中国教育

      一、前言

“机械原理课程设计”是机械类课程中最适合培养学生创新能力的一门课程, 是培养学生综合运用机械原理课程所学理论知识、技能和解决实际问题的能力，使学生获得工程技术训练的必不可少的实践性教学环节。根据《高等工科院校机械原理课程教学基本要求》规定，机械类（含近机类）专业要安排“机械原理课程设计”，单独设课。现在各校一般安排1～1.5周学时。也有的学校将“机械原理”与“机械设计”课程设计合在一起进行，学时为4周左右。

 长期以来，各校在“机械原理课程设计” 中尝试了不同的教学改革。进入21世纪后，我国高校机械原理课程设计的教学改革更是进入新一轮高潮。各校对“机械原理课程设计”的目的、内容、方法、题目、组织形式作了深入研究，探索机械原理课程设计中如何培养学生的机械运动方案设计、创新设计和解决工程实际问题能力，提出适合创新人才培养目标的机械原理课程设计实施方案。这些教学实践为“机械原理课程设计”课程教学改革提供了理论准备。本文旨在总结各校近年“机械原理课程设计”课程教学改革成果的基础上，探索机械原理课程设计进一步改革的方向。

 二、教学目的与教学内容

 关于机械原理课程设计的教学目的与教学内容，各校形成了比较一致的意见：

 1．机械原理课程设计应从“机械原理课程设计”在机械类课程体系所处的地位出发，本着“以设计为主线，分析为设计服务，落脚点为机械系统方案设计”的思想，设定教学目的，确定教学内容，体现教学特色。

 2．机械原理课程设计要努力培养学生的四个能力：即培养学生的机构综合能力、利用计算机解决工程实际问题的能力、自学能力以及创新能力。

 3．机械原理课程设计是理论联系实际的有效途径，是机械类学生所受到的专业系统训练和综合训练的重要环节。因此，课程设计实施方案应有利于学生了解机械系统设计全过程，以机械运动方案设计与解析法设计机构为主。

 4．课程设计内容一般包括：要求学生进行调研分析、功能原理分析、机械系统运动方案设计、常用机构运动设计、相关运动学和动力学计算分析、撰写设计说明书，并组织答辩。

 三、课程设计的题目

 课程设计的选题原则极为重要，应按培养“具有按照机械的使用要求进行机械传动系统方案设计的初步能力”编制题目。经过多年筛选，各校开发、积累了一批密切联系工程实际 ，便于激发学生创新能力的优秀题目。这些题目同时又带有各校鲜明的特色。例如：清华大学的题目展示了高起点、高要求：步行机器人、航天器太阳能帆板展开与锁定机构、微小机器人、灵巧机械手、半轮自行车。北方工业大学的题目则富有创新性与趣味性：狗拉车、小猴划船、七星瓢虫、啄木鸟啄树。上海工程技术大学的题目突出了培养应用型人才的特点：健身球检验分类机、压片成形机、旋转型灌装机、热镦挤送料机械手、巧克力糖包装机、台式电风扇摇头装置、垫圈内径检测装置。

 机械原理课程设计的选题原则及使用方法是:

 1．题目是综合性的，以运动方案设计为主。事先不给运动简图（至多给出参考性的简图），运动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，使学生真正受到一次运动设计的训练。

 2．题目是简单的整机设计。

 3．题目要覆盖机械原理课程的主要内容。

 4．题目应结合生产实际，是学生在日常生活、生产劳动中所熟悉的。

 5．题目的设计结果应包括3种左右典型机构，也允许选用其他常用机构或组合机构。

 6．题目不宜太深太复杂，让学生在规定时间里能够独立完成。

 7．题目要有一定灵活性，有利于发挥学生的创造力。

 8．题目中给定条件一般要具体，实际生产题目必要时可做简化处理。因为学生是初次搞设计，设计条件不宜太活。

 四、课程设计的方法

 各校机械原理课程设计的具体实施方法有着不同的侧重点，形成各自的特色。

 1．充分发挥学生的创新能力

 为了激发学生的创新能力，现在有些学校的做法是，学生从给定的若干机械原理课程设计题目中自选感兴趣的题目，独立或分组进行课程设计。

 按这种原则选择的设计题目，其运动方案可能有多个。由于学生初次搞设计，知识面不足，一些结构、工艺知识尚未学到，因此对学生提出的方案不能 有过高的要求，只要方案可行，能实现预期的运动，就认为达到基本要求。

 进行具体机构的运动和动力分析时，可按照教师给出的运动设计方案（参考答案）进行，也可按照学生的运动设计方案继续进行。教师可以给定具体机构的运动学尺寸，也可由学生自己初定运动学尺寸，然后进行分析与综合。

