时间：2023-12-27 10:45:34
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机械原理课程是车辆工程专业的主要技术基础课程之一，在专业课程体系中处于承上启下的重要地位，机械原理课程设计是课程教学的重要实践环节，其目标是提高学生基础知识运用能力并增强机械设计创新意识[1]。随着时代的进步，赋予传统实践教学新教学手段的教学改革势在必行，作为目前流行的集成化系统软件UG，凭借其卓越的设计分析应用功能，可为课程设计教学提供十分强大的支持。针对我院车辆工程专业机械原理课程设计存在的瓶颈，基于专业特点，提出了基于UG平台的课程设计新模式，并通过实例分析探讨了具体实施方法，为机械原理课程设计的教学改革提供了新思路。
1 当前课程设计在教学中面临的瓶颈
1.1 设计思路单一，技术手段滞后
设计思路以参照机械原理课程教学中机械系统方案设计的知识体系进行，每名学生针对所选机械系统提出设计方案，通过对比方案选出最优设计，最终通过二维设计软件AutoCAD将设计构思表达出来。显然，这种基于传统图解法的二维设计已无法有效激发学生的设计热情，使本应生动的实践过程变得枯燥。
1.2 专业特色不突出，难以调动学生积极性
课程设计选题仍以通用机械为主，且学院各专业选题内容没有区别，车辆工程专业学生在设计中很难将本课程与车辆工程联系起来，这种有效关联学生难以构建，因而难以有效调动学生的积极性。
1.3 缺乏现代工程软件应用能力
我院隶属于农科院校，先进设计手段在教学中的应用还较为滞后，尤其是在现代工程软件的应用方面，至今学生还未系统地学习一款三维设计软件。先进的设计工具凝聚着先进的设计思想，如何借助现代工程软件平台，最大化地将现代设计思想灌输给学生，是我院亟待解决的问题。
1.4 缺乏设计分析一体化的整体思维能力
由于缺乏现代工程软件的应用支撑，学生在课程设计中往往只是一些机构的简易拼凑，对方案的可行性、合理性、工作是否会相互干涉等问题无法进行深入思考与切实验证，从而无法有效获得机械系统整体思维能力。
2 课程设计新模式
为了改变目前我院车辆工程专业机械原理课程设计的现状，提出了基于UG平台的课程设计实施新模式，通过将现代工程软件融入课程设计中，提高学生的设计能力。
2.1 工程设计软件平台的选择
针对机械原理课程设计特点，选择的软件平台应具有三维建模、机构仿真、运动及动力学分析功能，另外，考虑到本科阶段学生能力和精力有限的特点，不宜涉及多款专业软件，尽量以学习一款能解决设计中诸多问题的集成化软件为佳， UG正是集CAD/CAE/CAM一体化的大型系统软件，而且实用性好，越来越受到中国高校及企业用户的青睐，而且UG每个版本的更新都能同步反映当代最新的设计方法和理念，为学生今后的知识更新与扩容奠定基础。
2.2 具有专业特色的课题选择
在课程设计题目的选择上，紧紧围绕车辆机械这条主线，针对车辆工程领域常见的机械结构进行传动方案设计、运动仿真以及动力分析。选题基本方针是将各种车辆机械中相应的常见机构作为优选课题，并且为避免课题单一，必须在题目设计上实现多样化、个性化。例如同一机构类型在不同车辆类别、不同型号车辆、不同设计参数下进行设计，这样既能保证学生设计不重题，又能有效促进学生之间的讨论与交流。以专业特点为导向的课题选择，不仅实现了课程学习与专业学习的融合，达到了学以致用的效果，而且也很好地激发了学生的学习动力。
2.3 分层次的设计与指导
分层设计与指导从两个层面展开，其一，扩大选题范围并增加选题层次；其二，基于因材施教的原则，将3～6人作为一个小组，新模式下的分层设计是将一个大课题细化为若干层次的小课题，组员根据自身能力和兴趣选择一个，小课题难度分层次且关联递进，整个大课题只有在每个小课题都完成的情况下才能完成。这种模式不仅便于指导教师的分类指导，也有利于学生独立思考与团队合作。
2.4 新模式的实施框架与目标
通过框架图可以看出，新模式的技术载体是UG软件，UG软件工具运用的熟练程度直接决定了整个课程设计的进展情况。因此，新模式的前期准备阶段至关重要，为了在课程设计正式开始之前使学生对软件有一定的了解，需要教师将工程软件有效引入整个机械原理课程教学中，这方面已有许多教学工作者将之引入机械原理课程教学中，并在提高教学效果的同时就如何提高学生软件运用能力方面作了有益的研究和实践[2，3]，值得借鉴。教师指导重点是把握课题的分层次布置、设计方法的引导以及软件使用技巧的点拨。在整个设计过程中，小组成员共同讨论方案的拟订，然后根据能力层次分工完成机构建模、运动分析、动力分析、设计优化等环节，每个环节在独立设计的基础上又离不开团队合作，在设计完成后以期每名学生既能对所选课题建立起系统的认识，又能熟练掌握相应设计环节的软件运用。
通过这种新模式的实施，所要达到的实践教学目标如图2所示。借助UG平台进行的课程设计，基本目标是使学生同时获取综合运用基础知识和软件应用能力，理想目标是学生完成课程设计后能形成系统的设计思维，创新能力有所提高。
3 新模式实施案例
以具有车辆工程专业特点的典型汽车发动机机械系统为例说明，新模式的实施。三维虚拟设计模型框图如图3所示。
3.1 针对专业特点挖掘设计课题
挖掘具有专业特点的设计题目，发动机是车辆的心脏，透彻了解它的结构是车辆工程专业相关课程教学的一个重点。如图3所示，将发动机整个机械系统作为一个大课题，以发动机活塞运动仿真与分析a、发动机气门运动仿真与分析b、发动机气阀联动运动仿真与分析c为子课题，其中a对应于曲柄滑块机构，b对应于凸轮机构，c对应于齿轮机构，这些常用机构建模、装配及仿真，教师在前期准备环节中，都应通过UG软件平台将其融入机械原理课程教学中。类似的课题还可以从车辆传动机械系统转向机械系统、制动机械系统等中挖掘，车辆类别可从普通汽车扩展到农用车辆、铁路车辆等。
3.2 分层次地设计指导
本课题可根据学生能力和成绩，按分层教学思想和模式分配给3～6名学生共同完成。其中对于成绩差的学生，指导重心应放在运用基础知识创建典型机构的运动方案上，如活塞运动、气门运动、气阀联动的工作原理拟定及运动尺寸的确定，并学会运用UG创建单个零件的三维模型；对于成绩较好的学生，指导重心应是学会运用UG进行单一机构的装配设计和干涉检查；对于成绩好、能力强的学生，指导侧重点放在整机的运动仿真及方案优化上。在整个设计过程中，每个层次的指导又不是割裂的，每个子课题相互关联递进，强调每名学生在有所侧重的基础上共同参与，实现系统思维的构建、综合能力的培养。
3.3 基于UG的设计过程
在机械原理课程设计中，UG软件平台主要借助建模、装配和运动仿真三大模块功能。首先，学生要对UG建模模块中的常见操作命令熟练掌握，领会三维建模思想，这是每一名学生在课程设计开始之前必须达到的要求；其次，学生进入UG装配模块进行机构的装配设计并进行干涉检查，这一环节需要教师进行示范演示并穿插上机强化；最后，在机构装配完成后进入UG运动仿真模块，学生通过仿真结果，给出方案评价或方案优化。
4 结束语
UG软件平台背后的CAD/CAE技术已逐步成为现代产品设计的主流技术，我们必须树立新的教育质量观念，调整和改进机械原理课程设计的内容和手段，提高课程设计的技术含量和设计质量。如何更有效地发挥诸如UG这一类现代工程软件在工科教学中的作用，是我们教学工作者面临的一个重要课题。
参考文献
[1] 王涛，张艳华.机械原理课程设计新模式的探索与实践[J].中国电力教育，2010（1）：155-156.
[2] 陈奇，朱家诚，公彦军.将计算机软件引入机械原理教学的探索与研究[J].合肥工业大学学报：社会科学版，2011（1）：145-148.
[3] 华剑，晏亮.工程软件在机械原理教学中的应用 [J].长江大学学报：自然科学版，2008（3）：363-365.
