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1、“机械设计机械设计”课程的再改革课程的再改革华中科技大学华中科技大学吴昌林吴昌林2012-5-12教学改革历程“机械设计”国家级精品课程，教育部，2003机械基础课程教学基地机械设计双语教学课程建设，教育部，2006机械实验教学示范中心，教育部，2006机械基础系列课程教学团队，教育部，2007获 奖国家级教学成果一等奖，2001、2005国家级教学名师奖，2006国家级教学成果二等奖，2009宝钢优秀教师特等奖，宝钢教育基金，2008一、知识传授与自主学习一、知识传授与自主学习知识传授与自主学习近年来，认知学习理论的一个重要分支-建构主义学习理论在西方逐渐流行。由于多媒体计算机和基于Inte
2、rnet的网络通信技术所具有的多种特性特别适合于实现建构主义学习环境，换句话说，多媒体计算机和网络通信技术可以作为建构主义学习环境下的理想认知工具，能有效地促进学生的认知发展，所以随着多媒体计算机和Internet网络教育应用的飞速发展，建构主义学习理论正愈来愈显示出其强大的生命力，并在世界范围内日益扩大其影响。知识传授与自主学习“学习”的含义知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助学习是获取知识的过程其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。知识传授与自主学习由以上所述的“学习”的含义可知，学习的质量是学习者建构意义能力的
3、函数，而不是学习者重现教师思维过程能力的函数。换句话说，获得知识的多少取决于学习者根据自身经验去建构有关知识的意义的能力，而不取决于学习者记忆和背诵教师讲授内容的能力。知识传授与自主学习关于学习的方法建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习，也就是说，既强调学习者的认知主体作用，又不忽视教师的指导作用，教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的传授者与灌输者。学生是信息加工的主体、是意义的主动建构者，而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。知识传授与自主学习学生要成为意义的主动建构者，就要求学生在学习过程中从以下几个方面发挥主体作用：要用探索法、发现法去建构知识的意义；在建构意义过
4、程中要求学生主动去搜集并分析有关的信息和资料，对所学习的问题要提出各种假设并努力加以验证；要把当前学习内容所反映的事物尽量和自己已经知道的事物相联系，并对这种联系加以认真的思考。“联系”与“思考”是意义构建的关键。如果能把联系与思考的过程与协作学习中的协商过程（即交流、讨论的过程）结合起来，则学生建构意义的效率会更高、质量会更好。协商有“自我协商”与“相互协商”（也叫“内部协商”与“社会协商”）两种，自我协商是指自己和自己争辩什么是正确的；相互协商则指学习小组内部相互之间的讨论与辩论。知识传授与自主学习教师要成为学生建构意义的帮助者，就要求教师在教学过程中从以下几个面发挥指导作用：激发学生的学
5、习兴趣，帮助学生形成学习动机；通过创设符合教学内容要求的情境和提示新旧知识之间联系的线索，帮助学生建构当前所学知识的意义。为了使意义建构更有效，教师应在可能的条件下组织协作学习（开展讨论与交流），并对协作学习过程进行引导使之朝有利于意义建构的方向发展。引导的方法包括：提出适当的问题以引起学生的思考和讨论；在讨论中设法把问题一步步引向深入以加深学生对所学内容的理解；要启发诱导学生自己去发现规律、自己去纠正和补充错误的或片面的认识。知识传授与自主学习建构主义学习理论强调以学生为中心，认为学生是认知的主体，是知识意义的主动建构者；教师只对学生的意义建构起帮助和促进作用，并不要求教师直接向学生传授和灌
6、输知识。可见在建构主义学习环境下，教师和学生的地位、作用和传统教学相比已发生很大的变化。在这种情况下，如果仍然沿用传统的教学设计理论与方法来指导，显然是不适宜的。二、二、主动实践与被动实践主动实践与被动实践“被动实践被动实践”与与“主动实践主动实践”“被动实践”与“主动实践”不是作为哲学概念提出的实践：学生参与的实践性教学环节被动、主动：学生参与实践的心态、状态、程度二种实践性教学模式二种实践性教学模式 课程教学中的实践性教学环节： 课堂讨论 作业（练习） 大型作业 实验 大型集中实践性教学环节： 军训 校内实习（电工实习、金工实习） 校外实习（认识实习、生产实习） 课程设计 毕业设计二种实践
7、性教学模式二种实践性教学模式 导致学生被动参与的教学模式 教师主导、带动、牵引 1、提出目标、任务 2、提供（规定）方法；给出实例 3、督促实施、解答疑问 学生理解、跟随 1、明确任务 2、掌握方法；吃透实例 3、遵循方向，完成实践 二种实践性教学模式二种实践性教学模式 引导学生主动参与的教学模式 教师引导 1、提出目标，不规定任务 2、不规定方法；不给出实例 3、督促实施、解答疑问 学生主动参与 1、明确目标，提出任务 2、寻找方法 3、边学边干，完成实践 二种实践性教学模式二种实践性教学模式 二种教学模式下的评价体系 导致学生被动参与的教学模式 1、看重与程式方法的符合度 2、看重结果的完
