机械结构设计基础知识汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇机械结构设计基础知识范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

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1.2多种教学方法结合机械基础课程实践性强，传统的理论教学采用“填鸭式”的教学方法，教学过程中教师和学生之间缺乏互动，学生被动接受知识，学生感到枯燥乏味，不利于学生的学习。采用多种教学方法，激发学生学习积极性，变被动学习为主动学习。对于工程力学基础、工程材料基础知识、基本概念等采用讲授式教学法。教学过程中教师要注意和学生的良好互动，避免注入式教学。机械设计中的常用机构、机械传动、轴系难度大和实际联系密切，采用讨论式教学。理论知识讲解前，选择和生产实际常见的议题，在学生充分讨论后，教师再讲解，调动学生学习的积极性，避免了“教师教、学生被动学”的单一教学模式，达到事半功倍的效果。采用典型案例教学法，如以齿轮轴为典型案例，通过材料的选择、结构设计、强度校核、公差与配合的选择、机械加工工艺制定等环节，可以把工程力学、工程材料、互换性与技术测量、机械设计、机械加工的相关知识联系在一起，架起了课程的桥梁，知识结构相互衔接，课程体系更加完善。

1.3采用多种教学手段提高教学效率机械基础课程的研究内容比较抽象，相当一部分学生在学习时因缺乏空间想象力和工程设计而产生厌学情绪。课程学时少，内容多，采用现代教育技术方法，通过运用多种媒体，提高课堂效率，有效提高教学效果。讲解平面连杆机构、机械传动、金属切削机床、轮系、液压系统原理时，由于学生没有实际生产经历，缺乏相应的想象能力，采用动画技术，生动形象，让零部件运动起来，使抽象理论直观化；讲解连接、轴系、切削加工方法、液压元件时，采用实物、幻灯片、图片展示教学内容，生动形象，增加学生感性认识，拉近书本知识和生产实际的距离，加深学生对理论知识的理解，更好地突出教学重点和难点。

1.4增加综合设计实验教学内容课程的实验课时为4学时，传统的实验为认知实验，实验设备是机械基础陈列柜和模型，以演示讲解为主，时间多集中安排在课程中期。改革后，开放实验室，学生自主实验，不占实验课时，时间安排每个模块的理论课讲授之前，学生递交实验报告。通过认知实验使学生建立机械零配件的结构、机械加工、液压传动系统的感性认识，对机械基础知识有一个初步了解。增加综合设计实验内容。①轴系结构设计实验。轴系结构是回转机械的重要组成部分，轴系结构的性能决定机械的性能和寿命。轴系结构设计实践性强，涉及内容多，灵活性大，是课程的重点和难点。通过拆卸、结构分析、装配、调整、结构设计的全过程，学生掌握轴系设计的步骤和方法，培养学生的创新能力和工程实践能力。②机械传动方案的创新组合设计、分析实验。传动方案的设计是创新设计的主要内容，学生根据教师的要求，选择传动类型、自行设计传动方案，根据设计方案自行组装，以培养学生的综合设计能力和动手能力。通过开设综合设计实验，在创新实验的环节中，学生通过方案构思和改进、实验操作和观察，达到培养创新意识、创新设计能力。

1.5增加具有食品工程教育特色的实践教学环节增加工程训练，训练时间安排在理论课开课后第6周。工程的本质是一种社会实践，在科学的基础上增加工程训练的内容。学生知识面窄、面向工程实际不足，没有足够的工程训练，现代工程设计思想、方法和综合应用多方面的知识解决工程实际问题的能力不足。工程训练中，学生学习金属加工工艺知识，自己动手操作各种设备，使用多种量器具，增强动手能力，激发创新欲望，培养创新能力。增加课程设计，时间安排在理论课结束后进行。课程设计是实践教学的重要环节，培养学生运用所学的知识分析和解决问题及独立思考的能力。课程设计时间1周，工作量大、时间紧。采用接近工程实际的题目：一级减速器设计或小型食品加工机械等。每个学生的任务书各不相同，设计方案和设计思路完全由学生组织设计，充分发挥以学生为主的教学理念。学生基本具备机械传动系统的设计计算、材料的选择、会查阅资料，能够正确使用国家标准，绘制工程图的能力。通过课程设计巩固所学知识，掌握机械方面的设计方法和步骤，培养学生工程意识、分析问题和解决问题的综合能力。

1.6考核方式改革课程考核方式，实行教学全过程多次考核和考查，提高平时成绩在总成绩中的比例。理论考核采用闭卷考试，成绩占课程成绩的70%；实验考核成绩占课程成绩的30%。细化实验考核内容，从实验准备、实验过程、实验效果、实验报告多方面考核，注重实验过程和创新能力的考核；工程训练、课程设计单独考核。

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从上个世纪60年代起，我国的工业与军用电子装备开始从仿制走向自行研制，经历了40多年的发展历程，积累了丰富的经验，目前已在电子装备的设计与制造上走向世界的先进水平，与此同时也深刻认识到结构与工艺对电子装备的性能有着重要的影响，电子装备中电气设计、结构设计及制造工艺是密不可分的，并趋向融为一体设计。电子机械是研究电子与信息系统中的机械与结构问题的一门机电光相结合的边缘学科，它通过研究机械、电磁、热之间的耦合关系，把电子设备的原理设计转化为机械和结构的设计，提高其在机械、电磁、热环境中的可靠性，以保证其电气性能指标。与一般机械专业相比，电子机械的研究有其自身的特点：在目的上，电子机械在于捉高电子装备系统的电气性能，而常规机械则是为了提高其机械性能。在实现手段上，前者主要通过改变、优选机械结构参数与工艺来实现，而后者则主要通过电子信息、光电子信息来实现。在机电一体化的载体方面，前者是电子系统，后者为机械结构系统。从对系统的重要程度看，机电一体化对电子装备而言不但重要而且是其生命之所在。现代国防武器装备对军用电子装备提出了越来越高的要求，突出表现为高频段、高增益，快响应、高指向精度，高密度、小型化。为适应上述发展趋势和要求，在电子信息行业，亟须培养具备电子机械专门知识，从事电子机械的工程应用型人才和研究人才。

 

二、电子机械人才知识结构体系和课程结构体系

 

如何有效地培养出适应电子信息领域需求的高层次电子机械人才，或者说，如何科学合理地建立起电子机械人才培养模式和课程结构体系，是我们从创办这一专业开始就一直探讨的问题。一个真正合格的电子机械人才必须把机械知识和电子技术、计算机技术以及信息技术等知识有机地融合在一起，全面、综合地设计电子设备。在制定教学计划和建立课程体系时，从构建学生知识结构的角度，按模块化分课程体系更容易建立知识结构与课程体系的对应关系。将电子机械方向人才培养的知识结构，划分为基础知识模块、专业基础知识模块和专知识模块。基础知识模块分为工程基础知识、机械基础知识、电子及信息基础知识、机电控制基础知识和工程测量基础知识5个子模块，重点是保证学生具有扎实的数理基础、良好的外语能力和熟练的计算机应用能力。专业基础知识模块主要是掌握机械设计及其自动化专业的通识知识，包括机电一体化知识、机电控制工程知识等。专业知识模块是在结合基础知识模块如何构建交叉融合的知识结构，对于电子机械培养方向，除了掌握机电一体化方面的基础知识之外，更重要的是掌握面向电子信息领域的电子设备的设计和集成化制造方面的知识，这其中主要包括电子设备环境防护、天线结构设计、办公自动化设备和高密度组装等知识。

 

由于电子机械方向涉及多个领域的知识，课程设置的主要问题是如何在有限的学习时间内合理地安排机、电等多学科的课程问题，如果只是将课程硬性叠加，则学生不堪重负，且学生对相关知识的应用不能有机地结合，会使学生感到对各方面的知识都没有学好，因此必须对原有机类和电类课程进行优化、精简、合理的组合并创新。我们结合自身的情况，所遵循的原则是：“面向电子信息领域，以电子设备CAD/CAM为主线，以创新设计为核心，强化基础、注重实践”。贯穿4年培养计划的主线是电子设备设计制造综合能力培养。在培养计划和课程体系的框架上，结合电子机械知识结构体系要求，2005年，按照教育部新的专业目录，本专业制定了新的教学计划和课程体系，我们设计了平台模块式课程框架结构，突出了课程的整体优化与整合，突出了加强基础，突出了方向的灵活性和适应性。新的课程体系课内总学时设定为2559学时，其中分为必修课、限选课与选修课程，开出课程总学分为272.5，准许毕业的最低学分186.5。

