用现代设计方法树立机械设计新理念

摘要:本文探讨了在传统机械设计教学中,通过在课程设置上增加新的内容、在教学方法上强化实践环节、在思想理念上引导学生的新思维,让学生充分了解先进的现代设计方法和技术,对机械设计树立全新的认识和超前的意识。特别是通过多种形式的实践活动,激发学生对机械设计的学习兴趣和自主学习能力,培养学生综合运用先进技术进行创新设计的能力,用现代设计方法树立机械设计新理念。

关键词:机械设计;现代设计方法;实践;创新;素质教育

作者简介:张乃龙(1976-),男,山东郯城人,北京工业大学机电学院,讲师,工学博士,主要研究方向:数字化机械设计;乔爱科(1967-),男,山西平定人,北京工业大学机电学院,教授,工学博士,主要研究方向:CAD/CAE/CFD。(北京 100124)

基金项目:本文系北京工业大学教育教学研究(项目编号:ER2009-C-59)、北京工业大学2008研究生课程建设项目(项目编号:CR2008-B-007)的研究成果。

过去较长的一段时间以来,学生对机械专业普遍不感兴趣,这是不争的事实。原因是他们认为机械专业太古老、太枯燥、没有发展前途。而事实是随着计算机技术、信息技术的飞速发展,机械行业的现代设计方法和技术已逐步取代了传统机械设计的理念,先进的现代制造技术取代了传统的机械制造设备和工艺。高速度、高精密、机电一体化的机械,成为现代机械设计和制造发展的方向,而这仅靠传统机械设计方法是无法满足设计要求的,必须借助现代机械设计方法才能达到目的。现代机械设计必须充分利用数值分析、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、动态仿真、优化设计、可靠性设计、虚拟设计、三维造型、产品全寿命周期设计、制造企业信息化等更先进的方法和技术,才能适应新世纪机械行业的发展要求。新一代大学生只有掌握这些新技术在机械设计中的应用,才能适应未来形势的发展。而且随着国家对现代制造业的重视,现代机械专业人才将有很好的发展前途。所以,在高等学校的机械专业教学中,任课教师应当充分了解目前机械设计新技术的发展形势,用现代设计方法培养学生的机械设计新理念;让学生充分了解先进的现代设计方法和技术,对机械设计树立全新的认识和超前的意识;激发学生对机械设计的学习兴趣;培养学生综合运用现代设计方法和技术创造性地解决实际问题的能力;为国民经济的基础产业——机械行业培养高质量的现代化工程技术人才做准备。为此,我们在机械设计专业课程教学实践中采取了一些措施,进行了一些有益的探索。

一、在课程设置上增加新的内容

在市场经济环境下,必须对以往机械设计教育与市场脱节的现象加以改革。在加强基础理论课、技术基础课教育的基础上,更应重视实践课程、前沿学科、交叉学科的教育,并充分体现教学体系的科学性、完整性和先进性。

为了适应现代制造业和现代机械设计发展的需要,在机械设计专业的课程体系设置中,增加了许多现代设计方法课程,比如:数值计算方法、设计方法学、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、有限元分析、数据库技术、机构运动学和动力学分析、三维造型设计、虚拟设计、计算机应用软件的运用和开发等重要课程。以前学生反映,在课堂教学中学到的知识比较枯燥,虽然教师一再给学生强调所学课程知识的重要性,但学生总是缺乏直观的感受。因此,在以上这些课程的教学过程中,必须结合各种实践手段充分应用课程知识,让学生在实践中体会现代机械设计的新思路、新理念。

可以看出,以上这些课程涉及机械、数值计算、计算机、设计方法学以及软件工程等多方面的交叉学科知识。我们通过分层次地设置必修课、选修课、专业课程设计、新技术和前沿课题专题讲座等环节,系统性地、有重点地向学生传授现代机械设计方法、树立学生的现代机械设计新理念。一方面,通过这些课程培养学生掌握经典机械设计与现代设计相互渗透与融合的内容,强调参数设计、结构设计以及机械系统总体综合设计在现代机械设计中的重要性,培养学生多方案设计和再设计的能力,特别是突出总体设计思想,旨在培养学生的综合设计及创新设计能力。另一方面,还要引导学生尽可能地了解先进的现代机械代设计方法,重点讲述基于计算机求解的高精度的解析法和数值法,培养学生利用现代设计方法解决实际工程问题的能力;同时,引入基于CAD的智能化、集成化、标准化、网络化等现代设计理论、方法和最新科技成果,展示现代机械设计的广阔前景,激发学生的学习兴趣和创新能力。

二、在教学方法上强化实践环节

如何在教学环节中激发学生的学习积极性、培养学生的创新能力,是我们教师应该不断思考、不断尝试的问题。从教材内容改革、教学方法改革等方面来激发学生的学习兴趣是我们不断改革创新的目标。为对学生进行现代机械设计的训练,我们必须提供先进的教学和实验手段。在现代机械设计系列课程教学过程中,我们将现代设计方法和技术引入教学的各个环节,包括:课堂教学、实验教学、综合设计作业、课程设计、第二课堂、教学实习、毕业设计、产学研结合等,努力培养学生运用、开发现代机械设计方法和技术的兴趣及能力。

在教学研究方面,多年来我们一直致力于课程的教学改革,探索新的教学方法和手段,逐步引入了多媒体的教学手段。在实验室建设方面,引进了大批高质量的实验教学设备,并在此基础上进行了消化吸收和二次开发,使实验教学条件得到了巨大的改善,初步建立了设计性、综合性、多层次的新型实验教学体系。在此基础上,引入现代设计思想并结合先进的设计手段开展专业课程的教学工作。

