現象的原因及刀具徑向變位對齒輪齒形和幾何尺寸的影響。做漸開線直齒圓柱齒輪參數的測定實驗，學生可掌握用簡單量具測定漸開線直齒圓柱齒輪基本參數的方法，并加深理解漸開線的性質及齒輪各參數之間相互關系的知識。學習了軸和軸承后，做減速器的拆裝實驗，通過拆裝減速器，使學生熟悉減速器的結構，了解減速器的用途、特點及裝拆的基本要求；可觀察減速器中各零件的結構形狀和功用，并分析其結構工藝性；了解減速器中零件的裝配關系及安裝調整過程；了解和密封的方法；學習減速器基本參數的測量方法；熟悉和掌握軸的結構及其設計；學習軸上零件常用的定位和固定方法；熟悉并掌握軸系結構設計的要求與常用的軸系結構；提高學生對軸的設計能力和軸承組合的設計能力。

學習了齒輪傳動、帶傳動及軸后，分別布置設計齒輪傳動、帶傳動和軸的大作業。全部課程學完后，安排一周時間進行課程設計，設計題目是：帶式輸送機傳動裝置中的一級圓柱齒輪減速器。學生通過這些實驗、做大作業及課程設計，既能把相關各章所學知識通過大作業中的不同環節進行應用和技能訓練，又通過大作業把各章內容相互聯系起來。克服了過去學生會做作業而不會設計的毛病。通過帶式輸送機的結構設計和運動計算，學生對帶式輸送機如何由高速旋轉的電動機帶動，經帶傳動和齒輪減速器兩次減速，最后要求的輸送帶的速度就一目了然了。又因軸的結構設計必須考慮軸上零件的安裝和固定要求，所以，帶輪、齒輪、軸承、聯軸器應放在軸的什么部位，如何與軸固定都很清楚，軸的結構設計也變的好解決了。由于帶傳動設計時計算出對軸的壓力，齒輪傳動設計計算了齒輪的受力，以上各力如何作用在軸上，各力的方向如何，學生都很和清楚，弄清楚了問題的來龍去脈，所以取軸為分離體，求軸承的支反力，這個教學難點也就解決的比較好。

六、運用多媒體課件，提高空間思維能力

運用多媒體技術進行《機械設計基礎》課的輔助教學，是目前機械設計教學中有效的現代化教學手段。多媒體技術具有聲文并茂、二維動畫和三維動畫的特點，能祥盡形象地表示難點和重點及機構的運動過程，可以形象逼真地展示機構的運動過程及其結構特點。尤其是分析機構的運動情況時，利用多媒體課件教學，直觀、形象并且一目了然，將抽象問題形象化。如果機構的某處結構不清楚時，可采用：“定格”和“特寫”的方法，將活動的機構停下來并放大，詳細觀察和分析機構。運用多媒體課件，還可以隨時講解理論知識，演示機構運動過程，高效而省時。

參考文獻：

[1]鐘麗萍：《〈機械基礎〉實驗實訓指導書》，北京大學出版社，2006.12。

篇（10）

中國鋼結構產業通過近幾年的飛速發展，已成為鋼結構大國。2016年兩會期間，政府的工作報告中明確提出了要積極推廣綠色建筑和建材，大力發展鋼結構和裝配式建筑。鋼結構特點是抗震性能好、綠色環保、便于機械加工、便于裝配，“十二五”期間，在住宅和中小跨度橋梁結構中，鋼結構用鋼量占鋼產量的比例不到1%，遠低于歐美發達國家的水平。所以，鋼結構產業在我國發展的空間巨大。為滿足鋼結構產業發展，需要培養更多的鋼結構專業人才。

一、鋼結構教學面臨的主要問題

1.教學學時不足。

近幾年，隨著鋼結構工程規模的不斷擴大、結構形式在不斷創新，例如現在工程上應用比較多的索膜結構，對鋼結構的教學內容提出了更高的要求，專業教學改革的方向是要進一步縮減理論課程教學學時。

2.教學內容難度增加。

鋼結構工程引入新技術、新材料后變得越來越復雜。要學好這門課程，對學生的專業基礎知識的要求提高了，例如結構的抗風抗震設計，需要結構動力學的知識，但現在專業基礎理論課的課時一直在壓縮，教學內容減少，學生的基礎明顯不佳。