课程体系为四级平台(平台体现了课程的分类与整合)：

 

1.公共基础平台。作为通识教育部分，对全校学生统一要求。课程分为5大模块：数学、自然科学模块，人文社会科学模块，工具与方法类模块工程概论模块以及体育。

 

2.机械工程学科群技术基础平台。(这一平台课程与部分机电工程学院其他专业共同使用。)

 

3.机械设计制造及其自动化专业基础平台。

 

4.电子机械方向平台。

 

三、课程的建设与改革工作

 

1.机电化合，解决机电结合、设计与制造相结合过程中教学时数剧增的问题

 

正确处理机械与电子、设计与制造的关系，强调以机为主，以设计为主。在教学计划实施过程中，机械类课程中基础课、专业基础课与一级机械类专业一致。电子类课程主要着重基本原理与定性设计，区别与电子类专业。专业课程中重点探讨机械结构如何保证优良的电子性能。

 

2.设置与电子机械领域发展相适应的教学内容

 

针对电子信息行业特点，开设具有明显电子机械特色的课程，如：电子设备热控制技术、天线结构设计、电磁兼容性设计、现代电子装联工艺学等课程，以使所培养的人才能自如地应用所学的专业基础知识和专业知识进行电子行业电子设备设计的技术工作。

 

3.全方位提高学生的科学研究素质

 

通过丰富多样的方式培养学生的多种能力，尤其是学生参加科学研究能力的培养，一直是课程体系改革追求的目标。首先在加强教学环节建设的同时，实行实验室开放制度，增加电子机械方向上综合性、设计性实验项目。其次实行导师制，遴选优秀学生在本科阶段参加导师的科研工作。再者组织学生参加“全国大学生机器人大赛”，“全国大学生电子设计竞赛”、“全国挑战杯竞赛”、“全国大学生机械创新设计大赛”、“全国大学生数学建模竞赛”等活动。通过这些措施，在相当程度上激发了学生的创新意识，提高了科研能力，也进一步夯实了基础。

 

4.结合专业发展的要求，强化实验室建设

 

实验室是学生综合素质和科学思维培养的重要场所。为适应学科发展和人才培养需要，我们把本学科实验室硬件建设和管理体制改革结合起来同步进行，以先进制造技术为基础，以制造信息技术为纽带，建设学院的专业基础课实验室。在机电工程学院形成了一个集现代设计技术、制造技术、控制技术、测试测量技术、信息技术为一体的院级综合实验平台。为本科生及研究生的基本技能训练、创新能力培养提供强有力的支持。

 

5.抓好教材建设工作，形成具有本学科特色的教材体系

 

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中图分类号：G642.41 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.17.117

1 概述

金属结构类课程是长春工程学院材料成型及控制工程专业结构方向的一类非常重要的专业课，它是一个系统工程，包括设计、加工制造和安装三个过程。本类课程包括《金属结构设计基础》、《轻型钢结构设计》、《建筑钢结构设计》、《水工金属结构设计》、《金属结构制造及安装》、《金属结构涂装技术》、《金属结构质量检测技术》及《钢结构工程施工机械》等一系列课程及相关的课程设计。

通过本类课程的教学，使学生获得钢结构基本构件的工作原理和设计方法的基本知识及典型金属结构的设计、制造及安装方面的知识；具备正确运用设计标准、设计规范、设计手册设计常用钢结构的基本能力。该类课程范围广，涉及到机械、材料、土木、化工、水利等多个领域，而且实践性较强，然而在教学过程中各课程之间与实践环节的衔接性不够，实践教学多为理论课程服务；对学生工程应用能力获取和工程素质形成缺乏认识；实践教学的时间保证也存在问题。

本文借助CDIO教学理念，坚持以宽口径、强应用为出发点，积极引导学生个性发展，柔性化培养，采用“理论教学、实践教学、自主研学”的三元化教学模式，对金属结构类课程的教学模式进行了探讨。

2 基于CDIO的金属结构类课程教学模式改革

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它产品研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程的理论、技术和经验。其培养的能力应该具有工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面。基于CDIO思想对金属结构类课程教学模式进行了改革。

2.1 课程结构

金属结构类课程内容多、范围广、实践性强。在基础教学中，以工程实践入门，探讨激发学生兴趣的新的课程结构体系。首先以工程实践为导向，向学生阐明该学科的基础知识；其次在课程学习中，将个人的产品交流能力以及产品、过程和系统构建能力的培养看作是这个课程计划不可分割的一部分。比如在讲受弯构件梁的时候，先以锻炼身体的单杠作为对象，提问单杠的组成，从而引入梁构件。接着提问单杠在使用过程中受到那些力的作用，设计过程中需要考虑那些因素，让学生发表自己的看法，从而实现学生的产品设计交流能力的培养。

2.2 教学内容及方法改革

以CDIO教育理念为思想，根据课程结构体系完善课程教学内容，并探讨基于主动经验学习方法的有效的教与学。

2.2.1 以工程应用能力培养为教学目标

结合工程应用型人才能力素质要求，明确了“金属结构设计基础”以培养学生基本构件的设计能力，“轻型钢结构设计、建筑钢结构设计、水工金属结构设计”以培养学生设计典型金属结构的能力；“金属结构制造及安装、金属结构涂装技术、金属结构质量检测技术、钢结构工程施工机械”以培养学生的制造及安装应用能力为教学目标。

2.2.2 以典型工程案例为教学载体

各教学环节精选具有典型的工程案例作为具体的教学内容，这些工程案例均来自具体工程单位并且是真实的工程任务。如讲授轻型钢结构设计的时候，课前教师提出与轻钢结构有关的一个典型工程案例（校工程训练中心厂房），学生查找相关资料；课上教师讲授，并让学生分组讨论或辩论；课后学生自己选择一定的实例来设计完成此节知识点的学习。最后才是学生做课后作业。该过程是一个主动学习的过程，让学生致力于对问题的思考和解决。

2.2.3 以问题驱动为教学方法

在教学方法上采用了问题驱动方式进行，即通过具体任务问题，驱动学生参与全部教学过程。

2.2.4 以小组合作为教学组织形式

学生在教学环节中，以小组合作的形式来完成具体的教学任务。例如，在实施“金属结构制造综合训练”教学时，要求学生根据个人的基础和能力，以小组为单位选做不同难度的金属结构，充分体现了“因材施教”思想；要求小组合作者在专业两个方向的学生之间交叉选择，并且担任与其专业方向相左的任务，通过学生间相互学习、相互协作，共同完成产品制造。其目的在于全面培养学生工程应用能力，更加重视团结协作和顽强拼搏的工程素质训练。

2.3 学习评价系统

CDIO教育理念强调知识讲解的同时重视个人能力的培养，因此需要有效的评价过程来衡量能力的高低。建立与CDIO相关能力的评价系统。该评价系统将过程考核和成果考核有机结合，不但考核学生最终的成果质量，同时注重考核学生在整个实训中所表现出来的工程应用能力和工程素质，使该教学环节真正发挥对学生工程应用能力培养的实效。

3 结语

本文针对当前金属结构类课程教学中存在的一些问题，在CDIO教育理念指导下，从课程结构、教学内容及方法改革、学习评价系统等方面进行了改革，探讨了以典型工程案例为教学载体、以问题驱动为教学方法以及以小组合作为教学组织形式等教学模式在金属结构类课程中的应用。

参考文献：

[1]徐学东，郭淑兰.突出应用及实践能力的《金属结构制造及安装》课程教学改革研究[J].时代教育，2010，（4）：99-100.

[2]冯建芳.金属结构课教学改革的一些尝试[J].高等建筑教育，1988，（1）.

[3]查建中.CDIO：颠覆性的工科教育模式改革[J].中国远程教育，2009，（3）.