【关键词】机械原理课程设计；团队；现代设计方法；创新
0 引言
机械原理课程设计是机械类学生进入大学以来第一次真正意义上的课程设计，是利用已学过的知识进行比较全面地、具有实际内容和意义的设计，也是机械原理课程学习的一个必要实践环节[1]。为了适应竞争日益激烈的企业对具有高素质工程人才的需求，有关机械原理课程设计的教学改革如课程设计的方式、内容、组织形式、探索如何培养学生的创新设计、计算机辅助设计以及团队合作的能力等，一直在各高校中进行[2-3]。
目前国内高校对机械原理课程设计的选题一般采用两种做法：一种是选用已有的典型机械（如牛头刨、压床等），进行比较系统的运动分析、力分析等，重点在于加深学生对机械原理课程各章节的理解和掌握；另一种是以培养学生的创新能力为目标，学生自选课设题目以小组为单位进行课程设计，亦或是在机械原理课程设计中引入创新实验等[4-5]。
这些以提高学生创新能力为目标开展的多形式改革，打破了传统设计中的问题和不足，建立起了传统课设中缺乏的工程价值观，能充分调动和发挥学生的主动性，均值得我们学习和借鉴。
1 传统“机械原理课程设计”中存在的弊端
1.1 传统设计题目单一，时间短、任务重
我学院十几年来一直延用同一个课设题目――小型精刨机主切削运动机构设计，每位设计者采用图解法完成机构在两个瞬时位置时的运动分析和力分析，手绘在A1的图纸上，并编制相应的设计说明书。一方面教师指定了课设内容和课设题目，学生只要按照要求按步骤进行即可，造成学生因有完整现成资料参考而缺少方案创新，达不到训练学生收集和运用设计资料的能力，与时展和要求特别是与面向工程实际应用的卓越人才培养有了不小的距离[6]。
另一方面，课程设计安排在课程讲授完，大概十四周之后，由于班级较多，可用教室较少，需要串联进行，其中总会有四个～八个班将被安排在考试周或考试周的前一两周进行，正值各科考试（电工技术、工程材料、材料力学）陆续进行，学生忙着应对考试，加上真正用于课设的时间不足四天，时间短任务重，留给学生思考的时间不多，便会导致学生着急赶进度，一味追求进度而忽视了设计的质量，出现投机取巧的现象。往往学生还没有太明白是怎么一回事，课设就结束了，来不及对方案进行思考和分析，更谈不上锻炼和提高学生的设计能力。
1.2 传统设计手段落后，理论脱离实际
教育部高等学校机械基础课程教学指导分委员会2009年制定了“关于深化机械原理课程实践教学改革的意见”，其中明确指出目前机械原理课程实践教学改革应当重点关注的问题之一是商业软件（如ADAMS、Pro/E等），在实践教学中应用的相关问题。计算机三维虚拟设计技术的应用已经成为社会对工程技术人员一项必不可少的需求条件。而传统的设计方法无论是用图解法还是解析法，设计中都是过于侧重理论，偏重知识的积累，这种模式是中国传统的高等教育的人才培养模式，在历史上曾发挥过重要作用。随着产业结构的转型升级，传统的教学模式暴露出了许多缺点，设计过程与工程实践完全脱节，学生在设计过程中仅是被动地接受知识，无法真正培养工程应用能力，对工程意识建立、工程应用能力培养等都有不利影响，根本谈不上培养学生理论联系实际的思想，也训练不了学生编辑计算机程序来辅助解决问题的基本技能。
1.3 传统设计参数差别不大，缺乏创新能力
传统课设过程中，教师给每个班级分配三个方案，一个小组完成其中一个方案，对于同一小组的各成员，其设计参数仅限于原动件的角位移的区别，其它一概相同。而且一般是几个班同时进行设计，而各不同班级之间的区别也仅在于行程速比系数的差别，虽然各学生设计任务中的结构尺寸有差异，然而差异却不明显。这便使得部分学生有了可乘之机，借助复印手段，学生从设计开始手头就有了往届学生的设计说明书作为参考，他们只需要将其中相应的数据加以简要改动，照着说明书的步骤照猫画虎开始画图，自然说明书中的错误也将被一并带入新的设计，甚至有的学生为了交差，说明书全盘照抄别人的，使得说明书数据与图纸对不上也是时有发生。这样的课程设计对于学生理论知识的巩固起不到多大作用，没有主动参与和思考的热情，体会不到设计的乐趣所在，更不要说对创新能力的培养了。
1.4 传统设计个人意识强烈，缺乏团队协作精神
由于全班同学课程设计的方案和内容相同，每位同学完成从结构设计到运动分析、力分析一项完整的任务，不需要同学间的协作，最多涉及到同学间帮带的关系，大多学生自己埋头做自己的，团队之间相互协作的精神也很难发挥，体现不出团队合作中的荣誉感和责任感。
2 基于创新能力培养的《机械原理课程设计》改革实践
2.1 提前布置课设题目，建立工程意识
目前的课设任务均是课程设计周的第一天布置，学生直到课程设计开始才明白要完成的任务，一些接受能力差一些的学生或者基础理论不扎实的学生很难在第一时间进入设计状态。
为给学生留出较多时间来查阅相关资料，课程设计的任务布置应安排在学生开始上课后的前面阶段，这样一方面使得学生有了更多的时间来收集相关资料，为课程设计的进行积累更多的理论基础；另一方面，学生带着课设任务进行平时课程的学习，使得学习过程有了目标性和针对性；同时可以将学到的理论知识用于指导实践，有助于学生从平日的生活和工程实践入手选题，以产品为导向，使传统课程设计理论实践相脱离的问题得以改善，更加强调学生综合能力的培养，有利于激发学生学习兴趣、建立工程意识。
2.2 引入现代设计方法，提高设计主动性
将现代工程设计方法和手段融入课程设计，更新课程设计的方法，改变传统的手绘制图的落后方式，不仅可以巩固对三维设计软件的掌握程度，为今后的学习和工作奠定基础，同时，使课程设计中遇到的运动学、动力学等复杂问题变得简单、直观和精确，弥补学生力学知识的薄弱和实践经验的不足，增加学生的成就感，可以提高学生创新的积极性，建立传统教育中缺乏的工程价值观，从而激发学生的学习兴趣，转变学习态度，有助于营造独立创新、自由探索的良好环境，提高学生设计的主动性。
2.3 扩大设计题目类型，培养创新能力
从日常生活、工程实际中广泛搜集合适的课程设计题目，扩大题目的数量和类型，提高学生的兴趣，也给学生以充分的想象和发挥的空间，使他们学会独立思考、积极创新。特别是前期学生通过互联网、图书馆，有的还讨教自己的亲朋好友。搜集资料的过程中，不仅增长知识，同时可以培养学生检索文献的能力。
2.4 以小组为单位，激发团队责任感
为更好地体现课程设计的目的，巩固学生的理论知识，更清楚认识设计的概念，同时培养团队合作的精神，以培养学生的综合设计能力，采用研究设计小组形式，发挥每个人的特长，集思广益，互相合作，能够比较全面有效地解决问题，使知识的掌握更加准确和深刻培养学生团队协作能力，增强每个学生的参与意识和设计的积极性。同时也可避免互相抄袭现象，调动后进学生的积极性，使其体会到团队的力量是无穷的，形成协作意识，增强责任感，有利于发展良好性格，为将来工作岗位上的合作奠定基础。
3 课程设计改革的实施内容
3.1 制定课程设计实施规范
机械原理课程设计改革首先要明确的是统一整体操作规范，若每位教师都有各自的实施方式和评价标准，没有形成统一的评价体系，这对所有学生来说是不负责任的，容易造成不良影响，甚至是教学事故。为了规范课程设计，需制订实施规范，主要包括实施方式、实施步骤、考核及评分方式等内容。
3.2 搜集课程设计题目
课程设计题目的制定是课程设计顺利开展的关键。一方面鼓励学生自选课题开展研究，另一方面教师从日常生活、工程实际中广泛搜集合适的课程设计题目供学生挑选。不管哪种方式，教师均需从可实施性方面考虑，从整体上把握课题的难度及工作量；同时从课题的内容上考虑，让学生觉得既有兴趣又不陌生；还要从创新角度考虑题目的新颖性，给学生以充分的想象和发挥的空间，锻炼创新能力。“设计也是一种创新”，在培养学生创新能力的同时，典型机械的分析和设计对于学生来说也是不能缺少的，可以要求学生在现有传统方案基础上进行进一步的设计和优化。
3.3 编制“基于SolidWorks的机械原理课程设计”指导书
为改变传统的手绘制图的落后方式，适应现代工程的需要，我们将三维设计软件SolidWorks引入课程设计，由于学生对该软件比较陌生，教师需编写相对应的基于SolidWorks的课程设计指导书来辅助学生在较短时间内完成相关工作。指导书内容以一种典型传动机构（例如小型精刨机）为例，详细介绍基于SolidWorks对机构进行结构分析及运动仿真的详细步骤，一方面包含参数化机构的创建，另一方面为机构的运动仿真，即通过SolidWorks Motion 和SolidWorks Simulation 模块对方案进行动态仿真分析。
4 结束语
基于创新能力培养的《机械原理课程设计》改革实践，通过以小组协作形式完成课程设计，改变了以个体为单位的传统模式，更有利于调动和发挥学生的主观能动性，培养学生团队协作能力。
课程设计题目从生活实践入手选题，以产品为导向，使传统课程设计理论实践相脱离的问题得以改善，更加强调学生综合能力的培养。
将计算机辅助设计引入课程设计，更新课程设计的方法，不仅巩固对三维设计软件的掌握程度，同时提高学生创新的积极性，建立传统教育中缺乏的工程价值观，可以推广至机械相关专业。
【参考文献】
[1]安子军.机械原理[M].北京：国防工业出版社，2009.
