发布时间：2023-03-25 10:48:31
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的机械创新设计论文样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
相比美日等发达国家来说，我国机械工程设计还停留在常规设计的层面，仍未完全摆脱原有的理论和技术体系，机械工程设计的创新思维方法还处在研究之中，需要不但探索。机械创造思维有自身特征，主要来说，有以下几点：第一，开放性，传统的思维方式是相对封闭的，它只局限于自己的狭小范围；而创新思维方式要求将认识对象作为开放对象来考究，多角度认识对象，畅通信息，焕发思维优势。第二，独创性，这指的是创新思维方法要突破常规思维惯例，以新模式新方法去思考对象，敢于向陈规陋习挑战，从新角度思考机械设计。第三，多向性，这指的是机械工程设计要善于从多角度思考问题，对同一问题尽可能探寻多种解决方法。第四，自由性，这指的是现代机械以现代智能为依托，人工智能部分替代人类机械劳动，给思维解放和独立创造了前提，科学思维在遵循真理发展的基础上可以自由思考和自由探索，调动人类的主观能动性，获得机械工程设计创新成果。
2创新思维在机械工程设计中的运用
2.1在机械产品运动方案设计中的运用
机械产品运动方案设计是机械工程设计的重要内容，创新思维在产品运动方案设计中运用指的是设计人员对客户提出的产品各方面需求而提出的初步构思，这是要解决机械工程可能出现的问题和明确机械工程的工作原理。无论是机械产品的原动机、传动结构还是机械的整个系统运转方法，必须满足用户的产品功能性需求。运动方案是否符合客户需求与产品的结构、工艺、成本、性能和使用维护等多方面存在直接关系，这也是影响机械产品质量和性能的关键环节。机械产品运动方案在机械工程设计中处于基础阶段，对于同一功能产品可以采用不同的工作原理和机构来完成。该阶段是机械工程设计的重中之重，设计人员必须充分运用创新思维不断构架和搜寻设计运动方案，首先产品的最优性能。
2.2在机械产品结构设计中应用
机械产品结构设计也是机械工程设计的重要内容，其包括产品的外形、各部分的配置及其总体结构。客户对机械产品的功能需求不同决定了产品结构设计的差异。机械产品结构设计的基本要求是保证产品结构形态多样化，运用创造性思维进行产品结构设计，能够更好地满足人们对产品功能要求的增加趋势。这样的现实需求要求设计人员在机械产品有限的空间内尽可能将产品功能集中于更少的产品。传统办公场所中打印机、复印机、扫描仪功能都是单一的，大量占用了办公室空间，这使得以佳能公司为代表的企业运用创新思维尽可能将打印、复印和扫描功能集于一体，这其中该公司设计部门采用了“离散及综合”创新思维方法，改善了办公条件，提高人们的工作效率。
2.3在机械产品外观造型设计中应用
机械产品外观造型设计中的创新思维主要体现在产品外形、色彩、面饰等外观方面，一般运用现代美学基本原理来构造机械产品的美感和适用性。机械产品外观造型设计采用创新思维将美学观点融入进去，利用现代材料和工艺充分体现产品的线条美、色彩美和造型完美，给人身心以美的享受。
2.4在机械产品动力能源设计中应用
随着机械工程设计的材料加工技术和能源获取技术不断被发现，机械工程设计人员在产品动力系统设计上的选择也不断增加，设计人员可以充分发挥自己的创造性思维、观念和方法，将各种新的洁能源作为机械产品的动力能源运用到机械产品设计中。现代的电动汽车与传统的燃油汽车相比，其本身就不会排放出污染大气的有害气体，同时也减少了硫和其他微粒污染物，降低对环境的污染。电动汽车可以在用电低峰期充电，提高电能的利用率和经济效益。
3结语
关键词：创新型人才 机械原理 教学改革
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（b）-0180-03
Reform and Practice of the Mechanical Principle Course Based on the Innovative Talent Training
Wang Min Luo Xiaolin
（College of Mechanical Engineering， Guangdong Polytechnic Normal University， Guangzhou Guangdong ， 510665， China）
Abstract： As a backbone professional basic course of machinery majors，the mechanical principle course has a pivotal position in training students’engineering practice and innovation ability.With science innovation center and off-campus practice teaching base as linkages， the teaching reform and practice of the mechanical principle course were promoted and the students’ project practice ability and innovation ability were cultivated through restructuring the teaching content， optimizing the teaching means， constructing piecewise practice teaching and strengthening the construction of innovative teachers.
Key Words： Innovative talents； Mechanical principle； Educational reform
《机械原理》作为机械类及近机械类专业的一门主干专业基础课，承担着培养学生机械系统整体运动方案设计的重要任务，在培养大学生工程实践及创新能力方面具有其他课程所无法比拟的优势。但该课程内容缺乏关联性、系统性，学生无法从整体上顺利完成系统的运动方案设计，也无法从机械产品综合设计的角度理解该课程所述知识的真正用处。并且由于课时压缩及学生整体素质的下滑，使得学生普遍反映该课程内容枯燥难懂，机构运动费解难明，于是产生了严重的厌学、畏难情绪，期末考试不及格率大，学生的创新意识、创新能力培养更无从谈起。
多年来，研究人员结合机械原理课程理论教学和实践教学两大模块，通过合理整合教学内容，优化理论教学；改进教学方式、方法；改进作业方式；构建分段实践教学模式；鼓励、支持学生参加科研活动及各种科技竞赛；强化创新型教师培养等方面的改革，以期激发学生学习兴趣，提高学生自主学习能力。近年来初见成效，学生学习主动性提高，不及格率明显降低，学生在各级各类有关机械创新的大赛中也获得了较好成绩。
1 重组教学内容，优化理论教学