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中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2013）33-0104-02

机械设计是机械类各专业的主干课程之一，是学生今后从事各项技术工作的重要基础，也是培养学生机械创新能力的核心课程。通过本课程的学习，学生应该具备运用本课程的基本理论与基本设计方法，独立完成简单传动装置和简单机械的设计能力。因此，为了增强这门课的教学效果，改变以往的课堂教学模式，对本门课程内容进行分析和重构，提出一些课堂教学改革的做法。

1 教学过程设计

机械设计课程主要研究常用、通用机械零部件的设计，但每类零部件都是相对独立的，前后章节联系不大，比如第5章是螺纹连接，第6章是键、花键、无键连接和销连接，第7章是铆接、焊接等，知识内容各不相同且不衔接，学生开始学习此门课时会感到零碎，而难以入门。

通过研究本门课每章节的内容特点，发现基本上每个零部件的学习过程都会研究该零件的主要失效形式，并对零件进行受力分析和强度计算，以及确定出零件的关键尺寸或选择出零件尺寸。 因此，为了让学生有效地掌握所学的内容和理论知识，在教学设计时，笔者以“失效形式——受力分析——强度计算——结构设计”作为贯穿整个教学过程的主线，突出重点，使学生对所学内容心中有数。无论学习哪种零部件的设计，若以此主线为纲，就便于入门、便于掌握。

2 多样化教学方法的应用

机械设计内容比较繁杂，信息分散，计算公式比较多，特别是对一些重要概念、理论，仅用PPT和黑板结合方式进行讲解，学生会觉得枯燥，注意力不易集中，导致对理论不理解。而且由于学生不是来自于工业生产第一线，没有一定的工业技术背景，对零件的结构、材料、强度要求等方面缺乏感性认识。

因此在讲解过程中适当加入演示法，使理论与实际联系起来。比如：在讲解螺栓强度计算时，结合螺栓事故现场的视频，可吸引学生的注意力，提高学习兴趣，使学生意识到螺栓强度计算的重要性；在讲疲劳破坏时，引入1998年德国列车事故的视频，直观地加深学生对循环应力作用下零件会出现疲劳断裂这种失效形式的理解，由感性认识上升为理论知识，对该知识点的印象深刻；在讲解带传动的打滑时，通过Flash演示打滑的特性，增加学生的感性认识。通过这些教学手段，使深奥的理论知识得到简化、直观，使学生获得最真切的感性和理性认识，能够比较牢固地掌握一些基本理论和概念。

3 课内任务学习

教师在课堂上以讲授为主，长时间满堂灌时，学生的注意力下降，思想不易集中，理解能力也随之降低。导致学生在学习新理论时，思维速度滞后于教师传递信息的速度，来不及仔细、深入思索，处于听不太懂、记不太清的被动状态。

因此，可以在课内以适当的时间，由教师主讲变为与学生互动的方式，使学生对接受的信息进行一次由浅入深的再加工，对错过的信息进行重新认识，这样更有利于优化教学效果。比如在讲授完相关知识点后，可利用适当的课堂时间与学生进行互动，如通过“螺纹联接的类型和应用”任务，使学生具备常用螺纹连接的选用能力；通过“轴的应用与结构设计”任务，使学生具备轴结构设计和轴与轴上零件装配的能力；通过“齿轮的参数与尺寸计算”任务，使学生具备认识齿轮各部分和进行齿轮结构尺寸计算的能力；等等。通过这些课内小任务，可将每次课的教学内容重点和难点突显出来，使学生更容易把握所学知识的核心内容，目标明确，达到可以看得见的学习效果。

4 小组项目教学法

该教学方法的学习模式是由教师确立项目内容，全班分为多个学习小组，共同完成此任务。比如，本门课大部分内容讲解完后，教师可布置多个设计项目，如进行X-Y送料装置结构设计等小型的设计任务，学生自行分成4～5人的小组，每小组根据任务要求，对项目进行分析并确定出设计方案。然后，对设计进行介绍和原理说明，并由其他小组对设计进行讨论和分析，确定其设计的可靠性和可行性。因此，小组项目教学法具有实用性和综合性，可将以前学习的内容，即各类零部件的应用场所、设计、使用要求等进行融合，对本门课的离散性、零碎性的特点进行弥补，使学生能充分体会机械设计的乐趣，了解机械设计过程。

在小组项目教学过程中采取启发式教学，学生是主体，教师以指导为辅，起到把握项目大方向和启发学生的创新性思维的作用，在教师的指导下，学生具体完成机械结构方案的设计、零件类型选择、结构设计等。通过项目设计的完成，可充分调动学生的自主性和合作性，为后期的机械设计课程设计及毕业设计打下基础。

5 结论

采用上述的教学方法和教学形式，针对本门课对两届本科生进行了课堂教学模式改革，得到以下收获。

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机械制图、机械设计基础、电气技术基础、机械制造技术、产品三维造型与结构设计、数控加工工艺与编程、电气控制与PLC技术、液压与气压传动技术等。

3、培养目标：

本专业培养德、智、体、美全面发展，具有良好职业道德和人文素养，掌握常用零件的制造工艺编制、工装设计与选择、普通和数控加工、质量检测及机电设备应用等基本知识，具备机械加工工艺编制、数控编程与加工、机械产品安装与调试等能力，从事较简单产品的机械加工工艺编制、机械产品加工、机电设备安装调试生产线维护、生产现场管理等工作的高素质技术技能人才。

4、培养要求：

本专业培养具备机械制造基础知识与应用能力，能在工业生产第一线从事机械制造领域内的设计制造、科技开发、应用研究、运行管理和经营销售等方面工作的高级工程技术人才。

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【中图分类号】G640 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)08-0185-02

1 引言

人类的一切文明都是设计的产物。工程产品设计就是利用科学研究得到的原理,发明现实世界里还没有的人造装置,以满足人类在生活和生产中的各种各样的需求,从而创造出更美好的新世界。文学家雨果曾说过“想象是伟大的潜水者。”[1,2]创作新的作品需要想象,同样科学技术研究也需要创新性的想象与想象力培养。中国的大学教育传统上以文学和政论为主,强调修身、齐家、治国平天下[3]。近代以来,西方的以分析精神为代表的现代科学教育进入中国,并且已成为理工农医科学教育的核心[4]。根据中国教育的长期教育历史和目前建设创新型国家的要求,当前有必要强调创新教育。前文从产品设计、想象与想象力和想象力培养三个方面着重讨论了想象力在产品创新设计中作用[5]。表1列出的是发明家所需具备的主要素质[6],由数据可见,想象力和坚持性是迈向成功的两个主要素质,因此,在科技人才的培养方面应注重这两方面能力的锻炼。只有不断地在学习和工作中,主动地学习想象的方法,积极想象新的功能、原理和结构,才能更好地设计新产品。

机械产品、机电产品的设计也需要培养设计者的想象力,可以说,没有想象,就没有创造,只会是骥尾之蝇,亦步亦趋的步人后尘。我国政府倡导建设创新型国家,在一些领域要与国际先进水平并驾齐驱,这需要科技工作者与技术工人的共同努力。在新产品的创造过程中,需要设计者创新性的构思新产品、技术工程师设计新产品和制造工艺以及技术工人加工新产品。工人从事产品制造加工,技术人员从事产品设计和加工工艺编制,科学技术工作者从事产品创新思路研究与产品原型研制。想象力与坚韧不拔是创新工作者应注重培养和训练的优秀素质。本文拟讨论从事机电产品创新所需要注意的几个问题。

2 功能设计的想象

产品是指生产出来的物品,对人类具有一定的功能。“顾客购买的不是产品本身,而是产品所具有的功能。”社会上流通的产品对其生产厂商是获得经济效益的产品,而对使用者来说,他人提供的产品就是自己的工具。西方的阿里士多德和培根曾对工具论作了阐述,与机械工业化革命相对应,工具论对机械工业革命、电气化工业革命、信息化工业革命和生物技术革命都产生了显著的作用。笛卡儿提出数学描述的方法论,后来牛顿、达尔文和哥白尼等分别提出了自然科学不同学科的基本原理。机械产品设计依据机械原理,1970年德国科学界提出的功能原理的产品设计,特别注重功能原理解。功能是产品购买者购买商品的原因,因此产品的设计就是实现某些产品功能。