[2]黄小龙，刘相权.机械原理课程设计改革的研究与实践[J].科技教育创新， 2011，24：182.
[3]朱玉.CDIO 工程理念在“机械原理课程设计”教学中的应用[J].中国电力教育CEPE，2010，1：138-140.
[4]张传敏， 崔宁， 张恩光，等. 独立院校机械原理课程设计教学改革与实践[J]. 科技信息： 15-16.
关键词 机械原理 机械设计 课程优化
机械原理与机械设计课程开设历史悠久，两门课程始终作为全国各工科院校机械类专业主干技术基础课程。近年来，随着机械学科的飞速发展、我国高等学校机械类专业人才培养实施宽口径化、21 世纪人才综合能力培养的需求，再次审视两门课程的教学体系、课程内容和教学方法，认为依旧存在问题需要探究与改革。
一、存在的问题
（一）内容有交叉与重复现象。机械原理和机械设计两门课程的教学内容基本变化不大，课程内容自成体系，相互之间缺少衔接，存在内容交叉和重复的问题。
（二）缺少系统性。两门课程缺少对机械系统的介绍，学生学完了两门课程，仍对机械没有整体的认识，对机械的设计过程缺少了解，两门课程的总体效能未能充分显现。
（三）实践环节不足。两门课程的实践环节难以适应对学生工程意识和实践能力培养的需求，缺少主动性实践的环境。
二、理论教学体系的整合与优化
机械产品的设计一般要经过产品的规划、方案设计、技术设计等环节，通过机械原理和机械设计课程的学习，学生不仅应掌握一般机械产品设计所需的基本理论知识，还应对机械系统有一个整体的认识，并应了解机械产品设计的基本过程。为此笔者尝试突破“机械原理”和“机械设计”两课程的界线，将教学内容和教学环节进行了重组、融合及整体优化，合并为“机械设计课程。
（一）课程目标。通过本课程理论教学、实验及课程设计等环节，实现总体教学目标：培养学生的工程意识和创新精神；使学生对机械产品具有整体的概念和正确的设计思想；掌握机械系统设计的基础知识，初步具备一般机械方案设计和分析的能力；掌握常用机构及其传动的运动学设计和工作能力设计的基本知识，掌握通用零部件设计计算和选用的基本知识，初步具备一般通用机械的设计能力；培养学生查阅和运用机械设计相关标准、手册及网络息等技术资料的能力。
（二）理论教学体系。在有限的学时内，合理取舍课堂教学内容，是关系到能否真正实现课程目标的关键。经过多年的仔细斟酌、反复探究，提出精、宽、新的授课原则：精——精选重点和难点的内容进行详解与指点，避免烦琐公式的推导和易于自学的内容占用过多的学时；宽——拓宽学生的知识面，注重工程应用，启发学生举一反三；新——注重机械学科发展、将机械学科的科研成果融入教学，让学生了解机械学科的新技术、新方法。
三、实践教学体系的构建
实践教学体系由实验教学、机械实例分析与设计（大作业）、典型机械设计（课程设计）三部分组成。三个模块均以加强自学能力、研究能力、动手能力及工程意识与创新精神为培养目标。
（一）实验教学。在实验教学中将计算机技术和网络技术与现代实技术相结合，加强实验内容的综合性与设计性，如增开了典型机器与机构分析、机构系统创意组合、机械系统创意组合等综合性实验，对启迪学生的创新意识和培养学生的设计能力起到非常积极的作用。
（二）机械实例分析与设计。本课程传统的课外作业内容虽然对一些基本概念、定义的理解起到一定的作用，但是由于各章相对独立、就题论题、解题方法千人一面等问题，让学生感到枯燥无味，抄袭现象严重。为了解决此问题，将“书本习题”大大减少，增加数个综合性、实践性很强的机械实例分析大作业。
（三）课程设计。课程设计是很重要的一个教学环节，课程设计的性质决定了它在对学生进行素质教育，培养学生工程意识和设计能力等方面具有独特的优势。原来的机械原理和机械设计的课程设计是分开的，相互之间没有联系，机械原理的课程设计是以机构的分析为主，机械设计是以零件的强度分析和绘制图纸为主，教师不仅限定了设计题目和方案，还给学生提供了非常齐全的参考资料，学生的创新意识得不到发挥。将两门课程的课程设计进行了优化整合，从题目的选择到实施过程，更加符合现代机械的设计思路，即把过去仅进行机构和零部件的尺度综合、运动分析和动力分析，改变为进行机械系统的综合设计。使学生的创新潜能得到了发挥，提高了设计的能力、计算机运用能力、形象思维的能力。
四、教学方法与手段的改革
近年来，随着两门课程体系的改革和深化，课程内容不断更新和增加，但教学学时相对减少，学时与内容成了突出矛盾。如何激发学生兴趣、启迪学生的潜能, 提高学习的自主性和能动性,使学生在较短的时间内掌握机械设计的基本理论与方法；如何培养学生的工程意识、创新精神和设计能力，是教学方法和教学手段研究的重要课题。
（一）从培养兴趣入手。兴趣是成才的起点，是成就事业的沃土。学习兴趣能激励学生充分发挥学习潜能，提高学习效率和质量。
（二）开放式教学。开放式的教学方法，一是要打破传统的“一本书”，大力提倡课外阅读，让学生了解教科书之外相关领域的知识，更要让学生了解新理论、新方法和新技术。二是打破“一言堂”，给学生适当的“自由”，鼓励学生向老师提出问题，帮助学生树立“不唯书、不唯师、只唯实”的实事求是精神；三是教师不要把所有的知识点得“完美无缺”，要给学生的自学留有余地和空间。
（三）倡导主动实践。被动实践是指实践的对象、方法、程序等关键要素都是由老师制定的, 学生在老师规定的框架中, 沿着老师制定的路线去完成实践任务。
参考文献：
[1]濮良贵,纪明刚.机械设计（第八版）[M].高等教育出版社TH122.2006.5.