8、成度 引导学生主动参与的教学模式 1、不拘泥与程式方法的符合度 2、不看重结果的完成度 3、看重对方法（路径）的找寻过程 4、看重结果的创新度 三、基于主动实践的三、基于主动实践的“机械设计机械设计”课程改革课程改革“机械设计机械设计”课程能力设计课程能力设计课程能力设计:本课程的主要任务是通过课程教学与实验、实践环节培养学生具有：机械工程科学知识的应用能力；设计机械系统、零部件的能力；对于机械工程问题进行系统表达、建立模型、分析求解和论证的能力；在机械工程实践中初步掌握并使用各种技术、技能和现代工程工具的能力。“机械设计机械设计”课程教学要求课程教学要求教学要求：掌握通用机械零件的设计原理、
9、设计方法和机械设计的一般规律，突出创新意识和创新思维的培养，具有基本的机械系统设计能力；了解国家当前的有关技术经济政策，树立正确的设计思想；具有应用计算机辅助机械设计的能力；具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力；掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；了解机械设计发展的新趋势。“机械设计机械设计”课程现状课程现状本课程存在的主要问题：（1）课题讲授内容囿于教材范围，对于机械零部件的许多新的发展未能及时地给与介绍，课程内容落后于时代。（2）学生的课程练习主要是巩固课堂知识，练习内容单一，多年教学中发现学生作业互相抄袭的现象屡禁不止，愈演愈烈。（3）学生学习不主动，学习兴
10、趣未调动起来，对于实现本课程目标中学生能力的培养有影响。“机械设计机械设计”课程现状课程现状 课程作业 被动式模式 1、题目:试设计提升机构上用的闭式直齿圆柱齿轮传动。 3.6试设计提升机构上用的闭式直齿圆柱齿轮传动。已知：齿数比u4.6，转速n1730r/min，传递功率P110Kw；双向传动，预期寿命5年，每天工作16h；对称布置。原动机为电动机，载荷为中等冲击；Z125，大，小齿轮材料均为45钢，齿轮精度为8级，可靠性要求一般。解（1）按使用条件，它属于中速，中等冲击，可靠性要求不高，故选软齿面齿轮。小齿轮：45钢，调质处理，硬度为230MPa。大齿轮：45钢，正火处理，硬度为200Mp
11、a。（2）确定许用应力按齿面硬度查表3-6得查图3-7得查图3-7，得ZN1ZN2=1，查图3-9，得YN1YN2=1。又由表3-2取SHmin1.1，SFmin1.4。（3）确定齿轮基础参数与主要尺寸因为是软齿面齿轮，所以按接触疲劳强度设计。初估齿轮的圆周速度选择直齿圆柱齿轮。初选Z125，Z2Z1u254.6115，x1x20；由表3-6，取由图3-15取ZH2.5由表3-5查得因为电动机驱动，载荷中等冲击，齿轮速度不高，对称布置，取K1.5。按表3-7，优先选用标准模数m=3，中心距计算圆周速度：与估计值相近。计算齿宽：（4）验证弯曲疲劳强度由图3-18查得YFa12.60，YFa2=2
12、.18YSa11.62，YSa21.77强度条件满足，所以方案可行。“机械设计机械设计”课程改革实践课程改革实践改革思路：（1）课题讲授的取材以教材为线索，又不局限于教材。在各章节围绕技术的发展，增加新的内容。（2）贯彻基本教学内容，引入现代设计方法。（3）在课外练习方面，改革题目的内容与做法，引导学生主动实践。“机械设计机械设计”课程改革实践课程改革实践本课程的改革实践（开课班级：机械提高班07010702；2009秋季机械07130714；2010春季机械提高班08010802；2010秋季机械08010803；2011春季）（1）课程教学，在讲述章节基本理论、核心内容后，介绍围绕该零部件
13、的科学研究水平及当前进展，以及近年出现的新技术、新产品。（2）与欧特克软件（中国）有限公司合作，向学生介绍AutodeskInventor三维设计软件。由该公司派员给学生讲课一次，并给学生提供软件进行练习。“机械设计机械设计”课程改革实践课程改革实践本课程的改革实践（3）改革大作业。题目范围为机械系统设计（直线运动或移动），具体题目由学生自定，由学生自行查找资料独立进行，可3人组队合作完成，使用Inventor三维设计软件。（4）与欧特克软件（中国）有限公司合作，基于学生课程作业的设计作品举办了机械系统设计创新比赛（有少数其他班级学生参加），调动学生积极性。（5）课程总成绩中，平时部分（含实验
14、、大作业等）占30。“机械设计机械设计”课程改革实践课程改革实践 课程大作业（自2006年开始）主动式模式1、目标：设计一个具有行走（或移动）功能的机械装置 2、题目：学生自选2、要求： a.确定执行系统（工作机部分）的功能、用途。 b.说明该装置（机械系统）中的五个子系统的设计思路（文字），作出简图。 c.详细说明该装置中实现行走（或移动）功能的机构，并完成这一部分的结构设计图。 d.原则上一人一题；也可合作完成，小组人数不多于3人，组内应明确分工，独立完成。 主动式模式课程作业（实例）小型铲车主动式模式课程作业（实例）六足太空探险车主动式模式课程作业（实例）自动筑路机主动式模式课程作业（实