在人类社会的前期发展过程中,工程科学一直沿用师傅带徒弟的方式传承手工技艺,有的的技艺还是家族传递下来,由于战争等灾难因素,其中有的技术已经失传。近代科学以伽利略为其开端的代表人物,将数学原理用于物理知识的表达和分析,开启了近代工程科学。另一方面,知识的传播也由学校完成,高等教育蓬勃发展,形成机械、电气、土木、化工、计算机、信息和生物组成的现代工程科学体系。机械工程的历史悠久,而且其原理知识渗透到各个工程技术领域,并没有随新型工程技术的发展而消亡,而是成为工程产品设计的基础。例:现代的航天工业、生命技术和核能工业都离不开机械工程知识的支持。机械产品与信息科学、生命科学的结合,出现了数控加工机床、机器人和靶向药物等一系列技术产品,人类的制造能力大幅度提高。近年来,随着数字化设计和协同设计技术的发展,人们设计新产品的能力也将得到显著提高,计算分析软件包的开发与使用,必将对产品设计的方式和方法产生巨大影响,新产品的设计周期将大大缩短。

要设计出新的产品,就是设计出新的功能或功能组合。要实现产品的创新设计就是要在设计初始阶段想象出新的功能或功能组合,向用户提供新的功能。一般常用的想象方式是通过市场调研或用户反馈的意见,提出产品功能的改进,新的产品功能很多是根据使用者需要而想象出来的。革命性的系列化产品都是依据新的科学原理,或变换原理或变换结构所想象出来的。例,从双卡收录机到卡式随身听,再到电子技术的MP4,前者使用相同的磁记录原理,但变换了结构与功能组合,获得了便携的功能。后者采用新的磁记录原理,利用巨磁阻效应设计出新的技术手段,实现播放声音和图像媒体的功能。

功能设计有分解和综合方法,原理设计有集成、转用和逆向等方法。产品的功能创新设计不一定是设计出前所未有的产品,随着各个领域知识的融合和技术革命,很多产品的设计采用新的知识原理来更换以前产品所采用的原理,获得更低的成本、更方便的制造或使用。

功能设计的创新过程中需要形象,例如人类想象出了飞机、电视机和收音机等,在设计这些产品前,人们就已经幻想象鸟一样飞行,千里眼和顺风耳,在古代的小说中就有这样的文学想象,后来的技术革命用技术手段实现了人们以前的想象。要实现对新功能产品的想象,就必须解决其依托的核心功能原理,例如流体力学原理、无线信号传递等原理。物理原理、化学原理和生物原理是设计新型产品的基础知识,近200年来,人们主动采用各种基本原理设计出许多种新产品,而且这一趋势仍将继续下去。

3 原理设计的想象

设计产品需要依据一定的功能原理,功能原理的创新就非常重要,机械原理知识仅仅是机械产品原理设计的基础。有时很复杂的机械产品,如果用电子控制技术来实现,其结构就非常简单。例上面所述的随身听。机械科学的原理并不多,常用的有杠杆、滑轮、啮合传动、摩擦传动、滚动支承、滑动支承、电磁支承、凸轮、连杆、螺旋等十几种。常用的电子原理有加、减、乘、除、微分、积分、反馈等。现在基本的机械元件和电子元件都已有基本的单元销售,已有专业化生产厂家生产这些标准化的元器件。复杂机电产品的设计并不是将机电单元简单的堆砌在一起,而是有机的组合、有目的的组合基本单元,来实现其使用功能。

产品的制造工艺原理也十分重要,它们决定了产品设计是否可以物化、是否可行。常用的机械产品的加工工艺有车、铣、磨、刨、镗、铸造、焊接、热处理,新的加工工艺有电子束焊接、激光表面处理、离子注入、化学气相沉积、物理气相沉积、腐蚀、键合等等,这些加工工艺都已在机械产品加工中得到广泛应用。利用新的物理、化学或生物原理来发明新的机械产品或电子产品的加工工艺,这是目前和今后发展的方向之一。在知识教学中,更应培养学生的触类旁通、获取知识的能力。

现代的机电产品,在构思整体设计时就要分析其功能原理形态矩阵,比较优化得到最优的技术原理方案,并且择善而从地详细分析最佳方案。设计原理的选择,不仅要考虑技术的先进性,还要分析其成本、环境的友好性和可持续发展的前景。对产品功能原理的优化软件在近20年时间内得到了很大发展,例:TRIZ等。但,产品的成本分析和环境友好性分析仍无相应的设计软件,这也是今后的发展方向之一。

随着数字化设计、虚拟加工和虚拟装配技术的发展,例:Unigraphics软件包,机械产品的设计和制造过程也发生了很大变化,运用虚拟软件设计来设计和制造产品的成本比试样产品的制造,成本大大降低。数字设计、数字制造和数字管理技术的发展,依托于信息技术,对机械工业已经产生了变革性的影响。协同设计、协同制造和协同管理技术在最近几年仍然会得到快速的发展。机电产品的原理设计有集成、转用和逆向等方法。例如汽车内燃机集成了连杆传动、轴承支承、凸轮传动等。冲压机和汽车发动机就是曲柄滑块机构的转用。鞋底防滑花纹的设计是摩擦学中理论应用的反问题。

4 结构设计的想象

要将设计原理实体化,获取设计者设计的产品功能,就必须进行产品的结构设计。常用的结构设计方法有放大、缩小、转用和变结构等。在机械系统的结构设计方面,俄罗斯的学者非常重视,而德国和日本的学者重视原理的设计和设计方法。我国的机械产品设计在1978年以前学习俄罗斯的结构设计,在80年代学习德国的功能设计理念、日本的二次设计方法。结构设计中常用的零件结构已经标准化。

从1960年来人们研究的仿生设计思路,为结构设计者提供了一条途径。基于流体力学的飞机结构设计,基于固体力学的齿轮和滚动轴承设计,基于动量守恒原理的喷气机设计,基于光学的鹰眼、蛙眼设计,基于红外原理的制导设计等等。在固体材料结构方面有仿生陶瓷、仿生的复合材料,多层涂层设计模仿竹、海螺壳等结构,今后在有机材料的设计方面人们更加依赖于对自然材料的仿生。

结构的标准化、新材料的开发与应用将对机械结构的设计产生重大影响。前人的石器时代、青铜时代、铁器时代和半导体时代以及今后的生物材料时代,都已经对产品的设计原理、设计方法产生了巨大影响,而且产品的结构也发生了很大变化。例:古代利用细绳作为锯子,今天利用合金材料和电力驱动的电锯,今后的激光切割等。新的原理、新的方法和新材料决定了那个时代的产品的技术含量和经济效益。

现代机电系统向复杂化和微纳化两个方向发展。复杂机电产品集成了机械原理、电路原理和控制原理等。例如,盾构机械和大飞机等,复杂机电产品的结构比简单机械要复杂100～10000倍,因此其设计制造是一个国家的机电产品设计制造能力的集中体现。复杂机电产品的设计过程中一般都采用数字化协同设计的组织方式,充分发挥各个设计单位的优势,团队的协作有助于缩短设计周期、提高设计效率和优化产品的性能。我国的机械工程教学中过分强调单元课程的学习,可喜的是近来组织机械设计大奖赛的竞赛,这有助于培养设计复杂机电产品的能力。

微纳机电产品,以微纳微型、微纳传感器和芯片等技术为代表,在近10年内取得了一系列突破。化学原理和生物原理也逐渐应用到这类微纳机械产品的设计,例如生物传感器和生物芯片等。未来的机械应该是生物机械,传统的机械原理、机械设计和机械制造技术都日臻成熟,21世纪的机械是生物机械,这一点上大多数人已有共识。我们现在大学里培养的人才,今后的21世纪的机电产品创新必定依靠现在的青年人,因此有必要开设系统论、生物原理等课程,这一点仍有欠缺,也未达成共识,作者认为应从未来机械发展的高度,布局现在的机电产品设计人才的知识结构,以利于他们今后更有创造性、更好地创造出新的产品。