摘要：本文以六杆机构牛头刨床为例，在运动学分析的基础上，应用Matlab软件编程实现了牛头刨床的位移、速度和加速度的变化曲线，完成了对牛头刨床的运动仿真，通过使用Matlab，为机械原理课程设计的改进提供了一个新的思路。
关键词：Matlab；机械原理；课程设计；六杆机构；运动仿真
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）52-0077-02
机械原理课程设计是机械原理课程重要的实践环节，培养学生机械系统运动方案设计的初步能力。目前机械原理课程设计的方法有图解法和解析法两种，图解法需要学生列出矢量方程式，作图求解，其优点是几何概念清晰、形象，缺点是作图比较烦琐、精度不高[1]。解析法需要学生针对给定机构建立运动学模型，求解出位移方程、速度方程和加速度方程、编程求解，根据求解结果绘制相应曲线。解析法需要学生具有一定的编程能力，其优点是求解精度高，培养了学生运用现代化的手段解决设计问题的能力。
Matlab是美国Mathworks公司开发的大型科学计算软件，本文以机械原理课程设计中常见的牛头刨床为例，首先利用矩阵法对机构进行运动学分析，然后利用Matlab编程求解，绘制仿真曲线，直观再现牛头刨床从动件的运动规律。
一、牛头刨床工作原理概述
牛^刨床是一种用于平面切削加工的机床，图1所示为牛头刨床主运动机构的运动简图，由导杆机构1-2-3-4-5带动刨头5及其上的刨刀作往复切削运动。刨头右行时，刨刀速度较低，刨刀进行切削，为工作行程。刨头左行时，刨刀快速退回，刨刀不切削，有急回特性，为空回行程。设计数据如表1所示。在工作行程中，牛头刨床受到很大的切削阻力（在切削前后各有一段约0.05H的空刀距离，H为行程距离），而空回行程中则没有切削阻力[2]。
二、Matlab仿真分析及参数测量
当牛头刨床六杆机构中导杆CD处于左极限位置时，曲柄与x轴夹角为194.84度，刨头上E点坐标为（796.52，-495.5），为便于分析，以此位置作为曲柄顺时针旋转和刨头位移的起始位置，在Matlab中编写程序，首先定义各杆长度及曲柄旋转角速度，然后根据先前推导的运动学方程编程实现[3]，其源代码如下：
n1=72；w1=2*pi*n1/60；Lac=430；
Lcg=796.52；Lab=110；Lcd=810；Lde=291.6；
dy1=[]；ddy1=[]；Pos=[]；
for theta1=（194.82/180*pi）：-pi/100：
（194.82/180*pi-2*pi）
S3=sqrt（（Lab*cos（theta1））^2+（Lac+Lab*sin（theta1））^2）；
theta3=acos（Lab*cos（theta1）/S3）；
theta4=pi-asin（（Lcg-Lcd*sin（theta3））/Lde）；
Se=Lcd*cos（theta3）+Lde*cos（theta4）；
SS=[theta1，theta3，theta4，S3，Se]'；
Pos=[Pos，SS]；
A=[cos（theta3），-S3*sin（theta3），0，0；
sin（theta3），S3*cos（theta3），0，0；
0，-Lcd*sin（theta3），-Lde*sin（theta4），-1；
0，Lcd*cos（theta3），Lde*cos（theta4），0]；
B=[-Lab*sin（theta1）*w1，Lab*cos（theta1）*w1，0，0]'；
dy=A＼B；
dy1=[dy1，dy]；
dA=[-dy（2）*sin（theta3），
-dy（1）*sin（theta3）-S3*dy（2）*cos（theta3），0，0；
dy（2）*cos（theta3），
dy（1）*cos（theta3）-S3*dy（2）*sin（theta3），0，0；
0，-Lcd*dy（2）*cos（theta3），-Lde*dy（3）*cos（theta4），0；
0，-Lcd*dy（2）*sin（theta3），-Lde*dy（3）*sin（theta4），0]；
dB=[-Lab*cos（theta1）*w1^2，-Lab*sin（theta1）*w1^2，0，0]'；
ddy=A＼（dB-dA*dy）；
ddy1=[ddy1，ddy]；
end
theta1=-1*（Pos（1，：）*180/pi-194.82）；
theta3=Pos（2，：）*180/pi；
theta4=Pos（3，：）*180/pi；
S3=Pos（4，：）；
Se=Pos（5，：）+495.5；
Ve=-1*dy1（4，：）；
Acc=ddy1（4，：）；
plot（theta1，Se），grid on
xlabel（'曲柄转角（^o）'）；
ylabel（'刨刀位移（mm）'）；
axis（[0，360，0，450]）；
title（'位移曲线'）
plot（theta1，Ve（1，：）），grid on
xlabel（'曲柄转角（^o）'）；
ylabel（'刨刀速度（mm/s）'）；
axis（[0，360，-2250，1500]）；
title（'速度曲线'）
plot（theta1，Acc（1，：）），grid on
xlabel（'曲柄转角（^o）'）；
ylabel（'刨刀加速度（mm/s^2）'）；
axis（[0，360，-20000，20000]）；
title（'加速度曲线'）
编好程序后，可调用绘图函数绘制相应的位移、速度和加速度曲线。
三、结束语
将Matlab引入机械原理课程设计的教学中，能够使学生掌握利用解析法计算公式设计机构的实际技能，提高学生利用计算机进行机械设计的能力，激发学生的学习兴趣，使其动手能力和创新能力均得到提高。
参考文献：
[1]孙恒，作模.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2012.
关键词：卓越教育；机械原理；机械设计；精品课程；课程改革
作者简介：张洪双（1976-），男，吉林梅河口人，河海大学机电工程学院，讲师；楼力律（1973-），男，浙江湖州人，河海大学机电工程学院，副教授。（江苏 常州 213022）
基金项目：本文系2013年江苏省高等教育教改研究立项课题（课题编号：2013JSJG121）、面向“卓越计划“的机械设计课程教学改革研究和实践（项目编号：XZX/13A001-25）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）05-0067-03
我国提出的“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才。河海大学是首批卓越计划的试点高校，同批的高校包括清华、北航、浙大、南大等重点高校，目前国内各高校在机械原理和设计课程上主要从课程的教学体系、课程内容、教学方法、课程的配套教材、课程的师资队伍建设、教学管理等方面进行努力和尝试，提高学生的创新意识和能力，提高学生的工程实践能力。[1]国外和国内“卓越计划”相近的工程教育模式为CDIO：[2]构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）。该工程教育模式由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学自2000年起，经过四年的探索研究后提出的，是近年来国际工程教育改革的最新成果。
机械原理及机械设计是以高等数学、机械制图、理论力学、普通物理、材料力学和工程材料等先修课程为基础的，并为学习有关机械类专业课程奠定必要基础的一门课程。通过课程的学习，学生需要掌握机构学和机械动力学的基本理论、基本知识和基本技能；初步具有拟定机械系统方案、分析和设计机构的能力；掌握通用机械零、部件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有设计通用机械零件和简单的机械装置的能力；具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力等。因此本课程具有从理论性课程过渡到结合工程实际的设计性课程，从基础课程过渡到专业课程的承先启后的桥梁作用。机械原理及设计课程理论性较强和实践结合紧密，且各章节相对较独立，内容多，因此在其教学过程中应注重贯彻少而精原则，不强调面面俱到，知识点要突出，适当增加宽广度，注重机械发展的新概念和新方向。
国家提倡的精品课程建设是以一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理等为特点的示范性课程。面向卓越工程师的机械原理及设计精品课程建设的目的是针对卓越教育的特点，从教学队伍建设、教学内容和课程体系改革、先进的教学方法和手段、教材建设、理论与实践结合、课程建设全面规划等方面进行努力和发展，使卓越教育的机械原理课程教育教学在各方面符合国家示范性课程的要求。[3]
一、课程建设方法
根据精品课程建设的要求，并结合河海大学（以下简称“我校”）自身的发展和基础条件，从以下几个角度进行了相关工作：
1.面向工程应用的课程设置