为培养学生的分析能力、综合能力及创新设计能力，研究人员将《机械原理》课程按照“机构分析”“机构设计”和“综合设计”的模块进行划分，如图1所示[1]。机构分析模块主要内容包括：机构的结构分析、平面机构的运动分析、平面机构的力分析、机械的效率与自锁、机械的平衡、机械的运转及其速度波动的调节等，通过该模块的学习提高学生分析问题的能力。机构设计模块主要内容包括：平面连杆机构及其设计、凸轮机构及其设计、齿轮机构及其设计、齿轮系及其设计、其他常用机构、工业机器人机构及其设计等。综合设计模块主要内容为机械系统的方案设计[2]。学生通过对机构设计及综合设计模块的学习，在结合自身实践经验与理论知识的基础上，实现机械系统的设计，从而培养了学生的创新思维及综合设计能力。
2 改革教学方式、方法，优化教学手段
近年来，由于专业基础课学时受到不同程度的核酰所以在有限的课堂教学时间内，教师基本需“满堂灌”才能完成教学计划，学生完全是被动地接受。这种单一的灌输式填鸭式教学方式，严重束缚了学生的创新意识。为改进这种现状，机械原理课堂教学过程中加强启发式、讨论式及案例式等先进教学方式的应用[3]，并借助现代信息技术，采用“多媒体课件+黑板+教具”三位一体的教学手段，强化大学生进行自主学习和自我教育的能力，培养学生的创新意识及创新能力。
课堂讲授过程中，采用“多媒体课件+教具+黑板”三位一体的教学手段，充分发挥各自优势，提高教学质量。首先，采用多媒体教学不仅能节省板书时间，而且可根据教材内容，将文字、图片、声音、动画等结合起来，使教学更形象、生动，激活课堂气氛，提高学习效果。特别是机构的运动等一些难以用语言来描述的教学内容，采用多媒体教学具有突出的优势。其次，将一些机构的实物模型和教学用具带入课程辅助教学，使原本枯燥、抽象的教学难点变得形象生动。比如在讲授齿轮时，将齿轮模型带入课堂，针对实物进行讲解，学生更容易接受[4]。最后，教学过程中，授课教师也要注意板书教学的合理运用。讲解课程习题的具体运算过程时，使用板书教学效果更好。比如用矢量方程图解法求解机构的速度和加速度时，采用板书教学，虽然耗时，但教学效果好。
3 构建分段实践教学模式
构建以培养学生的工程实践和创新能力为目标的分段实践教学体系[5]，主要包括实验教学、课程设计和科技创新三部分[6]，如图2所示。实验教学除包括“机构运动简图测绘”“齿轮参数测定”等一些验证性实验外，增设开放性实验室，学生可利用课余时间在实验室进行机械创新设计；课程设计中鼓励学生采用计算机进行辅助设计及三维建模、分析、优化，并动手制作实物样机模型，以提高他们的综合分析能力及实践能力；以机械创新大赛和工程训练综合能力竞赛为契机，积极鼓励学生参加各级各类竞赛，激发他们的学习积极性、主动性和创造性。
（1）增设开放式实验，构筑学生创新实践平台。
把示范性、验证性的实验，变为设计型、综合型的实验，并实行开放式教学，为学生进行科技制作提供必要的工作条件[7]。在W院现有大学生科创中心的示范作用下，争取创建机械创新设计实验室，组建机械创新小组、机械设计小组等。
（2）改革课程设计，鼓励学生创新。
对“机械原理”课程设计的题目、内容及考核方法进行改革，探索基于项目形式的课程设计教学模式[8]。课程设计过程中，以学生为主，教师只做适当的引导；课程设计成果也不再局限于设计说明书和图纸，鼓励学生采用计算机软件（比如Pro/E、3Dmax、UG等三维设计软件）设计自己所提出的方案，绘制虚拟的三维造型，并通过软件对方案进行模拟仿真。
（3）以机械创新大赛为契机，强化学生创新能力。
积极鼓励并组织学生参与各种机械创新大赛，如国家机械创新大赛、省机械创新大赛、校机械创新大赛，使学生在竞赛中锻炼交流，有意识地更新和夯实基础知识，培养学生的自主意识和创新能力。同时，学院也制定了相关政策，鼓励学生参与到教师的科研项目中，学习教师在科学研究过程中的经验与成果，以强化学生的工程意识和工程素质，并通过帮助教师解决实际问题，锻炼学生的工程能力和创新能力。实践证明，让学生参与各项科技创新竞赛是培养学生创新能力的最有效途径。机电学院的学生在近几年的国家级、省级机械创新设计大赛中均获得较好的成绩：第四届“机械创新”比赛全国总决赛二等奖；第五届“机械创新”比赛广东省赛二等奖3项；第六届“机械创新”比赛广东省赛二等奖3项。
4 加强基础作业，增加课程小论文
机械原理教学过程中除完成常规习题作业外，适当布置几篇小论文。例如：在讲授机械原理绪论部分涉及到机械发展的历史，虽然这不是机械原理课程的核心内容，但了解机械发展的历史对学生进一步学习相关课程是有帮助的，故该部分内容可布置相应的课程论文。让学生完成课程小论文，一方面可培养学生撰写科技论文的能力，另一方面又能够使学生从被动学习转化为主动学习，学生在进行相关资料检索、整理、分析的过程中，既加深了对机械原理课程的了解，又能从中体会到机械原理课程的奥妙与乐趣，从而激发学生学习的兴趣。
5 加强创新型师资建设，促进创新型人才培养
俗话说“严师出高徒”，所以，创新型人才的培养关键在教师，只有建立一支创新型指导教师队伍，才能培养出合格的创新人才。本着“请进来，走出去”的原则，建立专任教师和兼职教师相结合的高水平师资队伍。一方面聘请企事业单位具有丰富经验的工程技术人员出任兼职教师，开设专题讲座，讲授专业概论、学科前沿，指导学生实践实习、课程设计和毕业设计等教学环节。另一方面，更为重要的是制定相关激励政策，鼓励教师主持参与教研和科学项目研究，组织教师到企事业单位或科研院所学习、培训、工程现场实践等，以提高教师自身的工程实践能力和创新思维能力。教师在教科研中形成的新思想、新方法，及创造的新成果会潜移默化地渗透给学生，进而激发起学生们的创新精神和创新欲望。只有教师的教学能力和创造性思维能力活跃起来，才能保证创新教育的顺利开展，促进创新型人才的培养。
6 结语
《机械原理》课程在培养学生机械综合设计能力、创新能力和解决实际问题的动手能力中占有十分重要的地位。采用“多媒体课件+教具+黑板”三位一体的教学手段，保证教学效果。以机电学院大学生科技创新中心为纽带，鼓励学生参加各级各类大学生科技创新竞赛；鼓励学生参与教师的教学和科研项目，以多元化的实践模式促进学生工程实践能力和创新能力的培养。以校外大学生实践教学基地为依托，加强创新型师资建设，开展创新性教育，提高学生运用现代科学技术解决工程实际问题的能力和实践动手能力，促进创新型人才培养。
参考文献
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根据国家机械设计制造及其自动化专业毕业培养标准中对毕业能力要求之4“具有设计机械系统、部件的能力”要求，整合现有教学内容，形成了基础知识递增和设计能力递进的机械设计类课程教学环节结构。其中先修课程包括数学类、工程力学、机械制图、公差与技术测量等基础课和专业基础课。为达到“具有设计机械系统、部件的能力”的毕业要求，设计了课程教学及课内实验、基础设计能力培养、创新设计能力培养三个能力递进培养环节。
2机械设计类课程教学及课内实验