关于微纳机电产品的设计,目前有两种技术路线。其一,是将以前的机构、机械结构和电子元器件缩小,在微米级加工微型齿轮、连杆和轴承等。另一种思路是抛弃传统的机械原理和机械零件设计,依据生物物理和生物化学的基本原理来构造微纳系统,例如仿葵花的转动机械等。作者认为第二种思路是更好的,因为机械原理和零件的设计应该随时俱进,不应保守的依据毫米级的机械原理和零件,而应该结合生物科学的发展,将生物物理和生物化学与机械科学结合起来,创造出更多更好的微纳机械系统。

5 结语

(1)功能、原理和结构的思路是德国科学家提出的别具一格的产品设计整体框架,本文从功能、原理和结构三方面再次讨论产品创新设计中“想象力”的作用。

(2)未来机电产品的发展向复杂化和微纳化两个方向发展,今天我们在本科教育阶段应该缩减单元知识的教学,增加系统论和生物原理的知识传授。

(3)对于研究生的创新能力培养,学生的课题研究不应竭泽而渔,而应结合研究生的论文主题,在讨论课上各抒己见,培养同学的提出问题、分析问题、解决问题和总结问题的能力。

参考文献

[1] 吴国盛.科学的历程[M](上册,下册).长沙:湖南科学技术出版社,1995.

[2] 维娜 艾莉著,刘民慧等译.知识的进化[M].珠海:珠海出版社,1998.

[3] 曲士培.中国大学教育发展史[M].北京:北京大学出版社,2006.

[4] 戴本博,张法琨.外国教育史[M].(上册,中册,下册).北京:人民教育出版社,1989.

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

机械专业的本科毕业生不仅要求具有丰富的理论知识，同时也应具备较强的实践能力。在传统的教学中，常常是理论脱离实践，课堂所学的理论在实践中没有体现，亦或是实践内容跟理论知识关联甚小。虽然大部分课程均安排有相应的课程设计来提高学生的实践能力，但因课程设计题目太过传统和陈旧，导致学生在实践训练中收货较小，难于面对我国制造业的迅猛发展要求。

1 项目教学法的意义

“项目教学法”是指老师和学生通过共同实施科研项目中的全部或部分实际工作而进行的教学活动。学生在项目实施过程中有意识、有组织、系统的完成一件具体的、有实际应用价值设计或产品，在具体的情景中通过所学的理论知识解决实际问题。

自从项目教学法引进我国开始，很多学校针对相应课程开展了项目教学法的研究，且取得了一定成效。北京师范大学珠海分校信息技术学院打破了传统的软件专业教学模式，探索了一条软件人才培养新方法――项目驱动教学（Project Drive Lecture），建立了“国际软件实验班”，系统学习软件的相关知识。通过一年的教学实践，其中四人在参加大三2009年暑期两个月的实习，就已成为国内知名软件企业研发中心的签约人员，且企业向学校提出全部承包软件实验班毕业生，搭建了一个人才供给的互动平台[1]。江西理工大学的陈敏等[2]研究了项目教学法在《机械制造技术》课程建设中的应用，提高了学生实际操作能力，给学生以直观感受；加工和装配虚拟实验室使得学生可以进行虚拟加工和装配；与相应的加工企业建立了校企联系，学生通过参观和企业技术人员的讲解，甚至直接动手，对项目得到直观的感受。武汉船舶职业技术学院的汪晓云[3]研究了基于“项目驱动”的《机械制造工艺与夹具设计》课程教学改革，开发了学生的思维，使理论知识在项目完成的实践中得到充分的运用，促进了学生的学习积极性，培养了学生的职业能力和职业素养。湖南城建职业技术学的何滨等[4]研究了基于项目驱动《机械设计基础》课程教学改革的探讨，以现代职业教育的先进理念为指导，以项目为主体，以不同专业的职业工作活?游?导向，以全面培养学生的职业能力贯穿于整个教学活动的过程中，开发了具有专业特色的基于工作过程导向的《机械设计基础》课程模式。

由此可见，项目驱动法理论在国外诞生，近年来在国内引起了教育工作者的广泛关注和研究。其研究成果显示，项目驱动教学法能提高学生的学习兴趣，促进学生思维活跃、培养学生分析问题和动手解决问题的能力；理论联系实际，在具体的项目实施中表现出职业能力素养，为学生走出校门进入职场做好充分的准备。本文作者结合自身的科研项目，选择适宜于机械专业本科生完成的部分课题，通过课堂教学和课余指导方式，使得学生在完成项目的过程中加深理论知识的理解及应用，极大增强了学生的实践能力。

2 项目教学法的设计与实施

2.1 项目选择

机械专业大三的学生已经掌握了机械制图、机械原理和机械加工工艺分析等知识，掌握了二维/三维绘图软件，同时也在学习相关的分析计算软件，如ANSYS，MATLAB等。因此，作者根据学生知识基础和兴趣爱好，从完整产品的结构设计、简单零部件制造和复杂零件的工艺制定方向出发，选择以下三个课题作为学生的实际项目，每个课题学生自由组队，每队人数不超过5人。教学活动以完成各项目任务，并使学生在完成过程中应用所学理论知识分析解决实际问题，按照项目认知、拟定方案计划、项目实施和结果评价的流程来完成教学。

2.1.1 完整产品的结构设计

磁力耦合器是一种基于电磁感应原理研制出的非接触式新型传递装置，是实现运动系统中电机驱动轴和负载输出轴之间的动力传递。主要优点为无摩擦磨损、寿命长、允许对中误差、节能可靠等。学生在设计磁力耦合器的过程中，首先需要了解磁力耦合器的基本结构和工作原理；其次，根据电磁感应和涡流场的损耗分析设计参数（如永磁体尺寸、铜盘尺寸、空气间隙等）对磁力耦合器传递扭矩的影响，基于获得的基本参数设计完整的磁力耦合器。磁力耦合器在工作过程中会因为涡流损耗产生热量，使得磁力耦合器温度升高，温升过高将导致永磁体失效无法工作，因此必须对磁力耦合器进行冷却散热设计。学生创新的应用了三条均匀分布的阿基米德螺旋线作为冷却水水槽，水槽设计在产生热源的铜盘和铜盘端盖上，易于加工。并且通过ANSYS有限元软件进行热固耦合模拟，结果显示水槽的散热效果良好，保证了磁力耦合器的正常使用。水路在密封水槽中，避免与其他零部件接触，可减少对设备的腐蚀。学生在设计磁力耦合器的过程中应用了机械原理、机械制图等基础知识，同时还学习掌握了电磁场和热分析等相关知识。利用ANSYS和MATLAB软件进行编程计算分析，系统完整的将所学知识应用到实际中去，极大的锻炼了学生理论联系实际的能力。

2.1.2 复杂零件的工艺制定

风扇轴（如图1所示）是飞机发动机风扇部件关键旋转件，即与发动机寿命、安全性紧密相关的重要件，具有结构复杂、精度要求高、特种工艺多、加工难度大、工艺过程控制严格等特点，因此对风扇轴的研制具有十分重要的意义。黎阳国际制造有限公司作为飞机发动机零部件的主要制造企业，对飞机发动机中的各种复杂零部件的加工制造有着丰富的经验。该项目以风扇轴的加工工艺及工装设计为出发点，分析零件的材料、结构和工艺特点，了解零件的生产类型，在公司目前执行的工艺路线上进行工艺优化。对零件的加工和制造难点进行分析后，结合工厂实际生产情况，考虑加工经济效益，制定最优的工艺流程及相应的夹具设计。学生在完成该课题过程中应用了机械制图、互换性测试技术、机械制造和机械工艺流程编制等基础知识，锻炼了学生在工艺分析、夹具设计和机械加工方面的实践能力。

2.2 实施效果

针对磁力耦合器项目，学生设计了完整的磁力耦合器结构，绘制了零件图及总装图；创新的提出了冷却散热方案，申请了发明专利一项，解决了大功率磁力耦合器工作过程中温升太高而无法正常工作的问题。学生在完成整个项目的过程中，强化了工程制图及使用三维软件建模能力；使用MATLAB软件进行分析计算，锻炼了编程计算能力；开发了创新思维，培养了解决实际问题的能力。