 北方交通大学则进一步把从给定题目中自选改为由学生完全自主立题，设计时间也增为2周。课程设计的实施步骤是：自主选题 → 确定设计方案 → 计算机动态模拟 → 制作实物模型 → 进行尺寸综合与计算机性能分析 → 编写说明书并答辩。已经取得多项创新设计作品，如十二自由度步行机器人、探险机器人、猴爬杆机构、自动爬梯机构、多功能座椅。

 2．调动其他教学手段

 上海交通大学尝试在机械原理课程设计中引入机构运动演示内容。要求学生用二维、三维动画或计算机仿真验证机构运动设计的合理性。

 上海工程技术大学尝试在机械原理课程设计中引入CAD/CAM实验。要求学生进行计算机辅助设计、并在数控机床上加工一个凸轮。

 合肥工业大学尝试在机械原理课程设计中引入创新实验。要求学生利用运动方案模型实验及运动参数测定实验， 验证机构运动设计的科学性、合理性。

 通过在机械原理课程设计中引入其他教学手段，丰富了课程设计教学内容，调动学生的学习积极性，使学生的机械原理理论知识获得全面训练，提高了解决工程实际问题的能力。

 3．机械原理课程设计与机械设计课程设计合做一个题目

 天津大学、吉林大学、福州大学等校在机械原理课程设计阶段就考虑机械设计课程设计内容，以机械系统为对象，统一题目，分段实施。在机械原理课程设计阶段主要进行原理方案设计、执行机构分析与设计、传动比计算与传动方案设计、原动机选择。而在机械设计课程设计阶段，完成机械传动系统与传动零件的强度计算和结构设计。通过机械原理与机械设计的综合课程设计，加强整机（系统）设计的训练。

 五、计算机技术在课程设计中的应用

 各校认为，机械原理课程设计中，既要培养利用计算机解决工程实际问题的能力，又不能把课程设计变成单纯的计算机编程课。电算的注意力主要放在机械问题的数学建摸上，以及能够使用合适的计算机方法解决工程问题。由于学生的计算机编程能力参差不齐，使用的计算机语言多样，随着各种编程语言的出现与升级，如何指导学生编写和调试机械原理电算程序，成为亟待解决的问题。具体有两种做法：

 1．学生用电算法对机构进行运动设计与运动分析。课程设计时学生只需建模或编主程序，子程序由机械原理课程设计程序库给出。以节省学生编写和调试程序的时间，把精力真正放在机构的设计和评价上。

 2．将课程设计与课程作业结合起来。学生在平时课程作业中完成常用机构的运动分析、设计与动力学计算的、调试，课程设计时直接调用。

 机械原理课程设计推荐使用VC⁺⁺、VB、Matlab语言编程。 吉林大学、华东理工大学将ADAMS语言引入机械原理课程设计，用ADAMS 建模后对机构进行运动学和动力学分析。在参数化建模过程中，学生通过给机构添加运动副，了解构件之间的联接关系；通过IF语句给机构添加作用力，了解机构的受力；通过后处理，学生可以直接观察到机构处于不同位置时，构件的运动和动力学情况。这样的训练效果是其他方法难以达到的。

 六、课程设计的教学

 已经出版并在教学实践中发挥较大作用的机械原理课程设计教材主要有：

 1. 罗洪田．机械原理课程设计指导书．北京：高等教育出版社，1986

 2. 姜琪．机械运动方案及机构设计——机械原理课程设计题例及指导．北京：高等教育出版社，1991

 3. 邹慧君.机械原理课程设计手册. 北京：高等教育出版社，1998

 但是，随着教学改革的不断深入，这些教材已不能完全满足各校不同的教学要求与需要。大家迫切希望有不同类型、不同侧重的课程设计指导教材面世。

 机械原理课程设计教材的主要内容应包括：

 介绍机械原理课程设计思路、方法、步骤和要求，使学生开展课程设计有所依据与规范。

 通过系统而简明地阐述机械系统运动方案设计的基本理论、原则、技巧，并通过若干典型的设计实例，引导学生综合应用所学过的机构组成原理及各类常用机构的结构组成、运动原理、工作特点及应用场合等知识，进行机构的选型、组合、分析与综合，以训练机械系统运动方案的设计能力，培养创新思维。

 参照美国相关教材的内容体系， 机械原理课程设计教材应引入原动机的讨论与分析章节。使学生对机械系统设计具有完整的概念。

 机械原理课程设计教材特别需要提供较为丰富的课程设计新题目，以满足不同情况的需要。使用时，各校可以根据自己的教学实际灵活选用相关材料与题目。

 机械原理课程设计教材应该便于自学。

 六、教学效果

 按照新的课程设计指导思想和规定内容，实施了机械原理课程设计教学，凸现了良好的教学效果。现以上海工程技术大学机械原理课程设计的教学实践为例说明。

 上海工程技术大学精选了若干机械原理课程设计题目，其中有自主开发的题目，有对旧题目赋予新意重新改编的题目，保留了一些符合“培养应用型人才”选题要求的不同类型的经典题目，还特地编制了可以引入运动模型拼装实验及运动参数测定实验的题目。连续在2001级、2002级两届8个班，全面进行机械原理课程设计教学改革，共试验了5个题目：健身球检验分类机、压片成形机、台式电风扇摇头装置、自动喂料搅拌机、洗瓶机。

