时间：2023-09-18 17:32:59
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇机械原理与设计，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
一、引言
从18世纪以来，机器逐步代替人力劳动，用于做功或转换能量。做功的机器不仅大大提高了劳动生产率，而且很好地保证和提高了产品的质量。由于机器实现的能量转换，人们发明了多种多样的工作机械，提高了人类的生产水平，改善了自己的生活条件。机器的设计是由具体的机构物化为实体的产品，以提供用户所要求的使用功能。因此，机械的结构设计是产品设计的重要一环，在机械设计课程中，机械结构设计也是非常重要的教学内容。在机械结构的设计中，应“勤于学习、善于思考、勇于探索、敏于创新”，以伟大的接纳之胸怀学习前人成果，并以开拓的精神实现伟大的创造。机械结构的设计不是具体案例的机械堆砌，而是有其内在的知识基础、设计的方法和物理原理。本文拟从机械结构的设计方法和设计原理两个方面，讨论机械结构设计的内在知识和结构创新的基本途径，但本文不讨论机械制造工艺性对机械结构的要求。
二、机械结构设计的方法
1.经验设计。从现代科学诞生以来，机械科学与技术已有300年的历史。机械的连接结构、传动结构和支撑结构等已经积淀有汗牛充栋的实践案例，但如何掌握这些案例的基本原理和设计方法，而不是记忆这些案例的具体结构设计，这是经验设计中的关键。具体的产品设计，例如车床，其结构设计可以参考前人的设计图纸，这对于提高设计效率，汲取前人经验、避免犯前人的错误具有实际意义。通过借鉴前人的经验，可以吸收他人的结构创新方法，同时也拓宽了自己的设计思路。随着机械结构数据库的出现和搜索方式的更新，对他人的相关结构设计的学习将更加方便。经验知识是结构设计的宝贵财富，也是公司的知识资产。通过对国内外同类型专利知识的学习，也是一条提升自己结构设计能力的途径。另一方面，要注意避免侵犯他人的知识产权。“古人传下来的学问，就是装在船里的货物。现在的新潮流、新趋势，就是行船的风。”在学习他人的结构设计创新点的基础上，设计者应有自己的革新与发明、自己的创造。
2.理论设计。机械结构设计的理论方法，讨论的是机械结构设计的理性方法，具体的有：模块化和组合化设计、复合化设计、分级结构设计、载荷均布性设计和变结构设计。随着结构优化、结构可靠性和概率设计等方面的发展和具体应用，机械结构的理性设计方法也在不断的推陈出新。模块化和组合化设计。一台机器总体是由提供不同功能的结构单元有机的组合而成，因此模块化的以及模块之间的组合化就是早期的方法之一。在复杂的机电系统和设备中，模块化和组合化的设计理念是有效的结构设计方法，同时也是机械制造的方法之一。例如，组合航空母舰的设计概念；我国的组合化机床的设计在上世纪70年代就已经取得了很大的成功。模块化和组合化，一般是按功能单元、结构单元来划分模块，然后组合起来成为一台机器。复合化设计。复合化的基本特点就是将两个或两个以上的功能零件组合成一个部件或构件来设计，其功能可以是运动功能、承载功能等。例如，组合凸轮结构的设计就是将两个凸轮设计成一个零件；一根连杆在组合结构中同时作为两个或两个以上机构的结构件。复合化方法可以降低机械的制造成本、减轻机器的重量、缩小机器的尺寸和降低产品的成本。分级结构设计（层次化设计）。复杂的制造设备是由分级的机械结构组成，大功能层次的结构是由若干个分功能结构组成。层次化不仅是功能树结构的要求，而且也是制造工艺对结构设计的要求。例如，床头箱由多个轮系组成，而每个轮系又由次一层次的系统组成。复杂机电产品的设计，例如组合挖掘机的设计，集推土机和挖掘机的功能在一起，而共用一个动力系统，在执行系统处分开。