课程教学及课内实验教学环节分为机械原理和机械设计两个部分，每部分。含课内实验，课程内容及培养目标如下：机械原理课程是一门培养学生机械机构运动设计与分析的技术基础课，主要研究机构的结构分析、运动分析和动力分析，常用机构设计的基本理论和方法，机械系统传动方案的规划与设计，其主要任务是培养学生：第一，理论联系实际的学风，设计实践能力和创新精神。第二，掌握机构运动方案设计的能力。第三，具有机械系统运动简图的绘制，计算机辅助机构分析和设计的能力。机械原理实验教学是机械原理课程教学中的实践环节。在实验中通过安排部分课程基本理论的验证性实验，使学生进一步加深对课堂教学内容的理解。通过增设一些综合性、设计性实验，培养学生基本知识、基础理论与实际项目需求的理论知识应用能力，同时培养学生创新意识和能力。通过设立较多的选修实验，促进学生的个性发展。机械设计课程是一门培养学生机械设计能力的技术基础课，在教学内容方面着重掌握机械设计的基本知识、基本理论、基本方法和创新思维，通过对本课程的学习，使学生掌握常用机构和机器中各种通用零件的基本理论和基本知识，初步具有机械结构方面的分析、设计能力，同时注意培养学生正确的设计思想和严谨的工作作风。机械设计实验教学通过设立部分验证性实验，使学生进一步加深理解课堂教学的内容；通过设立一些综合性、设计性实验，培养学生理论联系实际的能力及机械结构设计的创新意识和创新能力；通过强调学生参与实验的全过程，培养学生的动手操作能力；通过设立较多的选做实验，满足学生的求知欲，促进学生的个性发展。
3基础设计能力培养
机械设计课程设计是机械设计基础类课程的重要实践性环节，通过对机械传动装置和简单机械的设计，使学生综合运用机械设计课程和其他先修课程的理论和实际知识，熟悉机械设计的一般规律，掌握机械通用零部件及简单机械的设计理论及设计方法。培养学生理论联系实际的正确设计思想，树立工程意识，培养独立分析和解决工程实际问题的能力，为毕业设计和以后从事工程设计工作打下良好的基础。课程的教学目的：第一，学习机械设计的一般方法、步骤，掌握机械设计的一般规律。第二，学会从机器的功能要求出发，合理选择传动机构的类型，制定传动设计方案，正确计算零件的工作能力，确定它的结构、形状、尺寸及材料，并考虑制造工艺、使用、维护、经济和安全等问题，培养机械设计能力。第三，进行机械设计基本技能训练，例如计算、绘图，运用标准、规范、手册、图册和设计资料，以及使用经验数据和处理数据等。第四，通过编写设计说明书，提高学生文字表达能力，掌握撰写技术文件的有关要求；培养学生运用计算机撰写论文的能力。第五，训练学生用CAD绘图的能力。机械综合课程设计是形成机械装备设计能力的重要实践性教学环节。内容以车床或铣床的主传动系统设计为主线，以所学过的机械制造装备的基础知识为支撑，完成主传动系统设计、操纵装置布置、工程分析计算等环节的训练。其目的是在相关先修课程学习后，进行机械结构设计综合训练，使学生掌握机械系统分析和设计的基本步骤和方法，培养和锻炼学生综合运用所学知识解决实际工程问题的能力。
4创新设计能力培养
学生创新设计能力培养包括机械产品创新设计与仿真和机械创新设计与制作两个环节：机械产品创新设计与仿真是学生以项目组的形式自主开展的为期一年的研发与制作项目，在学院的统一命题下完成一项任务。提高学生自主学习、问题求解、团队协作、项目管理、综合创新等方面的能力和素质。机械创新设计与制作是结合学生已有的知识储备，充分发挥学生的创新设计思维，通过机构综合模拟现实自然界生物的动作行为，并辅以相应的控制系统达到机构的协调运动。在教师的启发和指导下，学生以组为单位自主地进行相关内容科技文献检索、方案设计、虚拟仿真、绘制加工图纸、撰写设计说明书并进行答辩，通过工程实践培养学生灵活运用所学机械设计知识的能力。
5结论
关键词 工程训练；教学体系；训练模块；工程能力
中图分类号 G420 文献标识码 A 文章编号 1008-3219（2013）20-0032-03
工程训练是高校理工科学生工程实践能力与创新素质培养不可或缺的重要环节，许多高校不仅设置了工程训练课程，而且为了确保教学质量，建设高质量工程训练中心，开展工程训练模式研究。浙江工商大学十分重视理工科学生工程能力的培养，从2007级开始，食品科学与工程、生物工程等专业在已有《金工实习》课程的基础上，增设1学分《工程训练》课程（必修）。工程训练是以培养学生工程实践能力和工程创新素质为目标、以适应现代社会工程技术发展需求而安排的实践教学环节。构建工程训练课程教学体系，既无成熟经验可借鉴，也缺少系统的理论指导，只能在实践中摸索创新。
一、工程训练课程教学体系的构建原则
（一）适应专业特点与培养目标要求
每个专业都有培养计划，不同专业培养目标存在差异。因此，必须区分理工科专业类型，构建与此相适应的工程训练体系。
按专业特点，理工科专业类型可以划分为机械类、电气类和非机非电应用型工程类。其中，机械类专业毕业生主要从事各种机械设备的设计制造工作，其工程训练课程是以数控加工训练为主体[1]；电气类专业毕业生主要从事各种电气设备的设计制造工作，其工程训练课程主要内容是电工电气实训[2]，安排电子、电工、过程控制、机电一体化等实训项目。目前一些高校的工程训练体系还不尽合理，偏向性明显，导致机械类专业学生没有电气、自动化方面的应用技能，电气类专业学生不懂得机械设备方面知识。这会造成学生部分能力缺失，限制学生今后发展。
非机非电应用型工程类专业较多，如食品科学与工程等专业，毕业生虽然不在机电设备设计和制造岗位就业，但他们也需要具备一定的机电、自动化方面的基础知识和基本技能，如机电基础知识和仪器设备的使用维护技能，以胜任技术开发、应用研究、测试分析等工作。因此，该类专业的工程训练，应安排机电、自动化等方面的技能训练。目前部分高校走折中路线，按机械、电气等模块[3][4] 构建课程体系。
（二）满足学生各阶段能力培养需求
学生从入学到毕业，工程实践能力与素质的培养应贯穿始终，根据不同学习阶段安排相应的训练内容，使其获得不同层次的工程能力。工程训练可以分为工程基础训练与工程专业训练两个阶段。低年级阶段适合安排工程基础训练，尽管他们不熟悉或不具备专业知识与技能，但通过公共基础或专业基础课程的学习，可获得一些工程基本知识，如果再安排相应的基本技能训练，既能巩固所学知识，深化工程观念，又可以为高年级阶段的学习储备工程知识和技能，有利于专业课程学习和专业能力的培养，所以应单独设课进行全方位训练。高年级阶段可以安排工程专业训练，通过专业课程、专业实验、毕业实习、毕业设计（论文）、社会实践、科技活动等环节使学生获得综合锻炼，一般不需要单独开设实训课程，部分训练内容可安排课余时间、节假日进行。
（三）突出工程实践动手能力的培养
在构建工程训练体系时，训练项目的选择首先应考虑其能多大程度上提高学生实践能力，尽量安排一些能明显提高学生工程实践动手能力的训练项目；在训练项目实施上，应精心制定训练项目教学大纲和具体实施计划，探索如何改进项目以增加能力培养的机会，最大限度发挥训练项目的作用。
（四）贯穿工程创新理念
工科大学生普遍缺乏创新观念、创新兴趣、创新毅力和创新性思维能力、创新洞察能力，但他们大都具有创新潜能，只要采取适当的方式方法，其创新能力就可以大幅度提高。工程训练课程应成为激发学生创新潜能的主渠道。为此，要将工程创新理念贯穿于工程训练体系中，在设计训练项目时，有意识地让学生参与一些创意性、设计性、综合性训练。
二、工程训练课程教学体系的主要内容
为全面培养学生能力，机械类专业的工程训练体系应以先进机械加工训练为主体，适当增加一些电气、自动化方面的工程训练；电气类专业的工程训练体系，除电气类训练外，增加机械加工方面的训练。
非机非电应用型工程类专业可以构建以机械、电气、自动化训练为主体、多个训练模块集成的工程训练体系，包括传统机械加工训练、先进机械加工训练、手工制作拆装训练、电气与自动化训练、工程仿真模拟训练、工程创新设计训练、工程创新综合训练和工程专业训练等，学校可根据实际情况进行训练模块的增删调整。