机械原理及设计是机械类专业的一门重要的专业基础课，在整个专业培养和课程体系中具有十分突出的地位，是从基础课过渡到专业课、从理论性分析为主过渡到工程实践为主的一门课程。该课程是学生接触工程化的第一个实践环节，因此如何深化工程化的概念对于机械原理的教学十分重要。
随着各高校的扩招，年轻教师的数量越来越多，而且具有博、硕士学位的比例越来越高。目前各校新引入的年轻教师主要是从学校到学校，缺少工程经验；企业导师具有丰富的工程实践经验，但在理论高度和课程教育上又有所欠缺，所以工程化教育的师资队伍建设成为时展的需求。结合国家级“河海大学—宝菱重工卓越工程实践中心”的建设，为增加年轻教师的工程实践经历，在学生进驻企业的同时，各专业指导教师需要全程陪同，参与到企业的实践项目建设中。建立企业内实践的各学习模块，为各模块配备校内教师和企业导师，采用双导师制，企业导师负责实践教育，校内教师负责理论教育，相互学习，既提高了校内教师的实践能力，也为企业带来了较新的理论分析方法。而为了提高课堂教学时课程中工程应用的比例，进一步借鉴了蚌埠学院的相关做法：[4]优先引进同时具有高学历和工程实践背景的师资人才，聘请企业内高级技术人员做校外兼职导师；集合学院乃至校区的力量，积极参与常州市及周边地区的建设，增强校企联合；鼓励专利、产学研结合和技术服务，而不仅仅是理论研究和科技论文。
2.课程实施条件
在课程建设的具体实施过程中，主要从教师队伍建设、教材规划、教学条件保障等方面入手。
（1）主讲教师：从机械原理及设计的教学人员构成来看，任课教师中有1名教授、1名副教授、3名讲师，学历均在硕士以上，年龄从35岁到50岁，结构合理、年富力强，形成了一个教师梯队。课程的主讲教师在本科教育教学、教改研究等方面具有十分丰富的经验。为了提高教育教学效果，全体任课教师定期召开教学例会、集中备课、针对教学过程中出现的问题及时处理和分析，不断总结经验。
（2）教材规划：理论课教学选用了由东南大学出版、吴克坚编著的《机械设计》教材。该书是教育部“高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”的研究成果，是面向21世纪课程和普通高等教育“十五”国家级规划教材。该教材以机械系统设计为主线，将机械原理和机械设计内容进行有效的整合。精品课程建设中，教材规划参考天水师范学院的立体化教材建设方法。[5]立体化教材包括主教材、教师参考书、学习指导书、电子教案、CAI课件、网络课程、试题库等。该教材的建设与机械原理和机械设计的课程内容、改革体系相结合，电子教案和课件能够及时反映教学改革的要求，网络课程建设促进教学改革的尝试，逐步提高机械原理及机械设计的教学水平。
（3）教学保障：卓越机械原理及机械设计的教育依托于本科教学平台，能够充分保障课程教学的教学要求。20多年来，学校不断加大投资力度，完善建设，学院的教学设备先进、设施齐全。学院设有本科教学的机械基础省级实验教学示范中心、河海大学常州校区工程训练中心、机械基础省级实验教学示范中心，其中省级实验教学中心在2007年立项建设，2010年顺利通过江苏省验收；专用与通用仪器和设备价值达2000余万元；学院实验室占地4000余平方米，拥有实验设备仪器1200余台套。目前实验室开设的实验课程主要包括：机构运动简图测绘、齿轮参数测量和范成、机构运动参数、螺栓连接、轴系零件组合、减速器拆装和自行车拆装等基础实验，以及机构运动拼接和机构组合实验等多个创新型实验环节。通过基础实验环节，学生能够加深对课程内容的理解和把握；通过创新型实验环节可以进一步提供学生的创新实践能力。除了校内的实验环节，还依托“河海大学—宝菱重工卓越工程实践中心”，对企业内部的设备、设计、工艺和检验等环节进行跟踪学习，让学生深入到车间生产一线，切身体会和了解企业内生产流程，为更好地适应企业环境打下良好的基础。
（4）网络化教学：为了提供一个自主的学习平台，提高教师对学生的教学管理能力，增强学生全方位的素质，完善了网络化教学模式。[6]我校机械原理及机械设计的精品课程网站内容（图1）主要包括课程简介、教学管理、教师队伍介绍、教学资源等。其中教学资源主要包括助学式课件、思考题、练习题、习题答案、课程重点及难点解析等。网站中设有留言信箱，方便同学对于课程的疑问和问题能够及时与老师沟通、联系。
3.课程评价体系
课程评价围绕课程培养目标，不仅要评价学生掌握的知识与技能，而且还要评价学生课堂的表现、出勤率和学习过程。评价时以课程考试为主要的评价方式，并辅助以课堂表现和出勤率等，力求评价方式的多样化。[6]单纯的期末考试不能完全反映学生对课程的掌握程度，目前各高校大多都采用多种方式，如课后作业、报告、实验、小测验、考试等进行考核，表1所示为根据我校卓越教育的特点采用的评分标准和比例。多样化的考核方式使学生必须注重平时的学习积累，不能通过突击的方式完成课程考试，学生有了积极学习的压力和动力，更能均衡地反映学生学习的实际水平和学习效果，符合正态分布。
表1 多样化的考核方法
考核项目
作业 实验 随堂测验 企业实践 期末测试
20% 15% 20% 15% 30%
4.课程改革与创新
机械原理及设计课程具有较强的实践性和可动性的特点。即课程研究的所有问题都来源于生产和生活中实际的机构与机器。因此学习方法要注意课程的特点，在学习过程中尤其应注意理论知识与实践应用的相结合、机构运动简图与具体实物的结合、机构的静态分析与动态分析相结合、形象思维与逻辑思维相结合，将理论分析内容和工程软件的应用相结合。
机械原理及设计的课堂教学、教学方法与手段等方面力求创新改革，探索适合卓越计划学生学习的课程体系和教学方式，培养学生的学习兴趣、创新思维和独立分析问题、解决问题的能力。
（1）教学内容的创新：针对卓越计划教育中学生的理论学习时间压缩而需要提高实际应用能力的学习特点和需求，在机械原理及机械设计课堂教学中的主要内容为：机械运动方案选型设计、机构运动分析与尺寸综合、机械动力学分析和设计、常用零部件的选择、常用机构选择及设计、机械系统设计等。此外还要重视介绍学科发展的新动态、新方向、新内容，注重激励学生的学习欲望，调动学生的积极性，让学生了解更多更新的理论、技术与方法。实践教学方面主要包括小项目和专题、实验教学、课程设计、课外创新等。[7]近年来国家以及江苏省组织了大学生创新训练计划、机械创新大赛等，在创新竞赛的过程中提高了学生的创新意识，使学生得到了实践锻炼的机会，开阔了眼界。
（2）教学方法的创新：机械原理及设计教学方法配合教学内容的改革，加强与学生的互动，将以教师为主的‘灌输式’教学向以启发式、问题式、讨论式教学为主的新的教学方法转变，让学生从被动学习转变为主动学习，真正成为教学活动的主体。
鼓励学生应用成熟的工程软件进行相关课程内容的学习中。例如在原理部分章节中涉及到的图形法采用AutoCAD软件来分析和设计，既可以得到比手工绘图精确得多的解，又可以锻炼利用AutoCAD软件绘图的能力。在解析法中可以结合matlab软件教学，既可以直接利用matlab编程的方法，具有丰富的库函数、编程简单、可视化功能强，又可以采用simulink和simMechanics进行机构的运动学和动力学分析。[8]如图2所示，某曲柄摇杆机构中，各杆件长度分别为l1=120mm，l2=40mm，l3=70mm，l4=100mm，在曲柄运动角速度250rad/s，利用simulink分析得到杆件BC和CD的角速度曲线。零件的强度分析是机械设计中的一个重要内容，应用有限元软件可以得到非常直观的应力及位移图形。[9]如图3所示为应用ANSYS 13.0对某齿轮进行强度分析的应力和位移图，其中齿轮模数mn为2mm，齿数z为24，螺旋角β为10°，材料45钢，在轮齿上受到20Mpa的力。对于这类专业软件有时学习起来比较困难，耗时间，可以采用一些其他三维造型软件自带的一些插件进行近似的分析，如Solidworks Simulation等，虽然结果上有一定的差异，但对于受力的整体变形趋势的分析仍然有很大的参考价值。
（3）教学手段的创新：在教学手段上，着重培养学生对机械系统的整体认识，突出课程重点，有效分析课程难点，课堂教学过程能够吸引学生的注意力，注重学生的参与，启发学生的思考和联想，加深学生对课程基础理论的理解。培养学生主动应用课程所学内容，锻炼其独立解决工程实际问题的能力。教学方法得当，充分利用多媒体教学，激发学生学习兴趣，提高教学效果。[10]多媒体课件中除了课程的文字性内容外，还要包括自制的动画课件和机械相关的视频信息，如企业内各种设备、工具和零部件及加工录像等。此外，在机械原理及设计课程中有关结构分析、运动分析、常用零部件选型、强度分析和计算等方面的教学还应该注意多媒体和板书的综合利用。
二、总结归纳
机械原理及设计课程在“卓越计划”教育的课程体系中处于承上启下的地位，因此加强卓越班级机械原理及设计的精品课程建设具有非常重要的意义和作用。在课程建设过程中，从面向工程化、保证课程实施、课程评价体系以及课程改革和创新等方面采取不同的措施和方法，可进一步提高卓越计划的教育教学质量，提高学生的学习兴趣和自主性，提高学生的实践能力和创新能力，使学生能够牢固掌握机械原理及设计中的相关基础知识和内容，为机械类后续课程的学习打下良好基础。
参考文献：
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[8]王俊峰，田丽萍.Matlab运动仿真在机械原理课程设计中的应用[J].机电产品开发与创新，2009，（4）：187-188.