层次化结构设计方法在构想分级结构阶段，能够帮助设计者厘清思路，从而找出结构设计的关键点，集中解决结构设计中的难点问题。载荷均布性设计。由于机械结构设计的特点，希望载荷分布均匀，充分发挥材料的机械力学性能或者取得降低最大载荷的目的。例如，修形齿轮的设计、对数滚子的设计，为了取得接触应力的均布，从而修形零件，实现结构的优化设计。行星齿轮减速器的设计也体现了载荷均布性的设计理念，从机构运动学来看只需一只行星齿轮；然而从受力平衡、承载能力和提高齿面的抗磨损来说，三只行星齿轮的结构设计更好。变结构设计。机械结构的创新常常采用变结构的方法，变结构可以改变机械结构的功能，例如，非圆连接形式的成形连接、曲柄滑块结构设计变为转动导杆结构设计。变结构可以改变实现功能的形式，例如径向柱塞泵和轴向柱塞泵的设计。变结构也可以降低机器的设计成本，例如利用死点的桌面支承设计。
3.模型试验设计。相似模型试验设计。基于机器物理模型的相似，运用相似科学理论，对于大型的机器设备进行模型试验设计。通过模型结构设计和试验分析，获取机械结构的可靠性、并预测机器的工作性能。模型相似的设计方法已在工程领域有广泛的运用，例如大型水轮机组的结构设计。通过制造大型水轮机组的模型，测试试验模型的工作性能以及其可靠性等指标，优化水轮机组的结构设计和工作能力。机械结构的设计方法不是一成不变的，而是随着人们的发明和新的科学原理的发现，在日新月异地发展，不断出现新的机械结构设计方法，同时对前人的机械结构设计进行革新。
三、机械结构设计的原理
机械结构的设计必然要依据技术科学的原理，例如：理论力学原理、材料力学原理、弹性力学原理、疲劳力学原理、流体力学原理、热力学原理、摩擦学原理、声学原理、智能原理和一切可能的新物理原理。这里讨论以上各种原理在机械结构设计中的应用，以期总结机械结构设计的常用原理，讨论机械结构设计的原理在今后结构创新设计中的可能性。理论力学原理。理论力学是机构设计的基础理论，对于机器的运动学和动力学分析，得到的结构必然反映到机械结构的设计中来。例如，轴承转子系统动力学的设计，其动力学及其稳定性的设计，要求修改轴承的设计和轴的刚度设计。材料力学原理。机械零件的强度和刚度设计是基于材料力学理论的，强度或刚度不足时，就需要修改零件的结构设计。例如，齿轮轮齿接触强度和齿根弯曲疲劳强度的设计，当齿面接触强度不足时就要求增大小齿轮的分度圆直径；当齿根弯曲强度不够时就要求增大齿轮的模数。弹性力学原理。弹性力学分析是零件应力应变计算的基础，例如滚动轴承中滚子修形的设计，基于弹性力学的接触分析，确定滚子的修形曲线和修形量。在机械零件的结构优化设计中，常常用到弹性力学理论。疲劳力学原理。机械零件上的机械载荷在工作过程中常常是变动的，例如汽车中的轴、轴承和齿轮上的载荷都是变化的，这种变化的载荷具有一定的统计特征。变载荷下轴和滚动轴承的疲劳寿命设计等工程内容，已经发展成机械零件的概率设计。
为了更精确地设计机械零部件，疲劳力学在机械结构设计中会得到越来越多的应用。流体力学原理。流体传动和动静压轴承等的设计是依据流体力学原理的，流体力学也是机械结构创新的基本原理之一。例如静压导轨的设计、动压滑动轴承的设计，要依据流体的质量守恒定律、平衡原理等，优化设计的结果要求修改导轨或轴承的结构型式和尺寸参数。热学原理。热力学和传热学在机械零部件的设计中有很广泛的应用，导轨的热精度设计、齿轮和滚动轴承的胶合分析、隔热结构设计等等。摩擦学原理。耐磨或加快磨损是摩擦学设计的核心，例如圆锥销的设计、组合螺母的设计，就是为了补偿零件的磨损，使得零件在磨损后仍能实现其设计的功能。磨削和抛光制造工艺是利用零件磨损的加工方法。声学原理。在机械系统的噪声分析和研究中，依据物理声学的原理及其分析方法，得到噪声的频谱和功率谱等分析结果，以指导机械结构的设计，例如低噪声滚动轴承的设计。今后，可以考虑利用机械噪声来进行产品设计，例如声爆弹的设计、信号中噪声信息干扰的设计等。智能原理。机械结构设计的原理将向智能化、生物化的方向发展。随着智能技术的应用，机械结构具有灵敏的智能功能。测试技术、控制理论和信息论是机械结构智能设计的基础。