传统机械加工训练模块。教学要求：了解传统机械加工手段，完成规定零件加工。可在金工实习课程中完成。教学内容：现场训练（钳工训练、车工训练、刨工训练、焊接训练）、观摩训练（铣磨训练、铸锻训练）。
先进机械加工训练模块。教学要求：了解先进加工理念，熟悉数控加工编程指令，掌握数控加工的基本操作。教学内容：数控车削加工训练、数控铣削加工训练、其他先进加工训练。
手工制作拆装训练模块。教学要求：熟悉手工制作、手工拆装过程，掌握工具、设备的使用，进一步提高实践动手能力。教学内容：利用简单设备与工具进行制作、拆装模型、认识结构等训练。
电气与自动化训练模块。教学要求：掌握用电基本常识、电工电子基本操作和自动化装置基本使用方法。教学内容：安排电路安装、连接、焊接训练、自动控制、光机电一体化训练。
工程仿真模拟训练模块。教学要求：掌握仿真软件的使用。教学内容：通过电脑仿真软件进行工程实验、设计与制造。
工程创新设计训练模块。教学要求：了解工程创新设计方法，熟悉食品工厂、化工厂的工程设计过程。教学内容：安排创新设计类训练项目。
工程创新综合训练模块。教学要求：通过训练培养创新能力和综合能力。教学内容：安排创意性、创新性、综合性训练项目。
工程专业训练。教学要求： 通过训练培养工程专业能力与素质。安排在高年级进行。教学内容：安排专业实验、专业训练、专业实习、毕业设计（论文）、社会实践、科研锻炼等教学环节。
三、工程训练课程教学体系的实施
（一）积极开发工程训练项目
优质训练项目的开发是工程训练课程教学的基础。根据训练模块集成的要求，开发数控车削加工操作、数控铣加工操作、飞机模型制作、空竹制作、工业管道设备拆装、电工基本技能综合、电子基本技能综合、光机电一体化生产线调试、离心泵性能曲线测定仿真、板式塔设计仿真、吸收仿真实验、流体仿真实验、数控车削加工仿真、数控铣削加工仿真、工程创新设计、机械运动创新设计与机构拼装、创意性手工小制作、换热器模拟创新等训练项目。
在训练项目的具体设计上，除了让学生得到较多的实践机会外，还强调创新性和综合性，将工程创新理念灌输给学生，在训练中要求学生有所创新。比如，数控铣加工操作训练，要求学生除完成教师指定零件加工外，还要自行设计一个创意零件，绘制CAD加工图，编制数控加工程序，最后完成创意件的数控加工。再如机械运动创新设计与机构拼装训练，学生除要完成给定机构的拼装外，还要根据机构组成原理，自行创新设计传动机构，完成机构拼装，实现预期的机构运动。
（二）精心编制工程训练教学文件
规范完善的教学文件是进行工程训练课程教学的依据。在多方调研的基础上，先后编制工程训练课程教学大纲、各训练模块教学大纲、各工程训练项目训练指导书和详细授课计划，建设工程训练选课与管理的网站。
（三）改善工程训练教学条件
完备的工程训练硬件设施是进行工程训练课程教学的保证。为保证教学质量，学校多渠道争取建设资金，购置训练设备。
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Construction and Implementation of the Teaching System for Engineering Training Course in Higher Polytechnic College
HE Yang-chun
（College of Food Science and Biotechnology Engineering， Zhejiang Business University， Hangzhou Zhejiang 310035， China）
关键词：机械制造装备设计；多元化；课程教学；创新能力
一、机械制造装备设计传统课程教学现状及存在的主要问题
机械制造装备设计是一门知识面广、综合性、实践性很强的专业主干课，它将机床设计、夹具设计、工业自动化、工业机器人等内容合为一门课程，构成新的课程体系[1]。随着装备制造业的迅猛发展，机械制造装备设计传统课程教学越来越不能满足创新人才培养的需要，存在的主要问题如下：
1.传统的课程教学内容泛而不精，不能紧跟时代步伐，缺少新装备、新技术和新材料方面的知识，不利于学生创新研究能力的培养。
2.传统的教学模式相对单一或不足，主要仍然是以教师的填鸭式灌输为主，学生被动接受。由于一部分教师自身实践能力较弱，理论教学的效果很差，学生学习兴趣不高。
3.传统的课程教学中对实践环节的重视不够，学生缺少亲自动手实践的训练，导致学生缺乏实践经验和动手能力弱。这又反过来影响了学生对课程内容的理解和掌握。
4.传统的课程教学考核方法相对简单，一般将平时考勤、作业和期末考试成绩作为评价学生学习效果的标准。这种考核方法不能有效地激励学生努力提高机械制造装备设计的能力，学生只会在考前突击背概念，无助于学生创新能力的培养。
基于上述问题，我院机械教研室全体老师总结多年的任教经验，贯彻以人为本的教育理念，将各种日益涌现的教学方法进行优化组合，形成了一套机械制造装备设计多元化课程教学模式，以弥补传统课程教学模式的不足，从多角度多方位激发学生学习兴趣和潜能[2]。
二、机械制造装备设计多元化课程教学模式
以培养学生的创新能力为目标，通过增加专业特色内容和学科前沿知识，优化课程教学的内容；通过应用多种现代化教学方法和增加综合实践环节，优化课程教学方法；通过引入多种评价体系，完善课程考核模式，从而变单一的传统课程教学模式为多元化课程教学模式，具体执行方案分为以下几个方面：
（一）制定多层次的课程教学内容
1.重视理论基础知识
理论基础知识不会因新装备、新技术的产生而过时，坚实的理论基础是我们一切工业生产活动的最根本的条件，因而是我们学习的重点。例如在讲授机床设计时，金属切削机床设计的基本理论，如机床的工作原理、几何表面的形成原理和机床的成形运动等，是我们学习的重点。在讲授夹具设计时，机床夹具的六点定位原理，完全定位、不完全定位、过定位和欠定位等基本概念是我们讲课的重点。
2.增加专业特色内容
我院于2011年购买慧鱼模型，建立了机器人创意实验室。根据我院的实际情况，在工业机器人设计模块，增加了慧鱼模型教具内容的学习，主要讲述如何利用慧鱼模型进行机器人的制作和控制。慧鱼模型是由德国发明家Arthur Fischer 博士在1964 年从其专利“六面拼接体”的基础上发明的[3]。慧鱼模型采用模块化设计，可无限扩充，可反复拆装，可逼真表现机械系统的构成和控制的过程及其控制的原理，便于对机器人原理、组成、控制的全面认识。
3.加强学科前沿知识
机械制造装备的知识日新月异，学生毕业以后会碰到非常先进的机械制造装备，为了紧跟时代步伐，加强学科前沿知识变得非常重要。通过请工厂一线的工程技术人员开设讲座和组建学习小组，与我院老师一起申报学生科研立项等方式，了解最新的机械制造装备动态，主动参与学科科研研究，激发学生学习的兴趣和主动性，培养学生的创新能力。
（二）开展多元化的课程教学模式
课程教学由理论教学环节和实践教学环节组成。传统的机械制造装备设计课程教学，在理论教学环节上，以教师的“填鸭式”教学为主，而且授课内容重点不突出；在实践教学环节上，认识上轻视实践教学环节，主要以一些验证性实验为主。针对这种情况，我院实施多元化课程教学模式有：