15、例）室内自动智能送餐车底盘整体底盘整体主动式模式课程作业（实例）移动平台本次设计作业带给我的感受本次设计作业带给我的感受当我装配完最后一个零件的时候，我真的很想冲到大街上大喊大叫，让所有人都分享我的喜悦，让所有人的看到我的作品。当然，我的作品在老师您看来，也许是很生涩很粗糙的，我想，就如我现在看我孩提时代所做的第一幅水彩画，那种拙劣的线条，失真的造型，生涩的上色，以及不协调的过度，甚至随处可见错误的阴影及透视。但是我完成它的时候，却感觉到了一种新生命诞生的喜悦。这也是我第一次使用inventor作图。在我看来，这件倾注了我心血的设计作业，就像是一个鲜活的生命。我端详着最后的装配图，转动着角度，
16、仿佛都能看见自己当时忙于作图的专注，绞尽脑汁的神情，遇到装配错误又不知道错在哪里时的焦急这是我第一次把自己脑海里面的想象实实在在的反映出来，也就是在我完成这次设计作业的时候，我才发现原来机械制图并不是像大一的时候那样枯燥，只是把冰冷的图纸上的线条搬到屏幕上，它是一个很艺术的过程，表达了你的思想，你的风格。一个脑海中抽象的idear，只是一个隐隐约约的雏形，最后在一点点的努力之下，一步步去细化，去具体，最后成为一个生动立体的实物。也许这正像老师给给我们介绍inventor的时候说过的一句话：inventor不止是一个作图软件，它更是一个设计软件；我们要培养的不是制图员，而是设计界的精英。在使用i
17、nventor之前我听到这样的话，还没有多大的感触；而当我真的几天废寝忘食，一边开着教程一边做这份设计作业，在工作界面和HELP界面之间来回切换边学边做之后，我却突然从这句话中听到了一种无法表达的感动和动力。记得有一次谢铮在校内网的状态上写着：inventorisamazing！现在，我也想重复这句话，但我更想说：machinerydesignisamazing！“机械设计机械设计”课程改革实践课程改革实践 课程实验 主动式模式 1、题目：机械传动方案综合实验 “机械设计机械设计”课程改革实践课程改革实践 课程实验（以“机械设计”为例） 主动式模式 2、实验目的：实验力求通过对不同传动方案机械
18、效率等性能指标的测试，定量地分析、评价传动方案的优劣，并提出最佳方案。充分锻炼了实验者独立完成工程实践的能力。 3、实验方法：实验过程采用自主形式，完全由实验者自己设计传动方案，整个装配、调整、测试、数据采集及分析过程也由实验者独立完成。 4、实验步骤：无固定模式 “机械设计机械设计”课程改革实践课程改革实践 课程设计 被动式模式 1、设计题目：机械传动系统及减速器设计 2、设计内容：传动装置方案；减速器装配图；零件图 3、设计方法步骤： a、装置总体设计及传动件设计 b、减速器装配图草图及正式图设计 c、零件工作图设计 d、设计说明书 4、参考资料： a、课程设计指导书 b、课程设计图册 课
19、程设计改革：课程设计改革：大型集中大型集中Project II课程能力设计:本课程的主要任务是通过教师引导学生自主实践，培养学生具有：根据目标范围找寻社会需求提炼课题的能力；对于机械工程问题进行系统表达、建立模型、分析求解和论证的能力；独立创新设计机械系统与零部件的能力；在团队中工作、与他人合作的能力。课程设计改革：课程设计改革：大型集中大型集中Project II教学要求：掌握创新设计的一般途径与方法，突出创新意识和创新思维的培养；具有基本的机械系统设计和零部件结构与强度设计能力；具有通用机械零件的设计原理、设计方法和机械设计的一般规律，具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力；了
20、解国家当前的有关技术经济政策，树立正确的设计思想；具有应用计算机辅助机械设计的能力。课程设计改革：课程设计改革：大型集中大型集中Project II本课程为新开实践性课程。现有的实践性课程存在如下的问题：（1）课题内容陈旧，遵循固定模式。（2）学生学习不主动，学习兴趣未调动起来，难以实践性教学目标中学生能力的培养。课程设计改革：课程设计改革：大型集中大型集中Project II改革思路：（1）改革题目的内容与做法，引导学生主动实践。（2）采用项目式实践模式，提出项目的目标，不规定题目，不指定方法，不提供参考文献，由学生自行探索。（3）允许3人组成小组，共同完成项目，培养团队合作的能力。（4）不
21、注重学生对固定程式的遵循，看重学生对方法、路径的找寻过程；不注重成果的完成度，看重成果的创新性。课程设计改革：课程设计改革：大型集中大型集中Project II本课程的改革实践（开课班级：机械提高班07010702开课时间：2010-6-26-23）（1）设计内容范围为“在突发灾难中，用于救援、破障、逃生、避难的机械产品的设计与制作”以及“搬运机器人”为设计目标。（2）以项目方式进行实践，具体题目由学生自定，学生自行查找资料独立进行，3人组队合作共同完成，使用Inventor三维设计软件。课程设计改革：课程设计改革：大型集中大型集中Project II本课程的改革实践（3）指导教师与学生集中性
22、互动4次：第一次：课题及实践方式介绍，答疑；第二次：以项目组为单位汇报选题思路，答疑；第三次：以项目组为单位汇报课题进展，答疑；第四次：课题答辩。（4）指导教师随机与学生个别互动，答疑（5）课程总成绩中，平时部分（含平时交流、作品情况等）与答辩部分各占50。四、延伸于课外的学生主动实践四、延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“机械创新设计大赛”为例） 主动式模式 1、设计题目：自选 2、设计形式：5人或以上团队 3、设计过程： a、学生团队选题，教师指导 b、学生讨论并确定设计方案，教师参与 c、学生分工完成设计，教师指导 d、学生完成加工装配