例如模糊智能控制的洗衣机和电冰箱的设计，控制单元具有模糊逻辑控制功能，实现对工作过程的智能控制，达到省电节能的目的。新的物理原理应用。超导原理用于超导轴承和导轨的设计，可以提高电磁轴承和电磁导轨的性能。含有纳米颗粒的剂的设计可以提高摩擦副的抗胶合能力。石墨稀等新的材料的制备也会为机械零部件的结构设计提供更多的选择，其高刚度的特性也会在机械结构设计中得到应用。今后，生物化的结构与环境和人体具有更好的相容性，例如人工关节的磷酸盐涂层结构设计，使得人工关节与人体肌肉组织具有相容性，使用寿命更长，也减轻了病人的痛苦。我们可以相信，在生物革命的浪潮中，机械结构设计的原理会极大的丰富，为智能化的机械结构设计提供新的原理。
本文从机械结构的设计方法和设计原理出发，分析了机械结构设计的基本知识和设计准则。毋庸置疑，机械结构的制造工艺性对机械结构设计有重要的决定性。笔者认为，今后的机械结构创新中仿生设计和智能化是发展的重要方向。
关键词：机械；设计；节能；基本原理
经济的快速发展将会导致环境污染严重和资源短缺情况的出现。这些问题将会反作用到经济与社会发展中。如何妥善地处理好经济发展与环境资源保护之间的关系成为社会稳定发展的重点。节能是环境资源保护的重要形式。加强对机械设计节能基本原理的研究，才能够发挥出机械设计节能效果。机械设计节能应用到工业生产中，对于实现国民经济可持续发展具有重要的影响意义。
1 机械设计节能基本原理
机械设计节能在动能方面的影响最为明显。传统机械设计主要考虑的是输出功率变化，特别是设备在运行过程中产生的波动。机械设计节能对于设备加工精度与周期影响更为突出，在设备加工的时候，需要根据动能状况及时地进行能源回收或者转化。并且根据节能特点，做好设备调节系统动能变化，能够在最小范围之内完成能源的回收。输出力会根据节能状况进行调整。在不同运行环境中，机械设备输出力会有明显的差异。特别是相同机械设备运行过程都会涉及到节能改善。在较短的时间内机械设备运行会产生较大的波动，这些波动出现的阻力都会影响到机械设备的运转情况，并且会随着变化减小，节能的效果也会更加的明显。机械设备在运行的时候都会涉及到摩擦等阻力，调整零件精度或者的方式都能够提升设备的使用效率。因此，在机械设计节能效果上要最大限度地降低无用功的产生，对于节能原理要进行充分的总结，处理好动能、输出力以及无用功之间的关系，能够根据设备情况进行机械设计节能的改进。通过对参数变化的研究，实现能源的有效节约。
2 机械设计节能的应用效果
2.1 人才培养与新技术的应用
机械设计节能涉及到很多多方面的知识，需要专业性较强的工作人员才能够完成。专业人才是开展机械设计节能基本原理研究的核心基础。针对这种情况要持续进行工作人员专业培训，这是实现机械设计节能必要条件。在实际技术基础上进行整体性突破，并且要充分地运用信息技术实现机械设计节能水平的提升。
2.2 强化电子控制系统
电子控制系统对于提升机械设计节能效果的准确性具有重要的作用。电子控制系统能够对机械设计节能进行实时监控，做好机械设计节能控制工作，通过智能化系统对机械设计节能状况进行判断。有效地控制功率输出，并且避免消耗的进一步扩大。使机械设计节能效果达到最大优势。电子控制系统同时还能够对自身进行检测，发现其中存在的限制因素，有效地延长机械使用的寿命。
2.3 加工设备设计
工业生产机器主轴在运行中产生的波动很容易影响到产品的质量。为了能够更好地解决这一个问题。需要利用机械设计节能技术在机器运转过程中加入转动惯量较大的飞轮，这样能够更好地起到调节波动的作用。能够将不均匀系数都调控在合理的范围之内，并且保证机器能够正常的运转。在不均匀状态下的输入功率都会产生较大的能源消耗，并且输出与动能变化产生的数据会持续的叠加。机器运转中的转动惯量飞轮会根据初相位不同进行功率比较。在平衡理论下的机械运转数据差距也会变得更小。
