浅议现代设计方法在机械设计制造及其自动化专业教学中的应用

　　机械设计制造及其自动化专业培养具备机械设计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。目前我国的制造业已进入了一个新的发展时期，由以前的仿制为主转为自主创新、自主研发阶段，但机械产品种类众多，许多机械产品结构复杂，由几十、几百甚至成千上万个零部件组成，若采用传统的设计计算方法和手段，设计周期长、设计成本高，无法满足市场需求，而先进的三维数字化设计、优化设计、有限元分析、动态仿真模拟等现代设计方法以其准确、快捷和高质量的特点被越来越多的企业所采用。因此，培养高素质创新人才是时代对高等学校机械设计制造及其自动化专业提出的迫切要求，需要从培养目标、培养方案和教学组织管理等方面对机械设计制造及其自动化专业的创新人才培养模式进行研究与实践，加强计算机三维辅助设计、优化技术、有限元分析技术、动态仿真模拟等技术理论和实践能力培养，满足社会对应用型、复合型、创新型机械设计制造及其自动化专业人才的培养要求。为此，必须对机械设计制造及其自动化专业方向的课程体系进行整体优化，将现代设计方法融入课程群。
　　1调整培养计划，增设现代设计方法的课程
　　现代设计方法是在继承和发展传统设计方法的基础上，随着计算机技术的飞速发展和广泛应用，融汇新的科学理论和科技成果而形成的一个新兴的设计学学科，经过几十年的发展到现在已有包含创新设计、优化设计、可靠性设计、有限元设计、产品生命周期设计和动态设计等在内的几十种设计方法。现代设计方法学科包含的内容很多，但专业培养计划中的总学时数是有限的，并且在专业的知识体系结构需要通过公共基础课、专业基础课和专业课等多种课程来构建。因此，需要权衡多方面的因素，精心规划课程组合，以达到将现代设计方法的知识融入专业的知识体系结构中的目标。
　　最终确定以《机械创新设计》、《系统可靠性设计》、《机械CADCAM》和《机械优化设计》四门课作为专业任选课的核心课程群。《机械创新设计》课程介绍机械创新设计的表达方法、机械创新设计的选题、功能原理创新设计、机构创新设计、结构创新设计、一般创新设计技法、创造力开发和创新失误分析等内容。《系统可靠性设计》课程介绍保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的机械设计方法，包括产品的可靠性的预计、分配、技术设计和评定等内容。《机械CADCAM》课程介绍机械CADCAM技术基础、机械CADCAM数据处理、机械设计与加工、机械CADCAM建模和数控加工基础等内容〔7〕。《机械优化设计》课程介绍优化设计概述、优化方法的数学基础、一维搜索方法、基于导数的优化方法、非导数优化方法、线性规划方法、优化设计实用技术、机械优化设计常用软件等内容。
　　《机械创新设计》、《系统可靠性设计》、《机械CADCAM》和《机械优化设计》这四门课程所介绍的现代设计方法都是目前在制造企业应用较为广泛的技术，通过这些课程的学习，有助于学生对现代设计方法有一个较深入的认知。
　　2在其他教学环节中融入现代设计方法
　　由于培养计划的限制，只能在专业任选课中开设几门课，这对全面了解现代设计方法来说是不够的，因此还需要在其他课程中融入现代设计方法的内容。
　　首先是关于现代设计方法的整体性介绍。由于培养计划中没有单独开设这门课，因此，在《机械设计》课程中，结合其中设计总论的内容，专门用2个学时对现代设计方法做一个概述，使学生对现代设计方法有一个较为全面的初步了解。通过这样的概述，结合《机械设计》课程的学习，调动学生进一步了解现代设计方法的兴趣，为学生在后期进行专业任选课的选择做引导。
　　其次是在其他课程中结合课程内容的特点融入一些现代设计方法的知识。例如：在《工程力学》课程中，结合力学分析的内容融入有限元分析方法，将传统的力学分析计算与利用计算机辅助进行的有限元分析放在一起。先通过用有限元分析方法对一些力学分析算例进行验算的过程使学生掌握有限元分析方法的一些基础知识。然后，布置一个大作业，利用有限元分析方法对传统力学分析无法完成的算例进行分析，从而使学生对有限元分析方法的应用有一个较清晰的认识。