【关键词】机械设计；课程；创新能力培养
0.前言
创新是一个民族的灵魂，是人类社会发展的不竭动力，自19世纪工业革命以来，创新推动着机械工业不断发展。特别是近十余年来，包括信息科技在内的高新科技与传统机械科技的融合，形成了新的概念与思想、新的结构与功能，新产品新工艺不断涌现。机械工业的进步促进了机械工程学科的创新与发展，同时对机械工程教育提出严峻的挑战。在我国，高职院校机械类专业均开设了《机械设计》课程，它为一般的机械类产品设计提供了基本原理和设计方法，而设计原理、设计方法的创新同产品综合性能的创新是一脉相承。因此，对于机械类大学生而言，如何在课程教学中加强创新意识、创新思维、创新知识、创新人格的培养就体现的尤为重要。本文将分析目前高职院校机械设计创新教育存在的问题，通过创新教学思想、创新理论教学内容、创新实践教学内容和创新综合课程设计等，对培养学生创新能力进行了有益的探索。
1.目前高职院校《机械设计》创新教育存在的问题
1.1教学方法与手段方面
随着科学技术的日益发展，提倡在教学中充分利用多媒体技术的背景下，受教育资源等客观因素的影响，相当一部分学校的《机械设计》课程教学仍处于传统的教学模式中，即教师借助于挂图、简易的实物模型等来说明机械的工作原理、结构、设计理论与计算方法。由于教师语言的表达能力的差异和学生知识水平的参差不齐，这种教学方式很难达到教与学的共鸣，理论与实践的严重脱节，部分学生听完也只能知其然但不知其所以然，导致学生在下面被动听的应试教育，把设计看作是自己遥遥不可及的顶点，甚至认为和自己没有关系，被动学习，没有创新意识。
1.2人才培养的目标不明确，影响创新教育
教学目标是教学的灵魂，教学要以目标为起点，又要以目标为归缩。我国在很早就提出建设创新型国家，所以高等学校都具有培养创新型人才的重任，即把培养具有创新精神和实践能力作为重要的质量目标，重点是提高学生的发展能力。什么是学生的发展能力？我们认为它应该具备适应社会发展需要，既适应当前又适应未来的能力，而一些专业教师对当前经济发展状况和未来趋势陌生，对企业发展人才需求及岗位能力要求缺乏应有了解，对企业技术进步和科技发展前沿、新技术应用缺乏足够的了解、认识和掌握，缺乏实践经验等，这些因素往往会造成他们对所承担的专业教学培养目标定位不准，从而也就无创新能力教育可谈。
1.3教学内容的选择不合理，忽视学生创新能力的培养
目前，我国的高等教育由精英教育转变为大众教育，高职生源素质有了很大的变化，其高考文化成绩大都位于考生群体的中间层，逻辑思维智能优势不突出；另一方面随着社会发展与科学技术进步，新技术、新工艺不断涌现，催生了特殊功能的零件，出现了许多新的设计理念和设计方法，特别是计算机辅助设计。因此在教学中应适当增加新知识、新方法和新理论。
1.4客观条件的利用和创造存在局限性
虽然有的学生具有创新动机，能积极寻找新的学习方法，但由于学校创造性学习条件的局限以及学生自身不善于利用学校的现有条件，缺乏向知识经验丰富的老师或同学请教的勇气，往往不能把握本学科最新发展的动态和相关学科知识的横向关系，由此制约了学生创新能力的进一步发展。
2.本课程教学中创新能力培养思路
2.1教学思想的创新
2.1.1教师要有强烈的创新意识
自古以来，我国教师的职责被限定为“传道，授业，解惑”，它对教师所持的“以传授知识为中心”的教学观念，有着根深蒂固的影响。如果教师本身缺乏对认知理论的学习和研究，自身没有建立起创新教育的意识，对学生创造性天赋和行为所表现出来的个性特征了解的十分有限，缺少促进学生创造性思维发展所需的具体教学策略和技能。只停留于替学生“解惑”，而没有让学生学会和掌握“解惑”。一个创新精神、创新能力方面的欠缺的老师，如何对学生所进行创新能力教育。
2.1.2创新能力的培养作为《机械设计》教学的一个重要目的
传统的课程教学的目标只是要求学生掌握，机械零件设计的基本原理和基本方法。创新教育只是作为其中一个内容而非目的。实践证明培养学生的创新能力比单纯让学生掌握机械设计的基本知识更为重要。机械设计理论和方法是机械创新的基础，而创新能力是学生进行机械创造活动的出发点和内在动力。这就需要把对学生创新能力的培养与正常的教学活动有机的融为一体。需要把这两者都作为教学目标进行考核和评估。
2.2创新理论教学，培养学生创新能力
2.2.1构建有利于培养学生创新能力的课程教学内容
传统的机械设计课程是以工作原理—常见类型—失效形式—结构的合理设计—参数的合理选择—必要强度、刚度及寿命计算为教学路线，这种教学内容突出是机构分析和机械设计理论，逻辑性较强，但学生一旦遇到工程实际问题就会茫然不知所措，也即解决实际问题能力十分有限，因此我们要改变传统的以机构分析为主线的课程体系，构建以机械设计为主线、创新能力为培养目标、基于工作过程的新课程体系。该体系可将教学内容划分为三大模块十三大项目（如上图），积极采用项目教学法，以工程事例为任务起点，以解决实际问题为归宿，增强教学内容与职业活动之间的联系。新课程体系更加贴合工程实际和人才培养的规律，充分体现了学生设计能力培养的循序渐进性，为学生创新能力的培养建立了一个良好的基础。
Abstract： The mechanical design is based on practice and application of a highly basic course. On the one hand, this paper proposed to develop and apply a set of courseware system with modern teaching methods to improve teaching effectiveness, on the other hand, to enhance four abilities of students in basic courses of mechanical design.
关键词： 机械设计基础课程；能力；培养
Key words： the basic course of mechanical design; ability; training
中图分类号：G71 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）35-0282-01
1加强机械设计基础课程的教学优化
1.1 改善现有的教学手段，研究开发出一套新型适应现代化教学的课教系统，提高机械设计基础及其相关课程的教学效果电化教育是现代社会经济，科学技术与教育发展的产物，是实施教改和开展课题研究的需要，是提高教师自身业务素质的需要，是加强教师备课程度，优化课堂教学过程的需要。使用电化教学要注意以下几个要点：①要有利于创造生动和谐的教学情境；②要有利于发挥学生学习的主动性；③要有利于学生智力发展和能力培养。而不论是传统教学方法还是现代电化教学方法，都应坚持“学生为主体，教师为主导”，要有效地发挥学生的主体作用，真正突出学生的主体地位，防止电教为“电灌”。因此，在教学设计上，预先估计学生在学习过程中心理上会发生变化，适时合理运用电教媒体，实现教学过程的优化。媒体使用的最佳时机，主要有以下几种情况：重点内容尚未引起学生注意时，学生思维展开尚缺少形象材料时，复杂机械动作的运行方式难以想象时。投影片的使用方式，可以是老师先演讲，后播放，再概括；也可是先设疑，后播放，再演讲；还可以边播放边讲解等。为获得课堂电化教学的最佳效果，必须先进行教学设计，然后再动手制作教学课件。
1.2 利用新型的动态模型展示，提高学生实践感受力华裔诺贝尔奖得主杨振宁等人也多次对我国教育不重视培养学生的创造性提出批评。提倡死记硬背，实行题海战术，使用标准答案，压制学生的个性发展，把教学过程单纯理解为对现有知识传透和积累，在教学方法和考试制度上也是重继承轻创新、重灌输轻发现等等，这是当前我国教育包括高等教育普遍存在的流弊。
2提高教师自身实践创新素质
机械设计基础课程是一门创新实践性很强的课程，年轻一代的创新能力要靠教师的创造力去培养。而教师要想胜任自己的教学工作，不仅要善于不断地更新和扩充自己的知识，还要能交给学生获取新知识的方法；而这些不断更迭的新知识、新技能，又难有召之即来的现成的教科书提供答疑和咨询；只能靠教师本人在丰富多彩的实践中去摸索、去探讨、去学习、去掌握。当前部分教师在认识上有“重理论、轻实践”、“重课堂、轻课外”的思想，有些人片面的认为只有增加投入才能提高实践教育能力；另外，在教师能力方面，存在部分教师专业实践能力不足，不能积极主动地参与实践教育活动，一些从校门到校门的青年教师扎在的小圈子里，缺乏从事专业实践教育的底气。通过探讨机械设计基础课程理论教学与增强实践相结合的过程中，促进教师对自身实践创新素质提高的思考。这就要求教师必须具有相应的独立思考、自主意识和怀疑精神，具有学习能力、实践能力和创造能力；要注重自身的知识积累；要乐于参加实践活动，教师的教学实践能力不仅表现在对学生的方面，而且更体现在对自己教学活动的反思上。这种反思是教师教学实践的重要内涵。不能及时反思自己的教师不是好教师，而这种反思是教师不断提高自身素质的一个重要途径。
3在机械设计基础课程教学中加强培养高职学生的四种能力
3.1 将四种能力的培养贯穿课程教学过程中高职高专教育是培养面向生产第一线的应用型工程技术人才。从职业教育、专业、职业的关系来看，职业教育课程应以工作过程为导向。既工作过程导向课程的名称和内容不是指向科学学科的子区域，而是来自职业行动领域的工作过程，且以项目、任务、工艺、范例、案例、设备、产品、实验、厂家等作为课程的实践形式。传统的机械设计基础课程内容包括机械原理和机械零件两大部分，理论性强、概念抽象，涉及的基础理论和知识面广、系统性强，各自成体系。这种学术型的教学模式显然不能适应高职高专教育对应用型人才培养目标的要求。根绝从职业群众归纳整合出的典型的职业工作过程。结合历届毕业生的调查反馈信息及用人单位对机械设计基础课程教学的要求，可对机械设计基础课程进行全面改革，将原机械原理、机械设计的教学内容按一般通用机械的设计过程来安排。