2.4 升降机械设计
升降机在使用的过程中会消耗大量的能源。因此，为了能够实现升降机节能环保，就要在机械设计节能基本原理下对升降机进行能源消耗控制。升降机械主要是大压力容器下驱动的设备移动，这样就能够实现机械在空中进行作业或者维修。升降机产生的消耗主要是来自于货物运输上升或者下降。高空机械作业都需要在实践的过程中对动力与能量进行高度调整。这样才能够进一步地开展高空作业。但是在实际工程作业中，机械设计节能原理会对升降机的结构与设计进行优化。最终将会实现能源的节约。比如，当曳引驱动机构和传统的升降机械以相同的速度提升质量相等的货物或者重物时，前者可以更加有效地实现升降机的平衡，减少升降过程中的能源消耗，使得系统势能在最小范围内变化甚至维持常量。机械设计节能工作的开展需要处理好材料与动力源之间的关系选择。要将设计理念融入到升降机结构中，特别是要注重电子控制系统的应用。电子控制系统能够更加突出升降机的自动性，并且会实时进行监控，提升工作人员的安全性。
3 结束语
可持续发展成为我国经济与社会不断进步的重要载体。可持续发展道路能够实现自然、资源、人类等方面的和谐统一。特别是工业生产中融入可持续发展理念将会实现节能减排。针对这种情况要强化机械设计节能效果，明确掌握全面的机械设计节能基本原理，通过掌握理论知识指导工业实践生产，这样能够实现成本投入得到有效的控制，避免资源出现严重浪费，在根本上保o环境。对于构建和谐文明健康的社会具有重要的意义。机械设计节能在社会发展充分发挥巨大作用。保证机电产品消耗得到控制，实现降低输入功率。
参考文献
[1]宫浩.浅谈机械设计中的材料选择和应用[J].科技致富向导，
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[4]石磊.机械设计自动化设备安全控制分析[J].科学家，2016，09.
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关键词：蚁群算法；遗传算法；元胞原理；四杆机构
中图分类号：tg316 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）3-0048-02
随着科学技术和工业水平的不断提高，目前在机械优化设计的要求也越来越高，原来传统的图解法、解析法等设计方法已不能完全满足现在的要求。虽然后来也出现了比如蚁群算法这样的优秀设计方法，但是其自身也存在停滞现象、收敛速度慢等问题，不能很有效的进行机械结构的优化设计。于是基于蚁群算法、遗传算法、元胞原理可提出两种优秀的设计方法：遗传蚁群算法、元胞蚁群算法。这两种设计方法可以有效的克服基本蚁群算法的缺点，改进设计效果，使机械设计变得更加优化。下面我们将分别根据不同的条件，然后运用遗传蚁群算法和元胞蚁群算法进行平面四杆机构再现轨迹的优化进行设计，使机械的优化设计问题得到不同程度的解决。
1 蚁群算法
1.1 蚁群算法基本原理
蚁群算法是由Marco Dorigo于1992年在他的博士论文中提出的一种用来寻找最优优路径的概率型算法。蚁群算法的基本原理和模型来源于蚂蚁在找食物时选择路线的过程。我们都知道自然界的蚂蚁即使在没有任何外界导向信息的情况下，蚂蚁也总是能找到从巢穴到食物的最短路线。Marco Dorigo等人发现，自然界蚂蚁寻找到从巢穴到食物的最短路线，是通过一种正反馈效应实现的。具体表现为：单个的蚂蚁每次会在自己行走的路线下留下一种挥发性的分泌物，我们称其为信息激素。这样就使最优路径上的激素浓度越来越大，而其它路径上的激素浓度会随着蚂蚁的不断运动而逐渐减少，最终使最优路径被找出。