通过对旋转放大桌的设计与制造，增强了学生对机械原理和机械结构的理解，把课本上的知识应用到实际当中。在结构设计过程中，出现了很多干涉和无法配合等问题，使学生深刻体会了设计过程中出现的问题，还有部分零件绘制了图纸却无法加工，使学生理解了绘图与制造的区别，真正的设计是要落到实处，能加工制造出来的设计才是好设计。实际的项目增强了学生学习的积极性，提高了结构设计和制图能力，同时锻炼了动手能力。

3 项目驱动实施关键点

3.1 教学项目的选择

项目的选择是一个关键问题，如何将教师在研的科研项目分解提取，转化为学生可执行并可完成的任务是一大难点。项目选择过难，则学生无法入手，也没有足够的时间精力完成；项目选择过于简单，则达不到锻炼学生的目的。不同的项目对学生实践能力的锻炼不尽相同，选择项目的时候要了解学生的基础和学习能力，并尽量涉及多种知识，使学生能将更多的知识转化到实践中，同时促进多学科知识的融合。此外，应确立优秀且切实可行的项目，使学生能积极主动的参与到项目中来，在真实的问题情境下应用旧知识探索新知识，使所学知识得到巩固、加深和迁移，提高教学效果。

3.2 教师适当的指导

学生在项目实施过程中，不可避免的会遇到各种各样的问题，需要教师进行指导。教师在指导过程中应根据学生的实际情况进行指导。教师指导要适度，在保证项目顺利完成的同时，多让学生在实施过程中自己发现问题，学习新知识，利用新知识解决问题。如果教师指导不够，则会打击学生积极性，使得项目无法完成；如果教师指导过度，对学生各方面能力的培养力度则不够。

3.3 过程控制

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关键词：

金属结构；课程教学；教学内容；教学方法

“金属结构设计”课程是三峡大学为材料成型及控制工程专业和机械设计制造及其自动化专业学生开设的一门专业主干课程。课程的主要目的与任务是使学生掌握金属结构的基本设计计算方法，培养学生的金属结构设计计算能力。该课程的教学内容对学生后期的课程设计、毕业设计等都能起到主导作用的影响。但以往采用单一传统的教学方法往往使学生产生厌倦和疲劳，导致学生学习积极性不高，教学效果不好。本文在分析探讨“金属结构设计”课程教学过程中出现的诸多问题基础上，结合课程特点，提出了课程教学改革措施，并付诸实施，取得了良好教学效果。

一、课程教学存在的问题与分析

1.课程知识点多，内容涉及的理论深而广，学生学习感到困难。“金属结构设计”课程主要讲述金属结构基本理论和基本构件的设计方法，内容包括：绪论、金属结构材料和性能、金属结构的连接、轴心受力构件、受弯构件、拉弯和压弯构件等。通过课程的学习，要求学生掌握金属结构的基本概念、基本理论和基本构件的设计方法。要达到这个要求，学生必须能熟练运用力学、金属材料学、焊接等学科和领域的诸多相关知识点。因此，这门课程要求学生具有较好的专业基础知识和综合分析能力，这对于那些专业基础知识掌握不太好和综合分析能力较弱的学生来说，学习该课程有一定难度。此外，课程中有很多公式推导内容，推导公式过程中，有时会涉及学生以前少有接触的相关理论知识，遇到这种情况时，学生就会感到很茫然，影响了学生对课程内容的理解。

2.课程章节内容相对独立，逻辑关系不强，学生学习很吃力。“金属结构设计”课程内容是由多个章节组成的，每章的内容都相对独立，前后无严密的逻辑关系，导致课程内容显得繁杂零乱。因此，要学好该课程，学生必须具备一定的综合分析、总结、归纳和理解能力。这对于已经习惯于学习理论体系好、逻辑关系强的公共基础课专业基础课的学生而言，学习该课程就非常吃力，久而久之就会产生厌烦情绪，影响教学效果。

3.课程研究对象与工程实际紧密相关，学生实践知识匮乏，缺少对课程研究对象的认识，增加了学习难度。课程研究对象直接来自于工程实际，如课程讲述的焊缝连接、螺栓连接和三大基本构件等都是工程实际中使用的连接和构件，其构造和尺寸几乎没作简化，课程讲授的设计和理论计算内容都是针对这些真实的连接和构件的。因此，要学好该课程，就必须对实际工程中的连接和构件的构造形式及使用条件等有一定的了解，这对于缺乏实践知识的学生来说，无疑加大了学习难度。

二、课程教学改革措施

针对上述问题，我们从整合规划教学内容、改进教学方法和教学手段等方面对“金属结构设计”课程教学进行了改革，提出了改革措施。

1.整合规划教学内容。教学内容是为满足课程知识和能力的传授服务的，教学内容和课程知识的紧密结合有利于合理利用教学时间，使学生在有限的学时内掌握好课程的知识和应用的能力。“金属结构设计”课程内容广、知识点多，要想使学生在有限学时内掌握课程教学大纲要求掌握的知识，首先必须对课程教学内容进行合理整合规划。多年教学实践告诉我们，如果仅按教材照本宣科，教学效果是不会好的，授课内容只有结合学生的思维模式和认知规律，合理整合规划，循序渐进，才会取得好的教学效果。因此，我们课程组对课程教学内容进行了整合规划，并用于课程教学。在课程教学内容的整合规划上，重点进行了以下几方面的工作。

（1）精简理论，突出应用。“金属结构设计”课程内容多而繁杂，涉及的理论和公式也较多，在讲述各章节内容时，一般先讲解基本概念，后讲解设计原理和运用，在讲授设计原理过程中，常常要用到许多相关学科领域的理论和知识点，同时还伴随着较多繁杂的公式推导，按照这种教学模式讲授课程内容，从学生学习角度来看，势必会出现两个问题，首先是抽象的理论和烦琐的公式推导过程对学生来说是枯燥且难以理解的，其次是过多地占用和耗费了学生的时间和精力，使学生顾此失彼，注重了公式推导而忽视了基本设计原理的掌握和运用。基于上述原因，本着少而精的原则，在课程讲授中尽量少讲复杂的公式推导，精简理论内容，在讲清基本概念和基本原理的基础上，重点讲述设计原理和方法的运用，这样既能降低学生对课程内容的枯燥感，学生又能把时间和精力放在课程的主要内容上，从而使学生能在有限时间内较好地掌握课程基本理论知识及其应用。

（2）调整授课顺序，精简教学内容。目前的金属结构设计教材都是按照绪论、金属结构材料和性能、金属结构的连接、轴心受力构件、受弯构件、拉弯和压弯构件等章节顺序编排的，这种顺序编排虽然可以满足知识体系的完整性和系统性，但由于后三章中主要涉及构件整体稳定和局部稳定等一些比较抽象的概念，理论性强，若按教材顺序讲授，学生理解、掌握课程内容很困难。为此，在分析这三章内容及相互关系基础上，结合多年的教学实践，我们将授课顺序进行了调整，先讲受弯构件，由于受弯构件的构造和稳定性等内容是相对独立的，先讲这一章不会增加学生的学习难度，然后讲授轴心受力构件，最后再讲授拉弯和压弯构件，由于轴心受压构件和压弯构件的截面形式相似，两者都是受压构件，虽两种构件的整体失稳形式不同，稳定性计算也不同，但两者的内容具有一定的对比性，将这两章调整到前后顺序介绍，结合这种对比性进行课程讲授，可以大大提高学生的学习效率。如学生学习了轴心受力构件一章后，轴心受压构件的整体稳定概念已建立，在随后讲授压弯构件的整体稳定概念时，对比轴心受压构件整体稳定概念进行讲解，学生就很容易理解和接受压弯构件的整体稳定概念了。此外，由于前面课程已讲述了普通螺栓连接内容，因此，在金属结构连接一章中，我们把重点放在焊缝连接和高强度螺栓连接上，对普通螺栓连接内容只做简要介绍，避免了课程内容的重复，节省了授课时间，提高了授课效率。