3.2 加强教学方法和教学手段的创新研究在教学过程中，坚持教学方法与教学手段的改革，施行“精讲多练”及启发式教学、讨论式教学、案例教学等等，突出学生四种能力的培养/如对于机械创新设计方面的内容采用讨论式教学，将工程案例引入课堂中，由教师提出案例问题，学生分组讨论，激发学生自主学习的积极性，提高学生的创新能力。采用理论教学、现场教学、实验教学等教学手段相结合，形象直观，用大量的应用实例让学生对生产和生活中的机械装置和机构有更广泛的了解，开阔了眼界。
3.3 大力开展第二课堂围绕课程教学内容的改革，大力开展第二课堂活动，如举办科技文化艺术节、科技人文讲座等，同时积极组织学生参加全国性竞赛活动，如全国大学生数学建模竞赛、大学生"挑战杯"创业大赛、机械创新设计大赛等，培养学生的实践能力、创造能力和就业能力、创业能力。如机械创新设计大赛，学生可自由报名、自选课题参加比赛，在此过程中教师仅起到抛砖引玉的作用，组后学生将自己完成的作品在大赛演示并参加评奖，充分发挥学生的创造能力。此外，还可积极引导学生参与教师承担的部分科研或科研项目，学生能够从中或得许多创新设计的感性认识和理论知识，学到许多书本中没有的东西，并可以综合运用到已学过的知识，解决实际问题，从而提高学生的实践能力和创造能力。
针对当前《机械原理》课程设计的教学现状，分析其不足，并基于OBE工程教育理念，对《机械原理》课程设计的教学模式改革进行了探讨并付诸实践。《机械原理》课程设计是机械类各专业学生在学习《机械原理》课程后进行的一个重要的实践性教学环节，其模式的改革为适应新形势下对机械类学生机构选型、机械系统运动方案设计和创新设计能力的培养提供了良好的平台和借鉴，具有重要意义。
关键词：
OBE；工程教育；《机械原理》课程设计
为了推进工程教育改革，促进中国工程教育的国际互认，培养与国际接轨的中国工程师，由专门的职业或行业协会（联合会）、专业学会针对高等教育机构开设了工程类专业实施专门性认证，工程教育认证强调工科专业人才培养质量达到行业提出的基本质量标准要求，是一种合格性评价[1，2]。工程教育专业认证强调的三个核心理念：产出导向（Outcomebasededu-cation，简称OBE）、学生为中心、持续改进，这些理念代表了工程教育改革的方向，是一种先进的教育理念[3]。我国若要成为《华盛顿协议》正式签约组织，就必须基于OBE理念，深化我国的工程教育改革和工程教育认证体制。《机械原理》是机械类专业必修的一门重要的技术基础课，它是研究机械的工作原理、构成原理、设计原理与方法的一门学科，而《机械原理》课程设计是紧随《机械原理》课程之后的实践性教学环节，是《机械原理》课程的延伸[4]。基于OBE工程教育认证的12条毕业能力要求及课程规划，《机械原理》课程设计需培养的主要能力包括：1）掌握工程基础理论知识并能将其应用于工程问题（毕业要求1）；2）具有分析和解释数据，得到合理、有效结论的能力（毕业要求2）；3）具有综合运用机械设计理论和技术手段设计复杂机械系统、部件和过程的能力（毕业要求3）。本文基于OBE工程教育理念对《机械原理》课程设计课程能力的上述四条要求，结合近年实践经验，阐述我校《机械原理》课程设计改革模式，并为其《机械原理》课程设计改革提供参考。
一、机械传动系统设计能力
《机械原理》内容包括两部分，其一是对现有机构的学习，包括构型分析、运动学和动力学的学习；其二是针对具体任务，利用所学机构学知识，设计传动方案。前者称为分析，后者称为型综合，《机械原理》学习的最终目的，就是要达到型综合的高度，《机械原理》课程设计正是锻炼综合能力的实践教学。遗憾的是，传统的《机械原理》课程设计，体现不出OBE所要求的设计系统的能力，复杂机械系统更无从谈起，因此，改革势在必行。基于OBE教学理念的课程设计改革使设计题目多样化，调动学生设计的积极性而不限制其思维，并且课程设计只提出最终要求而不限制方法，为了让学生在规定的时间内独立完成设计任务，题目不宜太深太复杂，其原则为：题目具有综合性，以运动方案设计为主；题目要覆盖《机械原理》课程的主要内容；题目应结合生产实际，是学生在日常生活、生产实践中所熟悉的；题目的设计结果应包括两到三种基本机构，也允许选用其他常用机构或组合机构；题目要有一定的灵活性和创新性，有利于发挥学生的创造力。在设计题目确定后，需对已选题目提出三种运动方案，并经反复论证，确定一种最佳运动方案进行设计和分析。这种自由选题的模式可大大提高同学的兴趣。设计方案由学生独立提出，经独立地分析、比较后确定最佳方案，以发挥其主观性、创造力，使学生受到一次真实的设计训练，进而提升其机械传动系统设计能力。此外，改革后的课程设计，学生们可以自由组合，每个小组自由选择设计题目，小组成员分工协作，共同完成设计任务。从选题、论证、设计到最后提交设计成果，共同讨论、研究，各自发挥自己的长处，不仅培养了创新意识和创新能力，也使他们体会到团队合作的作用。这也符合OBE培养大纲中工程毕业生个人能力和人际团队能力培养的要求。
二、工程基础理论知识应用能力
传统的《机械原理》课程设计中，方案确定之后，其相关运动参数也随之给定，每个学生需要做的就是绘制机构运动简图，利用图解法和解析法对所选机构的位移、速度、加速度及力进行分析，并绘制机构运动线图和作误差分析，最后编写课程设计说明书。从本质上来说，这样的设计仅能算一次作业，效果并不理想。尽管学生都能按部就班地完成设计任务，但却调动不了学生的设计兴趣，对工程基础理论知识的应用缺乏深刻理解，谈不上对学生的毕业能力的培养。基于OBE教学理念的课程设计改革使设计题目多样化，只提出最终要求而不限制方法，学生可以充分地利用所学的理论知识去解决实际的问题。考虑到《机械原理》课程设计时间较短，教师在《机械原理》课程教学中，需提前做出安排，如现代工具的使用、软件的学习、各种方法的比较、综合性作业安排等。任务的不确定性导致解决方法的多样性。学生需要根据所选择任务，基于所学的机构学知识，甚至查阅相关文献去设计解决方案，当多个设计方案确定后，需要比较各方案的优缺点，必然会深入了解每个所设计的传动方案，最终方案确定后，需对其进行结构、运动学和动力学分析，因有了方案设计的深刻理解，设计的目的已非常清楚，在相应分析时，对方法的选择和掌握自然水到渠成，加深了对所学理论知识的认识，明确了理论知识的实际应用，从而不至感觉学无所用。
三、分析和解释数据能力
在我国的工程教育认证中，第二条毕业要求学生能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论[5]。传统课程设计整个传动方案为教师所指定，分析方法固定，无需学生深入了解，只需按部就班完成画图和分析即可，可见，传统课程设计在第二条毕业能力要求上基本没起到培养作用。改革后的课程设计，从设计任务到设计方案的确定，均需要学生根据具体情况进行分析，然后根据所学知识，自己设计传动方案，并需要通过多方案的比较而得出可行方案。在方案确定后，详细设计传动系统时，需要根据实际任务确定各参数，最后对机构进行分析，并对数据进行误差分析。为了更真实地让学生理解数据的意义和正确性，要求学生对所设计的传动方案进行全部或者部分的搭接实验，通过搭接实物并测量参数，再与理论分析数据进行对比，找出误差存在原因，从而得出相应结论。
四、考核方式的改进
评估学习产出是OBE教育模式中十分重要的环节，如何合理地对各项能力进行客观评价，对课程的改革及持续改进有非常重要的作用，与课程设计所培养能力相对应，《机械原理》课程设计成绩分为四部分：选题成绩、平时成绩、设计成绩及答辩成绩。各部分成绩分值及考核依据如下。选题成绩占总成绩的30%。主要考查设计机械传动系统方案能力。每个团队均需通过PPT形式，结合参考文献查阅或调研情况，对自己团队的设计任务进行说明，根据所定任务设计两到三种机械传动方案，每个方案中必须包含两至三种典型传动机构，并且必须包含四杆以上连杆机构。根据传动方案是否合理、考虑是否周全、有无创新点、是否实用进行综合考核。平时成绩占总成绩的10%，主要依据设计阶段的出勤情况和态度评定，这是设计正常进行的基本保证，也是初步对毕业要求9中个人与团队能力的培养。设计成绩占总成绩的40%，主要评估工程基础理论知识应用能力与分析和解释数据能力，根据所选择分析方法、数据分析的正确性、模型建立、运动仿真、简图绘制等进行评价。答辩成绩占总成绩的20%，各组将集中设计阶段的工作及成果以PPT形式作汇报，主要介绍组员分工及完成情况，组员自评分，搭接视频等，并回答提问，据此评判答辩成绩。通过此类考核方式，对毕业生的能力9（个人与团队）和10（沟通，包括撰写报告和陈述发言、清晰表达或回应指令）也起到初步培养的效果。此外，上述基于OBE工程教育理念的考核方式对教师的教学投入提出很高要求。例如：教师需要投入较多的精力和心血研究繁琐的教学目标分解和教学方法选择，要求其自身具有扎实的专业理论知识、较广博的基础知识面、较强的动手能力及计算机应用能力。对设计中可能出现的各种方案及其特点要有充分认识，能够正确引导学生，使他们经过认真思考和分析比较后，可以选择一个适当的方案。这样才能适应当前实践教学改革和发展的需要，从而有效引导学生积极思考，培养他们的创新能力。
五、结束语
经过近两年的实践，发现根据OBE教学理念改革后的《机械原理》课程设计，为学生机械传动系统设计能力、工程基础理论知识应用能力、分析问题和解决问题的能力以及团队合作和工程实践能力的锻炼和提高提供了很好的平台，并确实取得了较好的效果。然而，OBE工程教学模式是一个系统的工程，无论是在设计内容，还是在设计方法和评估方式上，还有很多需要完善之处，需要进一步的改革和探索，持续改进，以更好地培养学生相应的毕业能力，实现培养与国际接轨的中国工程师的目标。
作者：曾达幸 李飞 侯雨雷 宜亚丽 郑立娟 张芳芳 单位：燕山大学机械工程学院
参考文献：
[1]中国工程教育专业认证委员会.工程教育认证一点通[M].北京：教育科学出版社，2015.