1.2 蚁群算法基本模型及其实现
根据Dorigo等人提出的关于蚁群算法的基本观点，我们可以将蚁群算法的基本实现过程和原理描述以下几个步骤：
①搜索结果不满足预期效果时，蚂蚁继续寻找另一条路线；②搜索过程中非最优路径上的信息激素浓度减少，最优路径上的信息激素增加；③信息激素浓度等根据搜索结果进行实时更新；④搜索到最终结果。但是通过实践发现这种基本蚁群算法原理在求解结果的过程中会出现搜索速度慢等缺点。因此如若将蚁群算法与遗传算法、元胞模型等原理相结合，就出现了遗传蚁群算法、元胞蚁群算法，这些复合的算法就可以有效的克服简单蚁群算法的缺点。
2 遗传蚁群算法
2.1 遗传蚁群算法原理
在上述蚂蚁的转移概率的定义式中，信息启发式因子？鄣和期望值启发式因子？茁，以及信息量残留系数？籽都可以进行用数学方法进行计算分析，因此，如果将？鄣、？茁和？籽这三个因素看成代表蚂蚁搜索求解过程中典型的3段代码，并将？鄣、？茁、？籽编码为实数。然后通过遗传算法中的遗传算子进行变异处理，这样就可以在原有的算法结果的基础上进行优化。这样就把基本的蚁群算法与遗传算法中的遗传变异效应相结合起来。这样遗传蚁群算法原理就产生了。
2.2 遗传蚁群算法模型及其实现（以平面四杆机构优化设计为例）
4 结 语
蚁群算法是模拟自然界蚂蚁的觅食行为的一种模型方法，虽然在机构的优化设计中有一定的优势，但是其自身也存在一些问题，故将蚁群算法和遗传算法、元胞模型进行综合运用，克服了原有基本蚁群算法的缺点。为机构的优化设计提供了更为简便、优秀的设计方法，并且可以根据实际情况的已知条件选择恰当的设计方法。这样我们在实际的设计中可以根据自身的情况选择遗传蚁群算法或者元胞蚁群算法，这为我们的设计提供了较大的选择空间。
参考文献：
[1] 刘国光.基于改进蚁群算法的四杆机构优化设计[J].农业机械学报，2006，37（1）：149-151.
关键词：机械原理；课程设计；教学研究；课外科技活动
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）05-0217-02
一、引言
机械原理是机械类各专业必修的一门重要技术基础课，在培养学生的机械设计能力和创新能力所需的知识、能力和素质结构中，占有十分重要的地位。其课程设计是教学过程中的一个重要实践环节，通过课程设计实践，使学生更好地理解和掌握课程的基本理论和方法，进一步提高学生查阅技术资料、绘制工程图和应用计算机等能力，特别是加强培养学生创新意识和分析问题、解决工程实际问题的能力。就我校而言，机械原理课程设计是我校机械类学生在本科学习阶段的第一门工程设计类课程设计，在培养学生的实践能力方面具有特殊的地位和作用。[1]
二、现状分析
（一）机械原理课程设计教学现状分析
1.我校机械原理课程设计的内容是对牛头刨床、插床等传统加工设备的传动机构进行运动分析和动态静力分析，并在此基础上计算其机械动力学问题。课程设计模式缺乏整体性思维，设计题目陈旧且与工程实际结合不紧密，缺少机械系统的方案设计和机构的选型设计等。
2.题目相同，设计的机构一致，只是原动件的位置不一样。故对学生而言，缺乏创新能力的训练。
3.课程设计的设计方案与内容相同，学生缺乏查找资料、方案陈述与讨论、团队协作与沟通交流等环节的训练，与当前企业的需求脱节。
（二）学生课外科技活动开展情况分析
目前，我校十分重视学生科技活动的开展，学生科技活动的种类繁多，面向机械类专业学生的科技活动有机械创新设计大赛、大学生科技创新计划项目、大学生“挑战杯”课外科技作品竞赛、机械制造综合实践创新能力-数控加工大赛、三维数字化创新设计大赛、机器人应用技术大赛、汽车节能竞技大赛、大学生方程式汽大赛等等，对提高机械类专业学生的创新和实践能力起着重要的作用。然而在实践过程中遇到一些问题，如积极参加各种课外科技活动的学生人数有限、部分学生不知道如何开展课外科技活动、缺乏主动性等等，这些问题都是亟待解决的。
