数字化机械创新设计能力培养的教学设计与实践

　　机械设计能力是机械类专业大学生的一项非常重要的专业基础课，教学内容主要由理论教学和相关课程设计两部分组成。它在整个培养计划中起着承上启下的桥梁作用。传统的教学内容体系只注重对学生传统设计理论的培养，设计实践还停留在二维绘图阶段，忽略学生三维数字化设计思想和能力的培养。以三维数字化设计技术为代表的数字化设计作为现代设计的一种核心技术，在机械设计的应用中，不仅为机械工程师提供了一种方便高效的绘图工具，更重要的是机械设计的设计程序、思维方式、交流与协作方式及机械工程师的角色等，都将会因为数字化设计的出现而发生重大的变化。所以，对面向数字化设计对机械设计课程体系和教学方法进行改革，使机械类专业的学生能够迅速适应数字化设计的要求，更加贴近企业对应用型机械设计专业人才的需求。

　　一、数字化机械创新设计能力培养教学改革的作用

　　1.适应社会和就业的需要

　　从对上海的企业调研和毕业生反馈的信息看，当前大部分机械制造业的企业基本上实现了三维数字化设计和制造，其中国内大中型企业和研究院已全部实现三维设计，机械工程技术人员普遍采用三维数字化设计技术来完成工程设计已成为一种必然趋势。因此，转变教学观念，注重知识及应用的与时俱进，已成为培养机械行业人才要求。把数字化设计引入到机械设计能力培养当中，使学生掌握更现代的设计方法，为学生专业课程的学习和就业打下坚实的基础。

　　2.促进机械设计能力的提高

　　在我校学生在大学一年级主要学习《机械制图》和《计算机绘图》等课程，重在培养学生的二维绘图和识图能力；而在高年级的专业课程中，直接讲授三维数字化设计软件的工程应用，难度大、效果差。在大二期间，将数字化设计结合《机械设计》《现代机械设计》课程教学，不但可以为学生后面专业课程的学习打基础，降低专业课程的学习难度，而且能对机械设计能力的提升起到促进作用。数字化设计改变了传统课程设计作图多、任务重的缺点，设计结果具有较强的直观性，容易引起学生的兴趣。

　　3.利于学生工程实践和创新能力的培养

　　随着各高校对卓越工程师培养计划的重视，培养学生的工程实践和创新能力，已经成为高等学校一项非常重要的教学改革内容。机械创新设计作为一项“卓越计划”培养机械类专业学生工程实践和创新能力的重要一环，必须更新教育理念、探索新的课程教学模式、加强课程内容与社会实践的联系、积极探索以素质教育和能力培养为特征的新型课程模式。将数字化设计引入到机械创新设计培养当中，对学生工程实践和创新能力的培养可以起到积极的推动作用，因为数字化设计优势十分有利于学生空间想象能力、设计能力和自主学习能力的培养，学生可以借助数字化设计软件把自己的工程设计想法通过三维实体设计表达出来，激发学生不断探索、实践和创新的欲望，进而促进其工程实践和创新能力的提高。

　　二、机械创新设计能力培养教学改革的思路

　　数字化设计应当是根据数字化设计本身的特点及其在机械创新设计的应用特点来进行，不能简单地增加设计软件使用操作教学内容，或在原来的课程体系中再增加几章独立的、自成体系的数字化设计教学内容。而应结合数字化设计和机械设计能力培养的特点，对整个课程内容体系进行必要的改革。

　　（1）以工程素质教育和实际能力培养为目标，构建数字化机械设计课程内容体系。主要包含数字化设计基础，数字化设计理念、流程及特点，数字化设计工具简介，数字化设计实务训练等类型的课程内容。同时探寻建立数字化设计与传统设计教学内容之间，以及与其它数字化设计课程之间有机的联系。

　　（2）机械设计中传统设计教学内容应做相应的改革，使数字化设计的思想和方法真正融合到机械设计的教学与实践当中，最理想的方式是能够让学生在课程的学习中熟悉和掌握数字化设计工具，这样机械设计能力的培养的才能够适应数字化时代的要求。

　　三、机械创新设计能力培养的教学设计

　　1.课程教学内容改革

　　在授课时，应淡化对理论公式的推导，加强对工程应用的讲解，如齿轮的强度计算，螺纹连接强度计算等；对一些非重点章节，如链传动、进行引导性的讲解；对难度相对简单的章节，如联轴器、离合器与制动器、弹簧等，可以采用教师简单概述，让学生课下与结合思考题自学方式。这样可将机械原理机械设计理论教学压缩到96学时左右，留出大约20学时对数字化设计进行讲授。在数字化设计教学当中，不追求难度和深度，以使学生能够完成课程设计为目标，注重学生学习能力的培养，如教授学生如何利用软件自带的帮助文件和用户手册，独立进行软件功能的自主学习。在课程的安排上，采用每两周2学时的上机课堂教学模式，让学生模仿课堂的例子，并安排一定量的课外习题。这样使学生长期不断地学习，便于学生提高实际设计能力。