1.启发式理论教学模式
机械制造装备设计的教学内容非常多，如果照本宣科地讲，不仅老师和学生很累，而且授课的效果很差。如果换一种讲课的方式，采用启发式教学，引导学生独立思考，通过课堂讨论，师生互动等方式，传授解决实际工程问题的思维方式，提高学生自主学习的能力，有利用创造性思维的培养。例如在机床夹具设计模块，讨论过定位这种方式是否合理时，可以提出我们日常生活中使用的八仙桌为什么常采用四条腿？学生互相讨论的结果，可能认为八仙桌用四条腿比较稳。这时可以进一步问这是一种什么定位方式？过定位！通过启发式教学，同学们对于过定位的优点有了很直观的认识：过定位可以提高稳定性。
2.课程网站式理论教学模式
机械制造装备设计的教学内容非常丰富，为了调动学生课外学习的积极性，我们在学校校园网的天空教室处，建立了机械制造装备设计的课程网站。课程网站上不仅包含老师上课的PPT电子教案、动画、视频等，还有大量扩充的资料，比如典型机床传动系统与结构动态演示flas、加工中心刀库及换刀动作等视频资料、组合机床夹具方案图库、慧鱼模型作品展示，学生科技作品图片及PPT等。课程网站还进行网上作业布置与批改，远程作业辅导与讨论，并设有习题库，方便学生自我学习与提高。课程网站式理论教学模式有效缓解了目前教学内容多，而课时相对不足的矛盾，促进了学生对机械制造装备课程内容广度和深度的拓展。
3.双语教学式理论教学模式
双语教学既可以让学生掌握扎实的专业知识，又较好地提高专业英文阅读和写作能力[4]。目前我们学校与英国南威尔士大学合作办学，办有机械设计制造及其自动化专业3+1国际班，前3年在我校学校，最后1年在南威尔士大学学习。为了适应新的发展需要，开展双语教学变得非常迫切。目前，对国际班学生，我们制作了双语教学的多媒体课件进行理论教学；请南威尔士大学的教授和我院英文水平高的教授做学科前沿的专题英文报告；要求学生完成了一个全英文的报告，自选题目，任选一个本课程教学模块内容相关的题目，并要求学生针对自己的论一个PPT，在课堂进行陈述。双语教学开拓了学生的视野，提高了学生的英文阅读写作能力和口语表达能力，为学生以后的发展奠定了很好的基础。
4.综合创新型实践教学模式
我院结合工业机器人设计教学的要求与慧鱼模型的特点，组建了慧鱼模型综合创新实践平台，增加综合创新实践项目，为学生提供广阔的思维空间，提高动手能力，激发学生学习兴趣、提高学生学习积极性，培养学生的创新能力。慧鱼模型综合创新实践平台包括机械构件、电气构件、气动构件、传感器、电脑控制器和配套计算机应用软件。以全国大学生机械创新设计大赛主题为创新设计的选题方向，学生自己利用慧鱼模型综合创新平台，搭建自己的机器人来完成创新设计大赛主题说要求的功能。通过使用慧鱼模型综合创新平台，学生不仅更好地理解和掌握了课堂知识，而且应用所学知识解决实际问题的能力大大增强，提高了学生的综合创新思维能力，也提升了机械制造装备设计实践教学的质量。
5.基于项目驱动的科研创新型实践教学模式
项目驱动教学法来源于构建主义学习理论，是实施探究式教学模式的一种教学方法[5]。基于项目驱动的科研创新型实践教学模式是以科研项目为载体，培养学生的创新实践能力。这一教学模式尤其适合对科研有兴趣的同学。在实践教学过程中，按照自愿和优势互补的原则，将有科研兴趣的同学每3-4人组成一个科研小组，每个小组通过自己查询资料，提出所要研究项目的题目，教师负责判断这个题目是否具有研究的可行性和必要性。教师把每个小组比较可行的题目，报学校的学生科技立项。有了一定的经费支持，以项目为载体，在指导老师的帮助下，充分激发学生的学习热情和兴趣，充分培养了学生的创造力、独立分析和解决问题的能力以及小组组员间的团队合作能力。
（三）多元化的课程教学考核手段
多元化的机械制造装备设计课程教学考核手段，有利于调动学生学习的兴趣和积极性，有利于提高学生自我学习的意识和能力，有利于学生个性的培养和发展，从而提高了学生的创新意识和创新能力，结合我院课程教学情况，对课程教学考核分为五大类：
1.日常课堂教学考核
日常课堂教学考核从上课出勤、课堂问题回答，课堂讨论，课后作业等方面进行综合评定，按百分制给出分数。日常课堂教学考核，重点考查学生上课的纪律性、讨论的积极性和创造性、学习的认真程度等。
2.英文论文大作业考核
英文论文大作业考核是双语教学效果的考核，主要从英文论文内容的深度和广度、英文写作是否有语法问题、课堂陈述等方面进行综合评定，按百分制给出分数。英文论文大作业考核，重点考查学生英文检索的能力，英文写作的能力和英语的口语表达能力等。
3.综合创新型实践考核
综合创新型实践考核从实践题目的拟定、实践操作、实践总结、实践报告等方面进行综合评定，按百分制给出分数。综合创新型实践考核，重点考查学生的创新思维和创新能力，实践动手能力等。
4.科研创新型实践考核
科研创新型实践考核只针对部分有科研兴趣的同学，因而考核成绩作为平时成绩的加分因素。科研创新型实践考核从实践题目的创新性和先进性、实践装置、方法的合理性、实践结果的实用性，论文的规范性等综合评定。对于科研创新性实践考核中表现突出的同学，可推荐参加各类竞赛，在学校奖学金评定中得到加分，甚至直接参与教师的科研项目。
5.期末考试考核
机械制造装备设计作为一门核心专业课，期末考试是非常重要的一个考核方式。期末考试考题包括理论基础知识题、综合实践分析题和考查学生创新能力的一些开放式、探究式的题目。通过加大对实践环节在期末考试考核中所占的比例，提高学生对实践环节的重视程度，提高理论知识应用于实践的能力。
三、结语
机械制造装备设计多元化课程教学模式是一种新的课程教学模式。这种模式通过利用课堂启发式教学、课程网站教学，双语教学、综合创新型实践教学和基于项目驱动的科研创新型实践教学，整合了多种教学要素，解决了传统课程教学模式中存在的问题。这种模式通过建立多元化的课程教学考核手段，大大激发了学生学习的积极性和主动性，提高了学生分析问题和解决问题的能力，促进了学生创新意识和创新能力的发展。通过教学与科研的结合，重视学生科研素质的培养，提高了学生的综合能力。
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应用型本科教育是以培养知识、能力和素质全面协调发展，具有较强的实践能力和创新精神，面向生产、建设、管理等一线的高级应用型人才为目标定位的高等教育[1]。发展应用型本科教育，既是我国经济社会发展的要求，也对高等教育大众化进程起到了积极的促进作用。我校依据应用型的办学定位和区域经济的发展需求，以“大应用观、大工程观”为引领确立了应用型专业人才培养目标，构建了新的人才培养方案。《机械制造技术基础》课程是机械类各专业一门重要的专业基础课程，课题组根据学校教学改革精神及机械类专业应用型人才的培养目标要求，对课程在理论教学与生产实际相结合、课程知识与实践创新相融合、教学改革与资源建设相结合等方面进行了研究与实践探索，取得了显著的效果。
一、将理论教学与生产实际相结合