1.课堂教学

采用多媒体CAI课件和CAD软件进行教学;开设了一系列现代机械设计课程;指导学生完成一系列专业课程大作业,既有系统性又有侧重点地将现代机械设计方法传授给学生。采用多媒体课件可以大大活跃课堂气氛,很受学生的欢迎,起到了寓教于乐的良好效果。

2.实验教学

要充分发挥实验室的作用,让学生积极、广泛地参与到实验室运用和建设中来,从实践教学中获得知识、提高能力。通过运用商业或自行开发的CAI和CAD软件,不仅让学生了解了传统机械设计实验的原理和方法,而且了解了机械、传感器、计算机软硬件、数据采集和数据处理等多学科知识。目前实验室装配有ADAMS、ANSYS、Techoptimizer、MATLAB、SOLIDEDGE、PRO/E、ABQUS、HYPERMESH、开目CAD等多种优秀的主流现代设计软件,学生在专业课程学习、课程设计、毕业设计等教学环节中,可以充分利用实验室的条件,及时熟悉新学的知识。

在以上环节中,学生不仅对运用CAI课件感兴趣,而且还有学生对软件的开发感兴趣。因此对开拓学生思路、激发学生思维都具有积极的意义。

3.课程设计

指导学生自行编制计算机辅助机构分析程序、应用CAD软件进行各种机械零件的设计,完成课程设计所要求的装配图、零件图和计算说明书等。鼓励学生利用课外学到的知识完成课程设计作业,更加灵活地安排教学内容和形式,让学生积极主动地分析问题、寻找解决问题的方法,培养学生自己动手的能力。

4.专业综合课程设计、毕业设计

指导学生应用专门的现代设计方法完成特定的、深入的研究和设计任务,对学生进行全面、综合的训练,从而达到培养高素质、应用型人才的目的。通过在高年级学生中实行“导师制”,可以让学生融入到导师的科研课题中去,让本科生和研究生形成一个研究梯队,让学生在这种钻研、进取的氛围中感受科技人员应有的素质和精神。在这一阶段,通过指导学生创造性地完成CAI和CAD等实际设计任务,可以让学生从具体问题出发,不断学习新的知识、掌握新的技能,养成自动学习和自主解决问题的良好习惯,逐步提高自身的素质。

5.课外活动

组织学生参加一些专题讲座和前沿课题的研究与实践,组织课题小组参加一些影响力较大、涉及面较广的创新设计竞赛活动,或者参与到全国性甚至国际性的大学生创新设计比赛、机械设计大赛、机器人大赛等设计竞赛活动中,让学生体会到机械学科的现实意义和发展前景。设计的灵魂是创新。通过让学生参加这些具有创新性、挑战性的工作,可以将“教”和“学”两方面结合得更紧密,互相促进,效果更好。近几年来,笔者所在北京工业大学学生在北京市机械设计大赛、全国机械创新设计大赛以及机器人比赛等重要比赛中都取得了优异的成绩,大大激发了学生学习和钻研现代机械设计的热情。

由此可见,在以上这些教学方法和环节中,强化实践教学环节很重要,而且效果较为明显。许多学生反映,在这些实践环节中所学到的知识,比大学前三年所学的知识更充实、更丰富。当然,实践环节并不能代替课堂教学,因为只有掌握了系统的学科知识,才能在设计实践中自觉提高设计水平。教学和实践应当很好地结合,才能培养出适应能力更强的人才。

三、在思想理念上引导学生的新思维

我国高等教育培养的学生,与国外的学生相比,缺乏创新的意识和能力,这与我国的教育体制是密切相关的。形势逼人,我们必须逐步建立合理的教育体系,改革目前的教育、教学方法,拓宽思路,积极利用现代设计方法,激发学生的创新思维意识,为学生适应未来千变万化的环境奠定基础。在如今的知识经济时代,意识的落后直接阻碍了技术和经济的发展。因此,教师除了向学生传授知识外,更重要的是让学生掌握学习新知的方法和先进的思维方式,让学生在大学四年中打好终身学习的基础。这就对新时代的教师提出了更加严格的要求。因此,机械专业教师应不断提高自身素质,同时要在各个教学环节中有意识地引导学生对现代机械设计的新认识,培养学生对现代机械设计的学习兴趣,树立现代机械设计新理念。通过整合课程内容、编写新的教材、探索新的教学方法、挖掘新的实验教学内容、完善实验教学管理机制、开展“产学研”相结合的实践、充分利用最新科研成果等途径,让学生感受到现代机械设计的勃勃生机。通过介绍现代机械设计中的新材料、新工艺、新技术等,向学生灌输新的意识。同时,通过以上的各种教学手段、教学环节,特别是实践环节等,训练学生自主分析问题、解决问题的能力,让学生在实践中体验成就感,树立自信心。在事实面前让学生体会形势的发展,培养学生对机械专业的兴趣。

四、小结

综上所述,对于传统的机械专业教育,我们必须与时俱进,找准它与现代科学技术的结合点;积极更新教育教学观念,让学生充分了解先进的现代机械设计方法和技术,用现代设计方法树立机械设计新理念,激发学生对机械专业的学习兴趣,才能更好地为国家培养市场急需的、适应能力强的、高素质的复合型机械专业人才作贡献。

(责任编辑:刘辉)