　　2.课程设计环节的数字化设计应用

　　对于机械设计能力培养中重要实践环节――课程设计，将三维数字化设计代替传统的二维作图是改革的一个重点。目前，我校课程设计题目一般采用通用机械传动装置设计，以齿轮减速器设计为主。学生在两周的设计时间内完成设计任务的设计方案的分析和计算、零件设计装配图和零件图的绘制、设计说明书的编写等任务。在设计过程中需要学生查阅大量的资料，进行反复设计。由于课程设计时间较紧，大部分同学在进行零件强度设计后，直接进行零件图和装配图手工绘制，往往忽略设计的整体性，草草地画完所有图纸，直接影响教学效果。将数字化设计引入到课程设计后，学生可以应用设计软件参数化功能，对原零件图和装配图进行特征修改，使零件结构的变化直接在三维视图中展现。然后，利用三维转二维图纸的功能生成工程图，并进行必要的视图表达修改和标注。这样就大大节省传统二维作图的时间，使学生有更多的时间去考虑“设计”，从而可以提高课程设计质量。 　　3.机械创新设计研讨课的开设

　　机械创新设计能力包含应具有良好的学习能力和创新理念、敏锐的创新思维、基本的创新技能和优秀的创新人格。研讨课有效地探索了研究型、合作式、自助性的课堂教学模式，体现了“学思结合、因材施教、分类培养”的教育思想，促进了在教育思想观念方面的深刻变革。目前，我校已开设“产品开发与现代设计”研讨课，和机械设计类课程中创新设计研讨课，教学效果显著。

　　4.问题驱动启动式教学方法

　　针对机械设计和数字化设计实践性均较强的特点，强化理论课和实践课案例教学，注重问题启发教学内容的精选和问题的设计，着重讲清工程设计案例问题是什么、工程设计案例问题的背景是什么、工程设计案例问题的性质是什么、工程设计案例问题的解决方法是什么等内容。使所学的知识更加具体，并给学生留有一定的思维空间，活跃学生的创新思想。

　　四、数字化机械创新设计能力培养教学实践的注意事项

　　1.不断加强数字化设计基础课程的教学

　　数字化设计基础课主要是根据机械类专业的实际情况，为学生讲授有关数字化设计的软件、图形图像理论、设计与造型方法，设计特点等共性的知识，使学生形成一个清晰的数字化设计框架，能够在大脑中实现数字化模型的构造。

　　2.强化“设计”理念

　　机械设计的最终目的是要实现产品化，其设计应当是为产品及其生产而设计。在课程教学改革时，需要不断强调的就是设计。机械类专业数字化设计的核心是设计，而不是绘图。教改应该始终按机械设计基本能力教学为主、数字化设计学习为辅的教学思路进行，使学生掌握基本的数字化设计方法，并能独立进行简单数字化设计。对于机械类专业学生而言，最需要的是在数字化设计工具的帮助下，获得对整个产品从概念设计、结构设计、生产加工到市场推广的全面控制能力。这种设计能力的培养就能够与CAD、CAE、CAM乃至虚拟设计与虚拟制造系统相衔接。所以，在机械设计课程中强化设计的理念，要让学生清楚地认识到数字化机械设计不仅可以用计算机技术来绘制各种各样的装配＼＼零件设计图，尤为重要的是它可以辅助进行动力学和运动学仿真、有限元分析、装配检查等功能分析；可以有效地将机械设计各个设计过程有机地结合起来，使各个阶段的设计成果为其后的设计制造过程直接使用，从而大大提高了设计效率和质量。

　　3.在教学实践中，由于数字化机械设计相对降低了机械设计的理论难度，学生对相关数字化设计软件学习兴趣将会大幅提高，甚至有些同学会主动“开快车”，在数字化设计软件学习上花掉太多精力，忽略了对机械设计理论知识学习。所以，任课教师要积极引导学生正确对待数字化设计软件和机械设计理论学习之间的关系，做好协调工作。

　　4.随着数字化设计教学质量的不断提高，教师还可以适当扩展讲解运动仿真和CAE的相关知识，使学生对机械设计技术的发展有进一步的认识，提高学生的学习热情。

　　五、结语

　　机械数字化设计能力培养教学的设计和改革，需要在教学理念、课程内容、教材建设、师资培养、教学方法，硬件与软件环境建设等诸多方面的协调配合，需要充分调动和协调学校资源，才可能取得更佳的效果。同时，也需要我们在教学实践中坚持不懈地研究和实践，不断积累，不断研究，不断创新。

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