　　另外，在实践教学环节中加入现代设计方法的内容。现代设计方法是一门应用型学科，因此，在实践教学环节中加入一些现代设计方法的内容是将现代设计方法融入学生的设计思维的重要环节之一。当然，具体实施的时候也要考虑实践教学环节本事的特点，例如：在《机械原理课程设计》中可以将现代设计方法中的动态设计内容融合进来，要求学生在设计机构运动方案时利用仿真软件进行动态仿真；在《机械设计课程设计》中可以将现代设计方法中的有限元分析和优化设计内容融合进来，要求学生在结构设计中利用有限元分析软件进行受力分析，采用优化设计方法对一些结构参数进行优化设计；在《毕业设计》中可以结合毕业设计的题目将现代设计方法中的内容融合进来，提升学生运用现代设计方法进行机械设计的能力，培养学生运用现代设计方法进行机械设计的习惯。
　　3现代设计方法在辅助教学上的应用
　　除了开设现代设计方法的相关课程和在其他教学环节中融入现代设计方法这两种方式之外，还可以在一些相关课程的教学中运用现代设计方法辅助教学。
　　在一些理论课程的课堂教学中，可以利用三维CAD技术和三维运动仿真技术等现代设计方法来辅助教学。例如：在《工程图学》的课堂教学中，可以利用SolidWorks等三维CAD软件辅助教学。在介绍组合体构形的内容时，可以在三维CAD软件中操作展示叠加、切割、相交、拉伸和旋转等常见的组合体构形方法，相对于传统的图片展示更为直观生动，同时也展现了利用三维CAD软件生成三维立体的过程。在介绍表达方法的内容时，可以利用三维CAD软件中的剖视命令演示立体的全剖、半剖、局部剖和断面图等表达方法的实现过程，可以帮助学生在掌握制图中表达方法知识的同时也了解在三维CAD软件怎样进行剖视图的生成。在介绍装配图的内容时，可以利用三维CAD软件演示由零件装配组成装配件的过程，使帮助学生在掌握产品装配知识的同时也了解在三维CAD软件怎样装配产品。又如：在《机械原理》的课堂教学中，可以利用三维运动仿真软件辅助教学。在介绍平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系和其他常用机构的内容时，以前讲课时只能采用黑板画图和挂图，急回、慢进、偏置和对心等运动状态完全依靠老师的讲解和学生的想象，空间思维能力较差的学生只能死记硬背，很难彻底理解。借助三维运动仿真软件，建立机构的装配体模型，动态模拟机构运动的情况，让学生生动、形象地了解运动情况及产生的原因，学生既容易理解，还记得牢，深受学生的欢迎。
　　在一些实践教学环节中，同样可以利用虚拟仿真技术和三维运动仿真技术等现代设计方法来辅助教学。例如：在《工程制图测绘》中，利用三维CAD软件建立齿轮泵和减速器等的零件和装配模型，再利用虚拟仿真技术建立齿轮泵和减速器的模拟拆装环境，采用虚拟环境模拟加实际动手拆装的方式相结合，能减少实际拆装时的问题，达到提高教学质量的目的。在《机械原理》课程的机构动力学调速及动平衡实验中，可以利用虚拟仿真技术构建实验台的虚拟操作环境，学生可以利用虚拟实验台先熟悉具体的实验操作，从而达到节约实验时间和提高教学质量的目的。在《机械原理》课程的机构动力学调速及动平衡实验中，可以利用虚拟仿真技术构建实验台的虚拟操作环境，学生可以利用虚拟实验台先熟悉具体的实验操作，从而达到节约实验时间和提高教学质量的目的。在《机械原理》课程的机构传动系统设计实验和机构组合创新实验中，利用三维CAD软件建立实验时需要用到的所有构件的三维模型，再导入三维运动仿真软件中建立实验仿真平台，学生可以利用实验仿真平台先搭建预想中的机构，并通过运动仿真验证所搭建机构是否所需，可以大量节约节约实验时间，也为一些有兴趣的同学去搭建更多不同的机构创造了条件。
　　4结论
　　针对社会经济发展对机械设计制造及其自动化专业人才的实际需求，以现代设计方法为核心，建立现代机械设计创新人才的培养体系。调整培养计划，增设《机械创新设计》、《系统可靠性设计》、《机械CADCAM》和《机械优化设计》四门课作为专业任选课的核心课程群。在《机械设计》课程中对现代设计方法做一个概述，在《工程力学》、《机械原理课程设计》和《毕业设计》等相关的理论和实践课程中结合课程的特点融入现代设计方法的部分内容；在《工程图学》、《机械原理》和《工程制图测绘》等相关的理论和实践课程中应用现代设计方法辅助教学。经过几年的实施，该体系能有效地将现代设计方法融入到机械设计制造及其自动化专业的教学和实践中，使学生能够更好地满足社会需求，更能突出我校机械设计制造及其自动化专业学生的实用特色。