应用型本科教育的课程体系具有其特点，它不是建立在学科体系上而是以技术体系为依据的课程内容体系[2]。在“厚基础、重实践、能创新、高素质”目标指导下，强调理论的应用性与技术的先进性。该课程的教学内容与制造企业的生产实际密切相关，它主要介绍机械产品的生产过程及生产活动的组织、机械加工方法、机械加工过程及其系统。为了满足机械类应用型人才的培养目标要求，教学内容体系以实际工程为背景，以机械制造工艺过程为主线，从机床、刀具到夹具设计、工艺制订、加工装配，均要符合企业技术体系和实际流程。教学内容强调基本理论、基础知识与工程应用的有机结合，根据徐州的地缘优势，引入了工程机械零件如油缸、壳体等零件的加工工艺，并注重经典知识与新技术相结合，保证了教学内容的先进性。
面向应用型工程人才的培养，专业理论以“够用”为度，强化案例教学，突出实用性。对课堂活动应精心设计和组织，课程各章节以案例导入、问题导向，充分激发学生的学习兴趣。讲授中采用置疑讨论、交流互动等启发式教学方法，引导学生积极思考、分析讨论，避免单纯“灌输型”传授知识。对于重点难点内容，精讲多练，有助于课堂教学质量的提高。对于卓越班采用小班授课，更易于师生交流互动、翻转课堂，强化了对学生分析解决问题能力的培养。
教学中灵活运用多媒体课件、实物教具等辅助教学手段，可显著提高课堂教学效果。对多媒体课件要精心设计，合理选用动态仿真、现场视频、3D模型等，创设教学情境，丰富信息量，使学生学习的积极性更高。如讲解机床结构和传动系统时，若采用机床剖切图或录像进行教学的话，学生难以看清楚机床内部结构，教学效果不理想。为此课题组基于Pro/E软件建立了CA6140机床的3D模型并进行了运动仿真，课堂教学中可演示机床每个部件的构成、空间位置关系、传动系统特点等，非常直观形象，使学生能深入理解并掌握知识要点，增强了课程学习的趣味性。充分利用多种教具和现场教学，形象直观，可促使理论与实践有机结合。如讲解车刀和钻、扩、攻丝、磨削等加工工艺时，教师将车刀及模型、小型手工电钻、抛光机、磨平机等带进课堂，对照实物讲解刀具几何角度、现场在铝板上进行钻孔、攻丝、对板件进行磨边、抛光等[3]，并在课间和课后现场指导学生进行试加工，增强学生对机加工工艺的感性认识。
课后除布置思考题和作业，安排习题课及作业讲评，巩固课堂所学知识外，充分运用网络课程教学平台开辟第二课堂，实现师生网上交流与互动，引导学生挖掘和利用网络中与教学内容相关的信息资源，在牢固掌握课程知识的基础上，培养学生信息收集、辨别及合理利用的意识，不断提升学生的综合能力。课程设计以选择企业案例中的典型零件为对象，增强了课程设计的真实性[4]。设计任务包括绘制零件图、毛坯图，编制零件机械加工工艺卡、工序卡，绘制夹具装配图和撰写设计说明书等，进行综合训练。设计手段由二维设计逐渐向三维设计、装配过渡，以培养学生创新设计和工程实践能力。为保证课程设计质量，指导教师组成答辩小组，对每个学生进行答辩，从图纸、说明书、对知识的掌握程度等方面严格把关。生产实习环节集中在中国一拖集团有限公司等企业进行，学校与企业结合共同培养机械类应用型人才。为保证实习效果，实施“企业导师讲解+校内导师讲解+分组讨论+教师总结+撰写实习报告”的实习模式。企业导师讲解之后，校内导师必须将重点问题逐个讲解，各分厂实习结束后在非生产区分组讨论，补充完善实习日记及实习报告。
二、将课程知识与实践创新相融合
对机械类应用型人才不仅要强化工程实践能力的培养，更要注重对学生科技创新意识的培养[5]。课题组教师积极指导学生参与科研课题、课外科技活动等创新活动，组织学生参加国家、省市等各大赛事，以培养和提高学生的实践创新能力。对于本课程教学中的难点和学生不易理解的知识点，如刀具的几何角度部分，教师将其问题提炼出来以项目的形式带领学生进行研究，设计了基于单片机集语音、动作、视频为一体的多功能动态刀具几何角度演示装置，获得了全国大学生机械创新设计大赛二等奖，获江苏省大学生机械创新设计大赛一等奖，并授权发明专利。这既解决了教学难题，又锻炼了学生的创新设计能力。针对课程中刀具切削温度的知识点，教师指导学生开发了基于红外测温技术的刀具温度测量装置等，既锻炼了学生的创新能力，也具有很好的应用效果。课题组教师鼓励学生积极申报各类大学生实践创新训练计划项目，指导学生将课程和生活中的有关技术问题进行提炼，并通过创新项目加以解决。指导学生进行科技论文写作和专利申报，培养其科学素养。实践表明，对学生科学素质的培养，能有效地促进学生创新能力的提升。两年来，充分利用我校的国家级工程实践教育中心的优势条件，指导学生完成了国家级、省级实践创新训练项目3项，指导学生发表学术论文2篇，获批发明专利和实用新型专利3项。指导学生获得第四届、第五届“浩辰杯”华东区大学生CAD应用技能竞赛中获一等奖2项、二等奖6项。指导学生获省级优秀毕业设计三等奖1项、校级优秀毕业设计奖2项。
三、将教学改革与资源建设相结合
围绕机械类应用型人才的教学目标要求深入开展课程教学改革，促进了课程资源的建设。课题组根据机械类应用型人才的培养目标要求，结合工程实际合理安排课程内容体系，强化案例教学，主编出版了机械类创新应用型人才培养规划教材《机械制造技术基础》，已在省内外多所院校中推广使用，受到了大家的好评。应用型人才的培养更加注重学生工程实践能力的提高。我校不但增加了实践类课程的学分比重，也调整了实践教学内容，以更多的综合实验取代传统的验证性实验，以更多的生产一线实景教学取代传统的实验室模拟教学。教师积极主持、参与实践实验教学设计，指导学生参与实验室建设等实践活动，收到了显著成效。如指导“夹具拆装与调整”实验时，选拔一些学生参加机床夹具的设计制作项目，充实实验室资源建设。学生利用课外时间完成夹具设计、工艺制订、加工装配等，制作完成机床夹具实验装置2套。在整个项目过程中将设计（3D建模、装配、仿真，标准查询，标准件选型，材料选择）、绘制工程图、工艺制订、机械加工（车削、铣削、钻孔、攻丝等）、电火花线切割加工、装配（含配作加工）全部贯穿起来，有利于本专业知识的融会贯通，使学生实际工程能力得到明显提升。
摘要：在机械设计中引入CAD技术,可以解决机械企业中重复性设计多、信息资源利用率低的难题,缩短产品开发周期,具有巨大的经济效益和应用前景。
关键词：机械设计；CAD技术
1CAD技术的发展
CAD(ComputerAidedDesign)是计算机辅助设计的英文缩写，是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。自1950年计算机辅助设计（CAD）技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制造技术（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和产品数据管理技术（ProductDataManagement，PDM）及计算机集成制造系统（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一体。
产品设计是决定产品命运的研究，也是最重要的环节，产品的设计工作决定着产品75%的成本。目前，CAD系统已由最初的仅具数值计算和图形处理功能的CAD系统发展成为结合人工智能技术的智能CAD系统（ICAD）(IntelligentCAD)。21世纪，ICAD技术将具备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力。