[2]余天佐，刘少雪.从外部评估转向自我改进—美国工程教育专业认证标准EC2000的变革及启示[J].高等工程教育研究，2014，（6）：28-34.
[3]顾佩华，胡文龙，林鹏，等.基于“学习产出”（OBE）的工程教育模式———汕头大学的实践与探索[J].高等工程教育研究，2014，（1）：27-37.
机械原理课程设计的内容主要分为两个阶段:第一阶段为机械系统的运动方案设计，要求学生通过对常用机构的组合或创新设计，实现简单机械系统的功能需求;第二阶段为机构尺度综合，以及对机械系统中指定机构进行运动分析和动态静力分析。目前在机械原理课程设计的教学过程中主要存在问题:
(1)设计题目类型单一，实践过程枯燥。设计任务主要以典型加工设备为对象，拟定机械传动方案，对其主传动机构进行运动分析和动态静力分析，并在此基础上通过限定执行构件的速度波动以确定飞轮的转动惯量，最后设计其中的齿轮机构或凸轮机构。这样的设计题目单一且缺乏新颖性，与学生的实际生活脱节。设计过程的枯燥使得学生无法正确认识课程设计的重要性，设计兴趣不强，参与积极性不高，难以达到实践目的。另外，由于设计题目比较成熟，与之配套的设计手册和指导书等资料较多，其设计思路和模式比较程式化，因而学生不需太多思考，仅仅只是按照指导书的要求翻书查表，按部就班地进行模仿设计，这样的题目不利于学生创新思维和工程实践能力的培养和训练。
(2)设计方法陈旧，实践重点偏移。目前，在机构运动尺寸确定、机构运动分析及力分析等基本知识和基本技能的训练中，学生主要采用图解法或解析法。图解法概念清晰，形象直观，便于学生理解与分析，但设计精度差，效率低，当学生需要分析多个瞬时的运动情况时，需要花费大量时间作图，工作量大。解析法能获得精确的计算结果，学生通过模型建立和程序设计可以分析任意点位置的运动情况。解析法的求解过程要求学生具备较好的数学功底和编程设计能力，但实践证明多数学生欠缺独立完成编程求解的能力，他们不得不把大部分精力放在程序实现上，这样机械原理课程设计就演变成了计算机语言的训练］，偏离了机构综合设计与分析的实践目的。同时，繁琐的程序编写，也会影响学生创新设计的积极性。
(3)设计时间紧张，实践内容缩水。学校目前将机械原理课程设计和机械设计课程设计整合为3周的“机械综合课程设计Ⅰ、Ⅱ”。由于从内容上设置为同一机械系统的不同阶段性设计，因而从时间上两者并没有严格区分开。统计表明历届学生完成机械原理课程设计所需的时间约为1－1．5周，相对而言学时紧张。为了追赶进度，学生避重就轻甚至是掩盖问题。比如在机械系统运动方案设计阶段，学生普遍采用仿型设计和改型设计的方法，照搬相近的设计案例，或是仅改变某些结构和尺寸，更有甚者忽略创新构思的环节设计直接进入常规设计，整个设计过程中，机械系统的方案设计和机构的选型设计等相关内容体现不足乃至缺失，无法锻炼学生的系统设计能力和创新设计能力。
2机械原理课程设计的教学改革与实践
教育部高等学校机械基础课程教学指导分委员机械原理课指组2009年制定了《关于深化机械原理课程实践教学改革的建议》，明确提出了新形势下机械原理课程设计教学改革应关注的重点问题。近年来，学校针对相关内容也开展了一系列的改革，主要集中在设计内容、设计方法及组织管理等方面。
2．1设计内容强调“理实一体”，避免纸上谈兵
考虑到实践教学环节是对前期所学知识综合应用的阶段性检查，机械原理课程设计的内容应尽量包含各种运动形式和传动机构的基本技能训练，同时为了提高学生应用所学知识解决实际问题的能力，在题目的选择上强调了“理实一体”的原则。结合专业方向，突出特色，如包装工程专业选用石蜡叠摞包装机构设计，机制方向选用冲床和插床的传动机构设计，机设方向选用往复式物料运输机构设计，模具方向选用造型机翻箱机构设计等。这样将题目与专业有机结合起来，使设计过程充满现实感，可以有效激发学生设计兴趣，端正其设计态度;借鉴学科竞赛主题，推动学赛融合，学科竞赛的特点在于规定竞赛主题的前提下为学生提供更大的创作空间，更符合工程设计的实际情况。因而在题目选择时，也借鉴了学科竞赛中有关无碳小车、家居机械、环保机械以及康复机械等方面的设计主题，一方面能让更多的学生了解和参与到学科竞赛中，加强其在自主设计方面的锻炼，激发其创造力，另一方面也能发掘和培育优秀的学生和作品，为后续的学科竞赛做准备;贴近实际生产生活，倡导学生自主选题，鼓励学生个人或小组结合学习和生活中遇到的问题，自主拟定课程设计题目，通过发现问题、分析问题和解决问题这一较为系统的实践过程，全面培养学生主动实践能力。
2．2围绕机械系统的运动方案设计和机构综合，注重“虚实结合”的设计方法
对机械类学生而言，当通过机械原理学习了常用机械的工作原理、组成原理和设计原理后，为满足工程实际需要或功能需求，首先面临的是如何构想出一些新的机械系统，或是如何对熟知机构构造出新的集成。因此，机械原理课程设计应注重机械系统的运动方案设计和机构综合，再辅以对主体机构的运动分析和动态静力分析。但是由于设计方法和学时等问题，现有课程设计过程中对运动方案进行优化比较以及对运动学和动力学的变参数分析存在诸多局限性，因而将CAD/CAE技术引入课程设计中，通过“虚实结合”的方式提升学生运动方案设计能力，加强其对机构的分析和综合训练。当经过初步分析拟定传动方案后，要求学生利用UG、Pro/e等软件对传动机构进行三维建模，并借助ADAMS等仿真软件对主体机构进行运动或力分析，学生通过对理论分析结果和仿真分析结果进行比较，检验其传动方案的合理性。接下来学生可以利用实验平台，自己动手对主体机构进行实际搭接并测试主要运动参数，通过分析实际测试结果进一步证明传动方案的正确性，从而辅助机构设计。通过这样的实践过程，学生可以直观地体会设计的各个环节，而CAD/CAE技术的应用也让学生可以及时发现设计过程中的错误和问题，使其可以将更多地精力投入到改良设计和创新设计中去，更有利于学生设计能力和创新能力的培养。
2．3加强课程设计的组织和过程管理，强调互助学习和团队协作
为了克服学时短、任务重的矛盾，在理论课程开始阶段，就将课程设计任务书在课程网站上，使学生有充分时间熟悉设计题目，思考设计内容。同时在授课过程中，将设计内容与知识点讲解结合起来，既用实例引导加强了学生对基础知识的学习，又能让学生提前开展方案的构思。考虑到学生学习能力存在差异，在设计过程中不能一味强调独立完成，应引导学生互助学习，强调团队合作。要求学生以小组的形式选定设计题目，然后根据学生的学习能力和兴趣特点将设计内容任务化。在设计过程中，指导老师把控该小组的总体任务框架，负责解决团队所遇到的共性问题，具体任务则由学生通过交流讨论，利用合作与他人共同完成。而设计结束时，小组须采取答辩的形式来汇报其设计成果，老师则通过面对面的问答来检验学生的设计能力，了解学生对课程设计中相关问题的掌握程度。最后在成绩评定环节，老师根据小组的任务难度、设计结果和水平给定该团队成绩范围，然后各小组根据组员的工作量大小、团队参与程度等进行自评，两者相结合客观地评定每个学生的课程设计成绩。
3结论