23、调试，教师指导 e、学生参加竞赛 4、参考资料：学生以各种方式查找 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2006”为例） 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） 多角度变形清洁器 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） 电池回收处理系统 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） 煮蛋剥蛋机 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新
24、设计大赛2008”为例） 高效清洁器 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） 家用包饺机 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） 口香糖清理器 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） 洗碗机 机机 架架机机械械手手延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） 护栏清洗机 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2
25、008”为例） 卫生筷子盒 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） 太阳能停车场门禁系统 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） “护栏清洗机” 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） 延伸于课外的学生主动实践
26、延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） “卫生筷子盒” 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2008”为例） “太阳能停车场门禁系统” 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2010”为例） 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2010”为例） “地震中的文物自动保护装置” 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2010”为例） “公交车逃生设计” 延伸于课外的学生主动实
27、践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2010”为例） “抗震救灾多功能组合铁锹” 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践 课外创新（以“全国机械创新设计大赛2010”为例） “螺旋爬升器” 延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践课外创新（以“2011年全国大学生机械产品数字化设计大赛”为例） 一、大赛的目的引导和培养学生的创新设计意识、综合设计能力与团队协作精神；加强学生设计能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际需求通过创新思维,进行机械设计的工作能力；吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才脱颖而出创造条件。二、大赛的主题、内容与
28、设计要求全国大学生机械产品数字化设计大赛（2011年）的主题为“开发月球，探索外空”；内容为“登月车的设计”。三、大赛管理与组织结构全国大学生机械产品数字化设计大赛经教育部高教司同意，承办单位：国家级实验教学示范中心联席会机械学科组、欧特克软件（中国）有限公司。延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践课外创新（以“2011年全国大学生机械产品数字化设计大赛”为例） 2010年11月30日：大赛1号通知2011年1月25日：大赛2号通知项目作品提交截止时间：2011年3月10日评审细则确定时间：2011年3月19日预赛评审截止时间：2011年3月25日决赛名单确定时间：2011年3月30日决赛通知发出时间：2011年4月3日决赛时间：2011年4月16日4月17日延伸于课外的学生主动实践延伸于课外的学生主动实践课外创新（以“2011年全国大学生机械产品数字化设计大赛”为例） “螺旋爬升器” 五、五、几点思考几点思考引导学生主动实践的思考引导学生主动实践的思考被动实践在当前还是一个阶段一个层次的实践，不可完全取消，不宜一概否定主动实践是学习过程中高层次的实践，应积极引导学生参与在各个教学环节均应强化实践，倡导主动实践 谢谢各位谢谢各位