以智能CAD（ICAD）为代表的现代设计技术、智能活动是由设计专家系统完成。这种系统能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符号推理技术，解决单一领域内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。
2三维CAD技术在机械设计中的优点
通过实际应用三维CAD系统软件,笔者体会到三维CAD系统软件比二维CAD在机械设计过程中具有更大的优势,具体表现在以下几点:
2.1零件设计更加方便
使用三维CAD系统,可以装配环境中设计新零件,也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件,既方便又快捷,避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来,使人一目了然。
2.2装配零件更加直观
在装配过程中,资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系,若装配不正确即予以显示,另外,零件还可以隐藏,在隐藏了外部零件的时候,可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示,对于有一定运动行程要求的,可检验行程是否达到要求,及时对设计进行更改,避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。
2.3缩短了机械设计周期
采用三维CAD技术,机械设计时间缩短了近1/3,大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时,只需对其中部分零部件进行重新设计和制造,而大部分零部件的设计都将继承以往的信息,使机械设计的效率提高了3~5倍。同时,三维CAD系统具有高度变型设计能力,能够通过快速重构,得到一种全新的机械产品。
2.4提高机械产品的技术含量和质量
由于机械产品与信息技术相融合,同时采用CADCIMS组织生产,机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法,如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等,保证了产品的设计质量。同时,大型企业数控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM进行机械零件加工,一致性很好,保证了产品的质量。
3CAD技术在机械设计中的应用
3.1零件与装配图的实体生成
3.1.1零件的实体建模。CAD的三维建模方法有三种,即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中,都有一些基本体系。如在AutoCAD的三维实体造型模块中,系统提供了六种基本体系,即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件,可通过对其进行结构分析,将其分解成若干基本体,对基本体进行三维实体造型,之后再对其进行交、并、差等布尔运算,便可得出零件的三维实体模型。
对于有些复杂的零件,往往难以分解成若干个基本体,使组合或分解后产生的基本体过多,导致成型困难。所以,仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓,然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”,进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。
3.1.2实体装配图的生成。在零件实体构造完成后,利用机器运动分析过程中的资料,在运动的某一位置,按各零件所在的坐标进行“装配”,这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
随着科学技术的不断发展,制造行业的生产技术不断提高,从普通机床到数控机床和加工中心,从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE,制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时,模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术(RPM)等,几乎覆盖了整个现代制造技术。
一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础,进行统一管理,而实体造型是工程数据的主要来源之一。
3.3机械CAE软件的应用
机械CAE系统的主要功能是:工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学/运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后,才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。
4CAD前沿技术与发展趋势
4.1图形交互技术
CAD软件是产品创新的工具,务求易学好用,得心应手。一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此,智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。
4.2智能CAD技术
CAD/CAM系统应用逐步深入,逐渐提出智能化需求.设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库,及时准确地向设计师提品开发所需的知识和帮助,智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能,使设计新手也能做出好的设计来,现代设计的核心是创新设计,人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中,用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造,这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。
4.3虚拟现实技术
虚拟现实技术在CAD中已开始应用,设计人员在虚拟世界中创造新产品,可以从人机工程学角度检查设计效果,可直接操作模拟对象,检验操作是否舒适、方便,及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题,及早看到新产品的外形,从多方面评价所设计的产品.虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程.虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析,以评价其性能,可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等,基于虚拟样机的试验仿真分析,可以在真实产品制造之前发现并解决问题,从而降低产品成本.虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向.另外,随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展,利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术,实现真正的全数字化设计和制造,已成为机械设计制造业的发展趋势。
