新工科背景下机械设计基础课程教学探索与实践

2022-03-21版权声明我要投稿

  摘要:在新工科背景和应用型本科对机械类专业创新人才提出的新要求下,针对机械设计基础这一门传统的专业基础课,结合应用型人才培养、创新案例,丰富机械设计基础课程教学;采用计算机仿真技术,从产学研的角度,使学生认识现代机械工程中新技术的应用与发展,培养学生利用机械设计理论及技术解决工程应用的能力。

  关键词:新工科;机械设计基础;探索;实践;

  新工科的理念是对工程教育的创新与升级,同时新工科建设要求坚持问题导向,着力提升学生工程实践能力和创新能力[1]。新工科的建设提出要重点培养学生的实践能力,使其具备较强国际竞争力的复合型“新工科”人才;也就是说“新工科”人才不仅仅在自己的专业学科领域拔尖,更要融合“学科交叉”,力争培养综合型应用型人才。教育部在2017年对现代工科教育教学改革提出了新的要求,并指出要围绕着“新理念、新结构、新模式、新质量、新体系”开展[2]。课程教学以因材施教为主,而作为培养人才的重要环节,要结合当下新工科的理念,在原有教学方法的基础上进行改革,增加适应时代发展的新教学方法[3]。

  机械设计基础是机械类专业的重要专业基础课,该课程重点培养具备机械设计制造基础知识与应用能力,要求毕业生具备在工业生产第一线从事机械工程领域内的设计制造、创新发展、应用研究、运行管理和经营销售等综合方面工作的高级技术人才。在实际授课中,该课程概念和公式多,内容难度比较大,对数学等基础要求高。因此在新工科建设的背景下,积极开展机械设计基础课程的教学改革,适应当下应用型创新型人才的培养,更好的适应区域经济的发展需求。本文从教学内容及方法、工程实践及产学研等几个方面就机械设计基础课程教学改革进行了一些探讨。

1 提升教学大纲质量

  教学大纲是机械设计基础课程教学活动的纲领,同时也是落实课程教学目标达成的基石[4]。在传统教学大纲以学时、教材为依据,确定课程内容和教学目标的基础上,提出适应新工科建设的方案,其制定过程如图1所示。

  根据图1中课程大纲制定流程,对机械类专业的机械设计基础课程大纲进行全面修订,包括以自评和外评两种方式的联动机制去明确每学年的课程目标,并以多种形式来支撑自评和外评方案。这种联动机制很好的保障了评价方案的适应性,很好的满足了新工科的建设要求。

  机械类相关专业机械设计基础的课程目标具体如下:

  (1)知识与技能目标:树立正确的设计思想和创新意识,了解国家当前的有关技术经济政策;掌握常用机构和通用零部件的设计原理和设计方法,掌握机械设计的一般规律,具有设计机械传动装置和简单机械的能力;掌握典型机械零件的结构设计和承载能力计算;培养运用标准、规范、手册、图册,查阅和使用有关技术资料的能力;掌握典型常用机构和机械零件的实验方法,获得实验技能和创新技能的基本训练。

  (2)过程与方法目标:在学习常用机构和通用零件的结构特点、工作原理、设计理论和计算方法等内容的过程中,使学生的思维和分析方法尽可能联系实际工程问题得到一定的训练,培养学生综合分析和处理实践工程问题的能力。

  (3)情感、态度与价值观发展目标:通过本课程的系统学习,同时要培养学生严谨的科学态度和积极向上的价值观。

2 以虚拟仿真技术培养核心能力

  随着互联网与计算机虚拟仿真技术的飞速发展,同时也为工程机械类专业的教育教学丰富了一个新的途径[5],同时也可丰富课堂色彩及效果。应用型人才所具备的核心能力有以下几点:

  核心能力1:应用数学、基础科学和机械工程专业知识的能力。

  核心能力2:设计、执行和创新实验,以及分析与解释数据的能力。

  核心能力3:具备从事机械工程领域所需专业技能与技术,以及较强的动手能力。

  核心能力4:机械产品、工艺流程以及机械系统的设计能力;

  核心能力5:积极参与学科竞赛,并具备较强沟通协调与团队合作能力;

  核心能力6:具备分析与解决复杂机械工程问题的能力。

  例如在讲授平面连杆机构时,连杆机构的运动学和动力学是连杆机构教学中的一个难点问题,所以在讲授中引入简单的PUMA机器人的运动控制和建模实例。首先引导学生通过3D建模软件建立PUMA机器人运动控制模型,如图2所示,对工业机器人运动学、动力学以及轨迹的规划进行了详细分析。其次用D-H方法建立机器人手臂的动力学方程并建立其速度雅可比矩阵,掌握了PUMA机器人的运动学分析方法。最后运用运动学反解法在MATLAB中编程计算其余五个关节的位置、运动轨迹。

  课程引导结束时,学生经推导可以得出的结论有:

  (1)建立机器人手臂的动力学方程,并通过求解动力学方程得到各构件随时间变化的力与运动的关系。

  (2)根据运动学和逆解方程在MATLAB中编程求解得到末端位姿矩阵和各关节的转动角度。

  (3)根据PUMA机器人末端的目标位姿,以及有关运动轨迹的约束条件与简单描述规则,计算出按照描述所要求的轨迹,简化了系统中复杂的数学问题的编程步骤。

  (4)通过程序得到机器人正解,运用绘图绘制出了各关节的运动平滑曲线,如图3~图4所示为具有典型特征关节的转动角随时间的变化曲线。

  (5)结合虚拟仿真软件NX8.0的运动仿真模块,通过UG的建模功能建立3D实体模型,利用UG的运动仿真功能设定3D模型的各个部件的运动学特性。其运动仿真如图5所示。

3 以产学研增强学生的创新能力

  机械设计基础课程的根本任务是分析、解决机械工程中遇到的实际问题,因此在实际授课中要引入产学研的案例来提升学生的创新能力;产为企业生产中的问题,学为课堂授课相关知识和设计思路,研为对具体的问题通过虚拟仿真、试验样机等手段对设计的装置进行研究论证方案。

  实例:某型号的电机滚筒在实际输送煤炭的过程中端盖和滚筒之间的焊缝失效断裂,导致其分离的问题。

  在课堂上讲授现代机构设计应用法时,引入该实例目的是设计一种自动焊接装置来解决手工焊接出现焊缝不均匀导致电机滚筒失效的问题,同时给出学生思路,让学生分组实施;首先引导学生通过搜集相关信息了解滚筒电机的原理,然后通过分组拟定自动焊接装置的方案,通过各个小组的方案对比选出较优的2~3个方案;然后根据方案设计出3D图样,通过虚拟仿真软件对自动焊接装置的运动学及动力学等特性进行研究,验证方案的可行性;其次将方案提交企业,企业通过现有技术生产制造试验样机,开展试产前的实验,进一步验证确定该失效问题是否得到优化解决;最后通过试验研究后得到可行的结论后再将最终的方案应用到解决实际问题中。在整个解决问题的过程中,学生的各项能力也得到了提高,同时鼓励学生将自己设计的装置申报专利和科研论文。在解决问题和教学的同时,也实现了产学研整个流程。

  在课程教学改革中,以解决问题实例和培养应用型创新人才为主线,通过产教融合、校企合作、协同培养等多种模式来实现产学研的整个过程,以此来增强学生的创新能力。通过与实践相结合的模式,让课堂教学进入到企业实践应用中,这样就形成了应用创新型人才的新模式。

4 与时俱进的课程教学内容

  机械工程是一门蓬勃发展的学科,涉及到国计民生的方方面面,随着科学技术的进步,各行各业涌现出越来越多的新的机械工程问题,这也激励着作为这门课程的教师,要有与时俱进的思想,同时在课程教学内容中也要随着不断变化的科技进步与时俱进,同时不断地丰富机械设计基础的研究内容。

  这就要求教师在上每一节课之前对教学内容、体系、结构要不断补充和优化,在课堂教学中一方面要清楚的讲授机械设计基础的基础知识和理论,同时对传统讲授的内容要精简;另一方面将精简出来的课堂时间用来不断更新知识体系,穿插讲授学科发展中的新方向、新问题:比如月球探测小车的设计案例,这是我国在探月工程中遇到的前所未有的新问题,怎么去设计,怎么去论证?在课堂中将这些问题抛给学生,积极引导学生的课外学习兴趣,设计方案;同时结合虚拟仿真技术,让同学们学以致用,将探测车用3D的方式呈现出来,在通过工程软件将所学知识应用于工程实际问题中,并大胆的提出创新方案并且有效的应用。

5 结语

  在新工科背景的要求下,应用型创新人才的培养要求通过改革教育教学方式,提高应用型人才的运用新技术解决工程问题的能力。本文结合机械设计基础的教学过程,从课程教学内容、教学手段入手,通过虚拟仿真技术、工程机械案例,使学生充分认识机械工程学科中新技术的应用与发展,同时培养学生使用新技术手段解决分析机械工程问题的能力。

参考文献

  [1]高晓娟,牟莉.新工科背景下以学科竞赛为载体培养创新能力[J].黑龙江教育(理论与实践),2021(04):37-38.

  [2]刘剑平,夏换.共生理论视角下“新工科”融合创新发展研究[J].黑龙江高教研究,2021,39(04):19-24.

  [3]郝亮亮.基于铸造实验室开放平台的应用型人才培养探索[J].铸造设备与工艺,2020(03):58-61.

  [4]刘小勇,李荣丽,杨慧香,等.新工科背景下基于OBE理念的机械原理改革研究[J].机械设计,2020,37(S2):23-26.

  [5]王龙庭,石永军,姜浩,等.工程机械虚拟仿真实验教学平台设计[J].实验技术与管理,2019,36(09):116-119.

  [6]李建强.大型铸钢件凝固过程数值模拟参数值优化[D].哈尔滨工业大学,2011:11-12.

作者:张杰 单位:太原科技大学能源与材料工程学院

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