2.改进教学方法和教学手段。教学方法是课程学习的核心。大学教育的中心任务不仅在于教什么，更在于怎么教，如何教得更好。为了将“金属结构设计”课程教得更好，针对课程教学中出现的上述问题，在整合规划课程教学内容基础上，我们课程组对课程教学方法和教学手段进行了改进，取得了较好的教学效果。

（1）案例教学法。案例教学是当前高校提升教学质量的重要手段。实践证明，案例教学利于强化学生对理论知识的理解与掌握，利于提高学生学习的主动性和热情，利于培养学生理论与实际相结合的思维能力。近些年来，我们课程组在课程教学中尝试了案例教学法，收到了良好的效果。例如在讲授金属结构连接一章时，我们适时引入了三峡工程中一大型临时公路桥主钢箱梁设计实例，该梁因跨度太大，需分三段制作，现场连接组装，设计时需进行段与段之间的连接设计，是采用焊缝连接还是采用高强度螺栓连接？如何设计计算？针对这些问题，组织学生对其进行分析、讨论，并提出自己解决问题的方法，最后由教师进行归纳总结，给出最后结果。通过这个工程案例分析，不仅加深了学生对金属结构连接理论的理解，调动了学生学习的积极性，而且培养了学生理论联系实际的思维能力。

（2）对比教学法。“金属结构设计”课程教学内容中，有些概念和内容之间存在着一定联系和区别，按照传统的依次讲授的方法讲解这些概念和内容时，学生常常概念混淆，难以理解和掌握，但采用对比的方法，将这些慨念和内容排列在一起，进行对比讲解，学生就能较快地理解和掌握了。

（3）利用现代化教学手段提高课程教学效果。现代化教学手段是传统教学的有效辅助手段，先进的教学设备和现代信息技术能使教学内容图文并茂，活泼生动，在增大信息传输量的同时，提高教学效果。在课程教学中。我们将现代化教学手段与传统教学手段相结合，根据教学内容和知识点的需求，将自制的和网上下载的工程实例图片及视频适时呈现给学生，结合图片及视频讲述课程内容。教学实践结果显示：将现代化教学手段融入课程教学，一方面能使学生在课堂直观地接触到工程实际，更好地理解掌握课程内容和相关知识点，实现理论学习与实践学习的完美结合，另一方面能消除学生的厌倦情绪，提高学生学习的积极性和主动性。

三、结论

课程教学改革是教育改革的组成部分，提升课程教学效果是每个任课教师的期望。本文在充分分析探讨了“金属结构设计”课程教学过程中出现的问题基础上，结合课程特点，提出了课程教学改革措施，并付诸了实施。几年的教学实践表明，合理整合规划课程教学内容，教学中适时融入案例教学法、对比教学法等，充分利用现代化教学手段，课程教学效果是可以得到明显改善的。该课程教学改革措施的进一步完善和实施，将对课程教学效果的全面提高和我校材料成型及控制工程专业本科应用型人才培养质量的提升产生极大的影响。

参考文献：

[1]燕怒.金属结构设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2012.

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《机械设计基础》是高职高专机械类、近机械类专业的一门重要的技术基础课，具有内容杂、知识点多、综合性、实践性强的特点。近几年来，由于生源质量下降，学生基础知识比较薄弱，在学习中他们普遍感到吃力。本人针对学生的特点，结合教学实践，对该课程的教学作了一些有益的探索，取得了一定的效果。

一、注重概念教学

概念多，是本课程的一个特点。难理解、难记、难区分是学生对概念的共识。怎样能把握概念？首先应给概念进行分类，一般可按识记、理解、应用三个层次列出所有概念，这样做，能使概念一目了然、主次分明，便于学生学习。其次，避免错误理解概念。由于新知识学习时对概念理解不透，或者由于知识间的相互联系，使学生对某些概念产生模糊、错误的认识，教学中必须澄清。如：构件与零件、机器与机构、螺距与导程、压力角与啮合角及分度圆与节圆等概念，教学中不能作简单处理。第三，注重概念的导入艺术。考虑学生认识的渐进性，有些概念不宜直截了当地介绍给学生。如：讲“ 死点”时，可由缝纫机为什么有时踩不动而引出，其效果迥然不同。如果再进一步引出死点在夹具及折叠桌椅上的应用，更加深了学生对死点这个概念的认识。第四，力求从本质上把握概念。如在凸轮机构、螺纹、蜗杆与蜗轮传动等都讲到“自锁”；连杆机构、凸轮机构及齿轮机构中都讲到“压力角”，从本质上看，这些概念都是一致的。从本质上把握概念，能提高学生的认识效率。

二、串接知识点

串接知识点就是以某一条主线将分布于不同章节的知识点联系起来。学生一接触《机械设计基础》就会产生“没有系统性”、“逻辑性差”等错觉，这是由于学生习惯了基础课的系统性所造成的。本课程中，虽然不同的研究对象所涉及的理论基础不同，且相互之间没有多大关系，但最终的研究目的只有一个，即设计出能应用的机构、零件等。本课程的各部分内容都是按照工作原理、结构、强度计算、设计、使用维护的顺序介绍的，有其自身的系统性。另外，串接知识点也要注意递进过程，遵循学生认知的习惯。如讨论轮系传动比计算时，应先讨论由圆柱齿轮组成的平面齿轮系，再讨论包含锥齿轮和蜗杆蜗轮传动的空间齿轮系。学习齿轮传动时，同样首先介绍直齿圆柱齿轮传动，再讲斜齿圆柱齿轮传动，最后讲锥齿轮传动及蜗杆蜗轮传动。

三、注重讲评环节

讲评是纠正学生错误认识，形成能力的一个重要教学环节。适时讲评有利于学生掌握解题策略、补缺知识的遗漏点、理清思路、建立严密的逻辑思维方式。讲评内容一般以综合性和实践性较强的题目为主（如：带传动的设计、齿轮传动的设计或轴的结构设计等）。讲评时，要鼓励学生大胆发表自己的观点，可调动学生的积极性、培养发散思维的能力，避免传统的“一言堂”授课方式，同时要实施因材施教、分层次指导。对成绩好的学生要给予独立思考、大胆创新、分散思维的空间，对成绩差的学生要给予反馈、补偿的机会。

四、采用直观教学手段

直观教学，是理论教学的极有效的辅助手段。在教学中，为了有助于学生学习，提高学生的理解力，尽量采用直观教学手段。在授课时，除了最大限度地利用现有教具外，还可以用简单材料做一些简单的“教具”。如：把硬纸板剪成条状，用铁丝做铰链，做成了“四杆机构”，借此启发学生分析铰链四杆机构曲柄存在的条件、铰链四杆机构类型的判断及其演化等内容，并要求学生课下亲手做四杆机构的模型，学生通过动手，使抽象内容具体化，不仅调动了学生学习的积极性，而且加深了对四杆机构的理解。在讲凸轮机构的工作情况时，我除了让学生观看凸轮模型外，还可用厚纸板剪出一个盘形凸轮模型，并用它画出凸轮在不同转角时从动件的运动情况，另外，也使学生较快地掌握了运用“反转法”设计凸轮轮廓曲线的方法，收到了较满意的教学效果。在讲螺纹时，用两张A4白纸，把一张沿长边卷成一个圆柱形纸筒，另一张沿对角线折成一个直角三角形，然后将直角三角形长的直角边与圆筒的底面对齐绕到圆筒的表面，直角三角形的斜边在圆筒表面形成的即为螺旋线，将直角三角形反一下面就改变了螺旋线旋向。这些方法非常简单，但是很适用，对学生了解基本概念和原理很有帮助。