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关键词：综合课程设计；创新能力；机构创意拼接
为适应社会对创新型和复合型人才的需求，机械专业的课程体系和培养模式不断改进。电子科技大学在机械设计制造及自动化专业开设了综合课程设计课程，是一门以培养机械专业学生的创新思维和提高学生的创新设计能力为目的实践类课程，该门课程体现了专业基础知识和现代设计方法、三维建模软件和工程分析软件的结合。
机构创意拼接实验为学生提供将设计理念转变成简易机构的平台，学生在平台上体验从搭接、验证、调试、改进到确定设计方案的过程，改变了传统教学中学生对平面机构的学习和设计只停留在理论设计的状况。
将机构创意拼接实验与综合课程设计相结合，鼓励学生将机构创意拼接实验中的作品进行的详细设计，为拼接实验中的简单形状构件选择材料、设计尺寸、进行结构强度分析，并绘制零件图和系统装配图。这种有机结合使学生模拟经历产品开发的完整流程，有助于学生形成完整的工程意识和系统观念。
一、综合课程设计课程分析
1. 开设综合课程设计的意义和可行性
传统的机械原理和机械设计两门课程都设置了课程设计环节，两门课程的课程设计都是在期末进行的，相互之间没有关联。多年来一直沿用的课程设计题目较少，相似或相同课题的学生较多，在网站上也能够找到许多参考资料，抄袭情况屡见不鲜，不利于学生的独立思考，造成课程设计无法达到预期目的。
随着计算机技术和信息技术的发展，机械专业的基础课程除了传授机械设计制造的基础知识以外，还应融入现代设计理论和工程计算软件知识。电子科技大学在机械设计制造及自动化专业培养方案中增加了一门独立的实践课―综合课程设计，在第六学期开设，取代了原有的相对独立的机械原理课程设计和机械设计课程设计。综合课程设计是培养学生机械综合设计能力和创新能力的实践性环节，设置该课程的目的以培养卓越工程技术人才为目标，注重培养学生的创新设计能力和应用现代先进分析技术和设计手段解决工程实际问题的能力。
在大三上学期，学生已经学习了机械制图、理论力学、材料力学和机械原理、工程控制等专业基础课程，具备了进行产品设计部分的基础知识。在大三下学期，开始学习机械设计、产品造型设计、CAD/CAE/CAM、产品优化设计和制造技术等课程，对产品进行强度校核、造型设计、工程分析、公差设计需要这些课程的知识。因此，在学期开始时布置设计任务，学生可以先进行方案设计，随着相关课程学习的逐步深入，有针对性、有目的地拓展产品设计所需的知识，到期末提交设计作业，对于进展较慢的学生，可以延至下一学期开学时提交作业。在整个过程中，学生将综合运用各门学科基础课和专业课程的知识，完成自己的作品，既体验了机械设计过程，又能够体会到机械工程学科体系中各门课程之间的联系。
2. 综合课程设计的教学过程设计
综合课程设计为学生提供一个实践训练的平台，要求学生按照机械产品设计的流程，综合应用机械类各门课程的知识，设计一种具有工程应用价值的机构。主要工作包括选择构件类型，进行构件的强度刚度计算并确定其主要尺寸，在计算机上进行有限元分析和装配仿真，接下来确定尺寸公差和形位公差，绘制主要零件图和装配图。鼓励学有余力的学生进行产品主要尺寸的优化设计以及工艺过程的设计。
综合课程设计采用讲授和辅导答疑相结合的方式进行。在教学过程中，讲授机械设计的流程，详细讲解各环节的主要工作，使学生了解每一环节所需知识，以及所需知识来自哪一门课程，从而指导学生有目的地学习各门相关课程，对提高学生的学习相关课程的热情有积极的作用。
为锻炼学生的团队协作精神，学生可以自由组成二人小组，每组提交一份在设计说明书和设计图纸，在封面上按照贡献大小排序署名，在说明书中详细说明两人各自完成的工作。题目由学生自行拟定，创意设计一种有应用价值的机构。设计说明书包括功能原理设计、机构选型设计、结构强度设计、公差与配合设计等内容。课程的考核成绩根据初期检查、中期检查、答辩和设计报告质量来综合评定。
二、结合机构创意拼接实验，强化学生综合设计能力
机构创意拼接实验是一门独立的实验课程，学生在搭接实验台上任意选择平面机构类型，组装调整机构尺寸，能够比较直观、方便的搭接、验证、调试、改进和确定设计方案，较好地改善了在校学生对平面机构的学习和设计只停留在理论设计的状况。开设机构创意拼接实验的目的是加深学生对平面机构的组成原理及其运动特性的理解和感性认识，培养学生创新意识及综合设计的能力，训练学生的工程实践动手能力。
机构创意拼接实验与综合课程设计在同一学期开课，学生在实验平台上经过反复尝试与修改，已经设计出了具有某种功能的机构，构件的基本尺寸已经确定，如能将设计成果直接代入后续的综合课程设计课程，可以节省大量的时间。针对已初步完成的机构，接下来需要进行运动分析和动力分析，计算作用在各构件上的载荷，进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。
将两门课程相结合，使学生能延续由一个机构运动简图向机器过渡的设计过程。学生在机构创意拼接实验中完成了机械设计流程中功能设计和方案设计工作，完成了机构运动简图的绘制和机构自由度的计算。在综合课程设计中，直接进入总体设计和结构详细设计阶段。绘制装配草图，进行机架、构件与机架连接、轴承座、轴与轴上零件定位和固定方式的设计，对主要构件的强度和刚度计算。综合考虑材料、加工工艺、装配、、耐磨性以及性价比问题，确定重要尺寸和公差配合、形位公差及表面粗糙
度等，最终确定各构件的形状、尺寸和材料，并绘制零件图和装配图。
在设计过程中，可以根据学生能力的实际情况，在上述工作的基础上，利用三维建模软件进行运动和装配仿真，利用有限元方法来进行载荷和应力分析，利用优化设计来优选零件尺寸。
主体工作完成后，要求学生将设计构思和设计方案整理成设计说明书。说明书需要按照规定的格式撰写，培养学生的规范意识。
经过了三年的教学实践和不断改进，已经取得了一定的成果。在一个学期之内，大部分学生能够协调合作，完成概念设计到图纸的基本设计流程，建立了系统性的设计理念，在规范整理文档方面也得到了锻炼。部分优秀的学生能够利用相关课程所学知识，运用三维建模软件、有限元分析软件和数学计算软件进行机构的建模、优化设计和工程分析，综合能力明显提高。
综合课程设计课程有助于学生形成完整的工程意识和系统观念，对提高学生的创新能力起着重要作用。将机构拼接实验与综合课程设计相结合，相当于延长了课程设计时间，学生在拼接试验台上完成了机构的功能设计和方案设计工作，详细的设计工作在综合课程设计中完成，实现两门课程的无缝连接。学生在两门课中的作品经过进一步细化和优化，可以参加机械创新设计大赛，也可以做为本科毕业设计。
两门课程的结合极大地提高了学生的设计兴趣、效率和质量，同时培养了学生的创新实践能力，获得了较好的教学效果。
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