 1．培养了创新意识

 如设计健身球自动检验分类机，要求将不同直径尺寸（ф40～ф46mm）的健身球（石料）按直径分类。检测后送入各自指定位置，整个工作过程（包括进料、送料、检测、接料）自动完成。在教师没有给出运动方案答案的情况下，学生独立设计了4种可行的运动方案。对于球的尺寸控制，有的方案靠三个不同直径的接料口实现，有的方案由凸轮机构实现。此外，不同的方案设计了不同的送料机构、接料机构以及由曲柄滑块机构、槽轮机构等实现的间歇机构等。学生说，这样的设计题目确实激发了我们的创新欲望。

 又如设计台式电风扇的摇头机构，使电风扇作摇头动作。学生运用功能分析的设计方法，把风扇的摇头动作分解为左右摆动和上下仰俯运动。并以双摇杆机构的连杆作为主动件，利用连架杆的摆动实现风扇的摇摆运动。表现了一定的创造能力。

 2．培养了整机设计与产品设计的概念

 由于所有的题目都有其工程背景，要求进行传动比计算并选择原动机，使学生对机械系统设计具有完整的概念。如设计用于化学工业和食品工业的自动喂料搅拌机，题目对电动机转速、容器转速、每次搅拌时间、物料装入容器时间以及固定铰链位置都有具体规定，学生必须通过传动比分配或采用斜齿轮（变位齿轮）中心距计算，才能合理完成运动系统简图的布置与设计。使学生获得了整机设计与产品设计的初步训练。

 3．培养了解决工程实际问题能力

 设计压片成形机构时，学生一般采用曲柄滑块机构或凸轮机构。经过提示，使学生了解到，在工程实际中，设计这类机械尤其要考虑机构效益，宜采用在冲压位置有较大传动角的机构，以增加增力效果。最终有些学生采用了肘节机构。使学生在单纯考虑机构运动性能基础上，学会考虑机构动力特性。

 又如尝试在机械原理课程设计中引入CAD/CAM实验。要求学生进行计算机辅助设计、并在数控机床上加工一个凸轮；尝试在机械原理课程设计中引入机构运动演示内容，要求学生用二维或三维动画验证机构运动设计的合理性。这些教学活动延伸了传统的械原理课程设计教学内容，学生很感兴趣，有利于培养解决工程实际问题的能力。

 4．培养了机构综合能力与计算机能力

 自动喂料搅拌机、洗瓶机等题目都有实现轨迹的平面连杆机构的运动设计问题。如自动喂料搅拌机的物料搅拌动作为：电动机通过减速装置带动容器绕垂直轴缓慢整周转动；同时，固连在容器内拌勺沿图示近似半卵形轨迹运动，将容器中拌料均匀搅动。

 由于拌勺运动轨迹要求实现8点坐标，对于二年级学生，该平面连杆机构的设计有一定难度。一部分同学运用数值算法解非线性方程组，还有些同学用图解法寻找初始值，再应用优化设计思想计算机编程求解连杆机构（二年级学生还没有学机械优化设计），完成了平面连杆机构的综合。

 5．提高了教学质量

 压片成形机、自动喂料搅拌机等题都包含较丰富的机构设计与分析内容，除了平面连杆机构实现运动轨迹的设计、运动分析以及齿轮机构设计、凸轮机构设计外，还需要进行平面连杆机构的动态静力分析、飞轮转动惯量确定等。覆盖的知识很全面，学生在1.5周时间内所要完成的工作量是比较大的。使学生所学的机械原理课程内容能够融会贯通，理论联系实际，知识得到很好的巩固。

 七、结束语

 1．机械原理课程设计教学改革是进入21世纪后，面向创新人才培养，我国工科课程教学实践环节改革的成功尝试。全国高校围绕机械原理课程设计所进行的教学实践，无论对于机械原理精品课程建设，还是深入开展包括机械学科在内的工科课程体系教学改革，都富有借鉴意义。

 2．机械原理课程设计的各种教改尝试，既有鲜明的主线，又各具特色。既有成功经验，也有需要探讨、摸索之处。因此有必要总结、梳理，以利进一步改革。

 3．机械原理课程设计急需好的指导教材。

 4．机械原理课程设计急需好的题目。