五、加强与实践结合环节

《机械设计基础》是一门实践性很强的课程。为了使学生掌握好本课程所学的内容，提高学生分析问题和解决问题的能力，课后适时安排一些大作业和实验教学，以加强实践环节。讲了平面机构运动简图和机构的自由度后，安排学生做平面机构运动简图的绘制与分析实验，使学生初步掌握正确绘制一般平面机构运动简图的方法和步骤，并应用机构自由度的方法分析平面机构运动的确定性。讲了齿轮加工后，安排学生做渐开线齿廓的范成实验，使学生了解范成法加工渐开线齿轮齿廓的原理、齿廓产生根切现象的原因及刀具径向变位对齿轮齿形和几何尺寸的影响。做渐开线直齿圆柱齿轮参数的测定实验，学生可掌握用简单量具测定渐开线直齿圆柱齿轮基本参数的方法，并加深理解渐开线的性质及齿轮各参数之间相互关系的知识。学习了轴和轴承后，做减速器的拆装实验，通过拆装减速器，使学生熟悉减速器的结构，了解减速器的用途、特点及装拆的基本要求；可观察减速器中各零件的结构形状和功用，并分析其结构工艺性；了解减速器中零件的装配关系及安装调整过程；了解和密封的方法；学习减速器基本参数的测量方法；熟悉和掌握轴的结构及其设计；学习轴上零件常用的定位和固定方法；熟悉并掌握轴系结构设计的要求与常用的轴系结构；提高学生对轴的设计能力和轴承组合的设计能力。

学习了齿轮传动、带传动及轴后，分别布置设计齿轮传动、带传动和轴的大作业。全部课程学完后，安排一周时间进行课程设计，设计题目是：带式输送机传动装置中的一级圆柱齿轮减速器。学生通过这些实验、做大作业及课程设计，既能把相关各章所学知识通过大作业中的不同环节进行应用和技能训练，又通过大作业把各章内容相互联系起来。克服了过去学生会做作业而不会设计的毛病。通过带式输送机的结构设计和运动计算，学生对带式输送机如何由高速旋转的电动机带动，经带传动和齿轮减速器两次减速，最后要求的输送带的速度就一目了然了。又因轴的结构设计必须考虑轴上零件的安装和固定要求，所以，带轮、齿轮、轴承、联轴器应放在轴的什么部位，如何与轴固定都很清楚，轴的结构设计也变的好解决了。由于带传动设计时计算出对轴的压力，齿轮传动设计计算了齿轮的受力，以上各力如何作用在轴上，各力的方向如何，学生都很和清楚，弄清楚了问题的来龙去脉，所以取轴为分离体，求轴承的支反力，这个教学难点也就解决的比较好。

六、运用多媒体课件，提高空间思维能力

运用多媒体技术进行《机械设计基础》课的辅助教学，是目前机械设计教学中有效的现代化教学手段。多媒体技术具有声文并茂、二维动画和三维动画的特点，能祥尽形象地表示难点和重点及机构的运动过程，可以形象逼真地展示机构的运动过程及其结构特点。尤其是分析机构的运动情况时，利用多媒体课件教学，直观、形象并且一目了然，将抽象问题形象化。如果机构的某处结构不清楚时，可采用：“定格”和“特写”的方法，将活动的机构停下来并放大，详细观察和分析机构。运用多媒体课件，还可以随时讲解理论知识，演示机构运动过程，高效而省时。

参考文献：

[1]钟丽萍：《〈机械基础〉实验实训指导书》，北京大学出版社，2006.12。

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中国钢结构产业通过近几年的飞速发展，已成为钢结构大国。2016年两会期间，政府的工作报告中明确提出了要积极推广绿色建筑和建材，大力发展钢结构和装配式建筑。钢结构特点是抗震性能好、绿色环保、便于机械加工、便于装配，“十二五”期间，在住宅和中小跨度桥梁结构中，钢结构用钢量占钢产量的比例不到1%，远低于欧美发达国家的水平。所以，钢结构产业在我国发展的空间巨大。为满足钢结构产业发展，需要培养更多的钢结构专业人才。

一、钢结构教学面临的主要问题

1.教学学时不足。

近几年，随着钢结构工程规模的不断扩大、结构形式在不断创新，例如现在工程上应用比较多的索膜结构，对钢结构的教学内容提出了更高的要求，专业教学改革的方向是要进一步缩减理论课程教学学时。

2.教学内容难度增加。

钢结构工程引入新技术、新材料后变得越来越复杂。要学好这门课程，对学生的专业基础知识的要求提高了，例如结构的抗风抗震设计，需要结构动力学的知识，但现在专业基础理论课的课时一直在压缩，教学内容减少，学生的基础明显不佳。

3.学生对钢结构陌生、学习兴趣低。

学生普遍反映钢结构难学，主要原因是对钢结构陌生，在日常生活中，即使看到一个钢结构建筑，也难见到钢结构实体，尤其是钢结构节点构造，因大部分情况下钢结构都是外包装修的，不像钢筋混凝土结构，天天能接触，很熟悉。这降低了学生对钢结构的学习兴趣。

4.实践机会少，动手能力差。

因为钢结构建筑少，学生在整个实习过程中能够接触到钢结构工程的机会更少，不能把理论知识与工程实践有效结合起来，出现了学生能做课本上的习题，但和实际工程相结合后就没有头绪的现象，不能解决实际工程问题。

二、教学改革的主要内容

1.教学内容。

《钢结构设计》是土木工程专业建筑工程方向的学生学完《钢结构基本原理》课程后，对钢结构更深层次学习的课程，有些高校是以选修课的形式开设这门课程。教学内容主要包括钢屋盖结构设计、单层工业厂房结构设计、多高层钢框架结构设计、大跨度结构设计。教学过程中要注重以《钢结构设计规范》、《建筑抗震设计规范》、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》、《高层民用建筑钢结构技术规程》和《空间网格结构技术规程》为指导，重点讲解各类结构设计理论和计算方法的概念，解释规范条文，以及如何应用，具体的计算过程由学生自学。

2.加强与其他课程的联系。

《钢结构设计》与其他设计类课程有相近的地方，也有独自的特性。例如《混凝土结构设计》中也有单层厂房结构设计，其中结构体系、结构布置、结构组成和荷载传递方面的内容与《钢结构设计》相近，现在工业厂房中的吊车梁基本采用钢结构，吊车梁设计这部分内容安排到《钢结构设计》这门课程中重点讲解。另外，钢结构设计的特点就是稳定验算，包括整体稳定和局部稳定，这是钢结构学习的重点也是难点。同时要引导学生比较钢结构与混凝土结构的优缺点，通过对比加深对钢结构的认识。

3.理论与工程相结合。

在每种结构类型中引入一个案例，以工程实际为依托，介绍相应的钢结构设计软件与操作方法和施工图表达方式，通过实际工程的施工图教学生如何识图。钢屋盖结构、厂房结构和框架结构介绍PKPM软件，钢管结构介绍3D3S软件，网架结构介绍SFCAD软件。把实际工程引入课程后，不但丰富了教学内容，更指导学生如何把理论知识与工程应用联系起来，提高了学生对钢结构的学习兴趣。

4.课程设计。

课程设计是《钢结构设计》课程的一个关键环节，也是理论联系实际的一个重要途径，设计题目采用传统的钢屋架设计，但设计要求做了调整，提高了学生对软件操作的要求。例如计算书采用手算和电算相结合的方式，内力计算采用电算，杆件截面和节点的设计与验算采用手算，施工图采用软件绘制。教师在整个课程设计过程中要做好指导工作，培养学生发现问题、剖析问题和处理问题的能力。

5.课程考核。

一般本科院校土木工程专业主要是培养具有良好基础理论和系统专业知识，实践能力强，并有创新意识的应用型人才。对于《钢结构设计》这类实践性很强的课程，沿用传统的考试方式进行考核已经不适用，应采用考评的方式评价学生的学习效果。学生的课程成绩包括平时成绩和期末成绩，各占50%。平时成绩主要根据学生出勤、作业、回答问题和参与讨论的情况确定；期末成绩以大作业的形式考核，大作业是常规的设计题目，每位同学的数据不一样，例如跨度、檐口高度、柱距、吊车吨位等参数不全相同，最后抽20%的学生进行软件操作考核。采用这种考核方式，既能提高学生对课程的重视程度，又能注重平时知识的积累。

笔者近几年从以上几个方面对钢结构教学进行了初期的探讨与实践，发现学生学习钢结构的积极性明显提高，渴望获得专业知识和技能的意识明显增强，达到了良好的教学效果。