课外科技活动参与的学生人数有限，单纯地为了竞赛而组织的实践活动，由于受时间和名额等因素限制，难以在学生中广泛地组织开展，从而使受益学生的数量受到了限制。
三、教学研究思路
参与各种课外科技活动的学生有兴趣和热情，但人数有限；参与课程设计的学生人数多，但积极性不高，过程不认真，往往抄一份报告敷衍了事。因此，如何利用学校目前课外科技活动开展良好的氛围，将科技活动融入课程设计教学中，使科技活动与课程设计相结合，是主要的研究内容。
四、教学研究内容
结合学校的实际情况，以培养学生工程实践能力和创新能力为目标，课题从以下三个方面进行了研究。
（一）课程设计题目研究
为达到课程设计的目的，全面培养学生的综合能力，课程设计的题目可借鉴课外科技活动的主题，或参考具有生产实践背景的工程实际项目，并在此基础上结合机械原理课程课题讲授内容设计课程设计的题目，使课程设计的内容更贴近生活，从而提高学生对课程设计的兴趣。
譬如，借鉴第六届全国大学生机械创新设计大赛的主题“教室用设备和教具的设计与制作”，提炼出“多功能黑板的设计”、“便携式可调折叠桌椅的设计”、“自动黑板擦的设计”等设计题目；借鉴第七届全国大学生机械创新设计大赛的主题“钱币的分类、清点、整理机械装置；不同材质、形状和尺寸商品的包装机械装置；商品载运及助力机械装置”，提炼出“硬币分拣器的设计”、“硬币包装机的设计”、“纸币分类与计数装置的设计”等设计题目。
（二）课程设计内容研究
课程设计内容着重于机械方案的设计与选择、机构运动的分析与设计、机械动力学的分析与设计等三个方面，注重培养学生的设计能力，引导学生应用ADAMS等软件进行机构设计与分析，完成机器总体方案设计。由于将科技活动融入课程设计教学，设计题目多样化、生活化，[2]体现以学生为主的理念，扩大学生的视野，使设计内容改为与科技活动相关的产品综合设计，保证设计的完整性、系统性和综合性。
此外，课程设计增加查找文献资料、设计方案陈述与讨论等环节，旨在锻炼学生资料文献综述能力，提高学生表达能力，加强团队协作交流，使学生熟悉产品设计流程和报告书写格式。以往笔者在指导学生科技活动过程中发现：学生开展科技活动的第一项任务往往是调研，即通过查找相关文献资料，分析现有产品的现状与技术特点，归纳出开展科技活动的技术线路、研究方法等等，这时学生往往不知所措，究其原因是目前教学模式往往忽略这一项内容。
为了保证课程设计的质量，笔者对课程设计过程进行了监控，在相应时间节点安排了必要的教学活动以及详细的设计任务，如表1所示。
（三）课程设计方法研究
近几年指导学生科技活动过程中发现，几乎每项科技活动都需要应用到计算机辅助设计技术。以往课程设计结果往往停留在几份图纸和书面报告，学生对自己设计的机构或机器是否可行不得而知，所以积极性不是很高。随着计算机应用技术的发展，运用计算机进行机构运动仿真已轻而易举，学生学习计算机软件的积极性普遍很高，且企业对应聘者也有这方面的要求。因此，可在机械原理课程设计中引入计算机辅助设计方法。如引导学生应用ADAMS软件对机构设计方案进行设计和运动学仿真，[3，4]使学生的创新积极性得到提高。
五、结论
将机械原理课程设计与学生科技活动相结合，既丰富课程设计的内容，增加课程设计的实用性和针对性，还可以激发学生参与课程设计的兴趣，吸引更多的学生积极投身于科技活动，切实提高学生的创新设计能力、工程实践能力和沟通交际能力、以及团队协作意识等。
经过教学研究与实践，机械原理课程设计教学效果得到改善，使学生能学以致用。近三年，学院学生积极参加各种课外科技活动，取得了优异成绩。
参考文献：
[1]黄小龙，刘相权.机械原理课程设计改革的研究与实践[J].中国科技信息，2011，（24）：182.