3.學生對鋼結構陌生、學習興趣低。

學生普遍反映鋼結構難學，主要原因是對鋼結構陌生，在日常生活中，即使看到一個鋼結構建筑，也難見到鋼結構實體，尤其是鋼結構節點構造，因大部分情況下鋼結構都是外包裝修的，不像鋼筋混凝土結構，天天能接觸，很熟悉。這降低了學生對鋼結構的學習興趣。

4.實踐機會少，動手能力差。

因為鋼結構建筑少，學生在整個實習過程中能夠接觸到鋼結構工程的機會更少，不能把理論知識與工程實踐有效結合起來，出現了學生能做課本上的習題，但和實際工程相結合后就沒有頭緒的現象，不能解決實際工程問題。

二、教學改革的主要內容

1.教學內容。

《鋼結構設計》是土木工程專業建筑工程方向的學生學完《鋼結構基本原理》課程后，對鋼結構更深層次學習的課程，有些高校是以選修課的形式開設這門課程。教學內容主要包括鋼屋蓋結構設計、單層工業廠房結構設計、多高層鋼框架結構設計、大跨度結構設計。教學過程中要注重以《鋼結構設計規范》、《建筑抗震設計規范》、《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》、《高層民用建筑鋼結構技術規程》和《空間網格結構技術規程》為指導，重點講解各類結構設計理論和計算方法的概念，解釋規范條文，以及如何應用，具體的計算過程由學生自學。

2.加強與其他課程的聯系。

《鋼結構設計》與其他設計類課程有相近的地方，也有獨自的特性。例如《混凝土結構設計》中也有單層廠房結構設計，其中結構體系、結構布置、結構組成和荷載傳遞方面的內容與《鋼結構設計》相近，現在工業廠房中的吊車梁基本采用鋼結構，吊車梁設計這部分內容安排到《鋼結構設計》這門課程中重點講解。另外，鋼結構設計的特點就是穩定驗算，包括整體穩定和局部穩定，這是鋼結構學習的重點也是難點。同時要引導學生比較鋼結構與混凝土結構的優缺點，通過對比加深對鋼結構的認識。

3.理論與工程相結合。

在每種結構類型中引入一個案例，以工程實際為依托，介紹相應的鋼結構設計軟件與操作方法和施工圖表達方式，通過實際工程的施工圖教學生如何識圖。鋼屋蓋結構、廠房結構和框架結構介紹PKPM軟件，鋼管結構介紹3D3S軟件，網架結構介紹SFCAD軟件。把實際工程引入課程后，不但豐富了教學內容，更指導學生如何把理論知識與工程應用聯系起來，提高了學生對鋼結構的學習興趣。

4.課程設計。

課程設計是《鋼結構設計》課程的一個關鍵環節，也是理論聯系實際的一個重要途徑，設計題目采用傳統的鋼屋架設計，但設計要求做了調整，提高了學生對軟件操作的要求。例如計算書采用手算和電算相結合的方式，內力計算采用電算，桿件截面和節點的設計與驗算采用手算，施工圖采用軟件繪制。教師在整個課程設計過程中要做好指導工作，培養學生發現問題、剖析問題和處理問題的能力。

5.課程考核。

一般本科院校土木工程專業主要是培養具有良好基礎理論和系統專業知識，實踐能力強，并有創新意識的應用型人才。對于《鋼結構設計》這類實踐性很強的課程，沿用傳統的考試方式進行考核已經不適用，應采用考評的方式評價學生的學習效果。學生的課程成績包括平時成績和期末成績，各占50%。平時成績主要根據學生出勤、作業、回答問題和參與討論的情況確定；期末成績以大作業的形式考核，大作業是常規的設計題目，每位同學的數據不一樣，例如跨度、檐口高度、柱距、吊車噸位等參數不全相同，最后抽20%的學生進行軟件操作考核。采用這種考核方式，既能提高學生對課程的重視程度，又能注重平時知識的積累。

筆者近幾年從以上幾個方面對鋼結構教學進行了初期的探討與實踐，發現學生學習鋼結構的積極性明顯提高，渴望獲得專業知識和技能的意識明顯增強，達到了良好的教學效果。