培养机械设计能力的方法

【摘 要】设计是一种创造性的实践活动.对于工科学生而言,如何在教学中培养学生的创新设计能力至关重要.本文简要就《机械设计基础》课程教学过程中所采用的案例分析法、类比总结法、逆向思维法和“三最”法,探讨高职高专机械类和近机类专业学生的机械创新设计能力培养的教学实践方法.

【关 键 词】机械设计创新能力教学方法

《机械设计基础》作为高职高专机械类和近机类专业一门重要的技术基础课,其主要任务是培养学生掌握常用机构和通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律,具备设计一般简单机械和应用标准、规范、手册、图册等技术资料的能力.如何激发学生的学习热情,使学生具备良好的创新意识和一定的机械创新设计能力,为将来的工作打下坚实的基础,一直是我们教学改革和研究的重点内容.通过近几年的教学探索和实践,笔者总结了几点行之有效的教学方法.

1案例分析法

“兴趣是最好的老师.”创新能力的培养首先是激发学生的创新兴趣.我们通过在课堂上引入工程实例及全国大学生机械创新设计大赛的优秀作品,并在实践教学环节开放实训基地及实验平台,很好地调动了学生的积极性.

《第四届全国大学生机械创新设计大赛决赛作品选集》中收录了沈阳工业大学机械工程学院设计的便携式万向千斤移.该千斤移巧妙地利用了可控双向棘轮的特点,设计了平移和旋转重物的机构[1].在间歇运动机构这一章的教学中引入该实例,并在实训实验环节让学生对比分析普通千斤顶和该便携式万向千斤移,丰富了教学案例,拓展了学生视野,提高了教学效果.

通过对大量成功的机械创新设计实例的分析来介绍机械创新设计方法是我们在教学过程中的具体做法.因为这些方法正是通过这些成功的创新设计实例表现出来的,通过对这些具体、生动实例的分析,使学生能够更容易理解和掌握这些创新方法,也更容易激发大家参与创新实践活动的兴趣和自信心.学生认识到以自己的知识技能水平进行创新设计是完全有可能的,学习主动性大大增强.

2类比总结法

传动装置作为机械系统中最重要的组成部分之一,其传动形式分为机械传动、流体传动（液压及气压传动）和电力传动.而《机械设计基础》主要学习各种常用机械传动机构的原理及设计.机械传动能适应各种运动和动力的应用要求,得益于各种机构的各类演变.把握了运动及动力传递的各种机构的特点,就能从根本上学好《机械设计基础》.因此从传动的本质入手,让学生在运动及动力传递形式的类比总结中对所学知识系统吸收,是学好本门课程,培养创新设计能力最有效的方法之一.

《机械设计基础》中机械原理的部分主要包括平面连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构、齿轮机构、蜗轮蜗杆及螺旋机构等.从运动形式的转换来看,能实现往复直线运动和圆周转动之间相互转换的机构有曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮齿条、蜗轮蜗杆和螺旋机构等.然后在这些机构中,分析比较传动角与压力角,很容易看出每种机构在传动中的优缺点.比如：铰链四杆机构有最小传动角的要求,凸轮机构要求最大压力角小于或等于许用压力角等.

从传力的大小来看,凸轮和齿轮这样的高副机构因为是点或线接触,易磨损,所以没有铰链四杆机构在传力大的场合应用广泛.

从运动速度的方面研究,曲柄摇杆机构有急回特性,为了定量研究,就引入了行程速比系数和极位夹角的概念.凸轮机构从动件的运动规律有等速运动规律、等加速等减速运动规律、简谐运动规律、摆线运动规律等.齿轮机构则有适用的速度和功率范围广的特点.

还可以从是否可以实现空间传动及传动的角度、传动比、传动效率等不同方面进行总结分析.让学生在庞杂零碎的知识点中间找到一条线索,理清思路.可以采用同学们喜闻乐见的形式,比如就传动比这一个单项对所学传动形式进行比较排序.采用类比总结法对于带传动和链传动、齿轮传动和蜗轮蜗杆这样的章节,教学效果尤为明显.教师可根据实际情况给学生布置专题研究.通过类比总结法可以有效培养学生思维的开放性、多向性及自由性,而这些正是创造性思维的基本特征[2].

3逆向思维法

通过逆向思维的训练,让学生灵活应用基本机构.逆向思维对于培养创新能力极为重要.在《机械设计基础》这门课程中,很多机构的演变都是逆向思维的结果.螺旋传动的实例最为明显.普通螺旋传动的应用形式有：螺母不动螺杆回转并作直线运动,如台虎钳；螺杆不动螺母回转并作直线运动,如千斤顶；螺杆回转螺母作直线运动,如机床工作台；螺母回转螺杆作直线运动,如应力实验机观察镜螺旋调整装置.

曲柄摇杆机构中一般都是曲柄做主动件,如果逆向思维,让摇杆做主动件,则会出现死点位置.死点虽然不利于传动,因为其压力角α等于90°,即传动角γ等于0°.然而运用逆向思维,利用死点的特性来工作,就有了夹紧机构.

4“三最”法

通过“三最”法,即课程学习中涉及到的有关最大、最小、最优的问题,发散学生思维,培养学生的创新能力.曲柄滑块机构就是由曲柄摇杆机构中的摇杆长度增至无穷大演变而来的,还有齿轮齿条中的齿条也是将齿轮半径增至无穷大演变而来.这是“最大”的例子.而曲柄摇杆机构中极位夹角θ最小为0°时,行程速比系数为1,即说明该机构不再具有急回特性.最优的问题,恰恰是机械设计的核心.机械创新设计包括两个部分：一是改进完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、经济性、实用性等；二是创造设计出新机器、新产品,以满足新的生产或生活需要[3].而机构的优化设计就是推陈出新的法宝.通过“三最”法,让学生在所学普通问题中发现特殊情况,对特殊情况进一步研究,找到普遍与特殊的关系,寻求突破口,找到创新点.

机械创新设计是推动人类文明进步的事业.从事机械创新设计工作需要掌握一定的机械设计知识,需要了解创新设计的方法,需要有克服困难的勇气,更需要有对追逐成功的兴趣.提高创新设计的水平需要不断学习新的知识和方法,更需要不断地参与创新设计的实践活动,从实践中学习和领悟.能够通过《机械设计基础》的教学激发学生的创新热情,培养学生的创新意识,开发学生的创新潜能,对于学生学习后续课程和将来的工作实践都有着至关重要的意义.“想象力比知识更重要.”如何在教学中形成一整套系统的创新设计理论方法,将是我们以后的努力方向.