[2]孙志宏，单洪波，庄幼敏，等.提高学生创新能力改革机械原理课程设计[J].实验室研究与探索，2007，26（11）：98-99.
Abstract： In order to improve teaching quality of Mechanical Principle， aimed at the characteristics of this course， this paper abstracts the generic knowledge of Mechanical Principle， grasps the continuity of the precursor and follow-up courses to apply the teaching methods in the teaching of Mechanical Principle， make classroom teaching and online education complement each other， put forward the direction and method of improving the teaching of Mechanical Principle and provide some new ideas for improving the teaching quality of Mechanical Principle.
关键词： 机械原理；教学质量；共性知识；项目教学；在线教育
Key words： Mechanical Principle；teaching quality；common knowledge；project teaching；online education
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）30-0135-03
0 引言
《机械原理》课程是机械类各专业必修的一门重要的技术基础课程，其不仅担负着为学生学习后续相关技术基础课程和专业课程奠定良好基础的重要作用，而且负有培养机械类高级工程技术人才的机械技术工作能力和开发创新能力的重要任务，为学生今后从事机械设计、研究和开发创新奠定必要的基础。
通过这门课程的学习，要求学生掌握机构学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能，学会常用基本机构的分析和综合方法，初步具有进行机械系统运动方案分析和机构设计的能力，为学生学习后续课程和新的科学技术，打下坚实的基础。
这门课程通常在本科二年级时开设，机械原理课程一方面较物理、理论力学等理论课程更结合工程实际，另一方面，它又与讲授专业机械的课程有所不同，它不具体研究某种机械，而只是对各种机械中的一些共性问题和常用机构进行探讨。[1]目前的教材一般理论分析多，实践应用较少，学生在初学时普遍感到抽象难懂，难以入门，在课程设计环节往往难以将所学理论知识付诸实际。因此，如何提高机械原理教学质量一直是教研组研究的重要内容，根据多年的教学检验并结合机械原理教研成果，本文探讨了提高机械原理教学质量的几点思考。
1 课程共性知识的提炼
机械原理教材中的一些基本的研究方法和知识点通常贯穿于各章节内容中，在授课过程中将这些方法总结、归纳融会贯通形成讲授体系，帮助学生找到这些章节的内在联系，建立完整的理论体系，从而更好地掌握机械原理的基本的研究思路和方法。
例如贯穿机械原理课程始终的“反转法”，在平面连杆机构设计中，无论是刚体导引机构还是函数生成机构的设计，都可以采用“机构倒置的方法”来设计，即通过选取不同的构件为“机架”，把问题转化为求解“机架”的固定铰链点进行解决。又如在凸轮轮廓曲线的设计中，通过给整个机构加上一个与凸轮角速度大小相等，方向相反的公共角速度，将凸轮反转固定，假想为“机架”，然后按照从动件与凸轮的相对运动关系求出凸轮轮廓曲线。而在推导周转轮系传动比时，也是通过给整个机构加上一个与行星架角速度大小相等，方向相反的公共角速度，将行星架反转固定为“机架”，把周转轮系转化为定轴轮系进行求解。[2]上述的转换机架法、运动倒置法从根本原理讲是一致的，都是相对运动原理在机构分析与综合中的应用。在学生第一次碰到这个概念时，就将这个原理讲透彻，以后在应用“反转法”时又适当重复，以加深学生对这一方法的理解应用。
又例如在机械原理中压力角的概念，压力角的本质是从动件所受的力和受力点速度方向的夹角，在连杆机构、凸轮机构和齿轮机构中均是机构传力性能的一个重要指标，[3]在每一章讲到压力角时，应把连杆机构、凸轮机构和齿轮机构中的定义联系起来讲，比较它们的共性和表述的不同，从而加深学生的理解。
此外还有机械原理课程中常用到的“当量分析法”以及运动分析和动力分析中的“矢量多边形”方法等等[4]。在讲解相关的内容时，用共性知识将不同的内容贯穿起来，使学生触类旁通，逐渐理清思路，加深理解。
2 课程内容之间的联系性
机械原理与前驱课程如理论力学等的内容关系密切，前驱课程的思维方法对机械原理课程也很有帮助，授课时把前驱课程中所学过的理论与机械原理要讲述的问题和内容联系起来，有助于引导学生积极思考。例如在平面机构的运动分析一章中，采用矢量方程图解法进行机构的运动分析时，所采用的基本原理是理论力学中的刚体平面运动和点的复合运动原理；而在平面机构力分析一章中，确定运动副中的摩擦和反力，采用的是理论力学中的机构静力学模型，等等。[5]在这部分内容学习时，学生往往对“矢量方程图解法”感到困惑，可以在授课之前，布置学生将理论力学的相关内容复习一下，课上再分别帮助学生复习一下，加深学生对于这部分知识的理解，从而更好地开展机械原理部分的学习。
此外，机械原理也是后续课程机械设计的基础。例如，机构力分析确定的运动副中的反力，是机械设计中构件结构设计的依据，也是确定轴承强度、刚度的理论依据。再如机械设计课程中关于蜗杆蜗轮和螺旋传动设计时提及自锁概念也和机械原理课程中的摩擦密切相关。另外，机械原理课程中介绍的关于斜齿轮、锥齿轮等的当量齿轮也是后续齿轮强度设计的设计依据。[6]在授课时，将这些联系与应用总结、展示给学生，使学生了解各门课程之间的联系，在应用机械原理课程所学知识时注意融会贯通，培养自己运用所学的基本理论和方法去发现、分析和解决工程实际问题的能力。
3 基于项目实践的教学
普通高等学校机械类各专业的《机械原理》课程，内容通常包括三部分：机构的结构分析、机构运动学和机器动力学，从课程间的关系来看，《机械原理》课程是以《理论力学》为基础的。而在《机械原理》的教学中，也较易出现工科教学理科化的现象，传统的机械原理教学方法容易导致知识僵化，很多同学在学习之后不知道这个知识点在何种情况下使用。为了提高基础知识解决实际问题的可应用性，同时为了激发学生主动学习的兴趣，在课程理论教学的基础上增加项目教学内容，是提高课程教学质量的有效途径。项目教学是通过完成一个整体的项目而实施的教学活动，它可以是围绕一个大项目，展开一个个小项目，而每个小项目都是大项目中一个个内容的分解，最后在小项目都完成的情况下，保证大项目目标的完成。项目教学可以充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。
在机械原理授课过程中，以某一项目为主线精心设计教学，项目选择时应当尽量涵盖课程中涉及的多种典型机构和知识点，从而有利于学生通过运用所学知识完成学习内容。[7]授课伊始即将设计任务布置下去。通过教师对教学内容的分析，先将教学任务进行分解，把要讲授的知识蕴含于学生所需完成的任务之中，让学生通过项目设计从而掌握所学知识。这样，学生在学习完机械原理这门课程后，也完成了一个大的项目，在学习的过程中将各知识点联系在一起，形成了一个较完整的知识体系。
教师在授课过程中，也可引入一个项目案例进行讲解。例如：在机械原理的学习过程中，可选择内燃机作为主项目，内燃机中囊括了机械原理常用的三大机构：连杆机构、凸轮机构和齿轮机构，所以该项目又可细分为连杆机构、凸轮机构和齿轮机构等多个子项目。在讲解平面机构的动力分析时，可以内燃机中的曲柄连杆机构的受力分析和配气机构的动力学分析为案例，在讲解机械的平衡时，可以单缸和多缸内燃机的曲轴的平衡为案例，等等。这样，通过一个实际的项目案例，帮助学生掌握了基础知识和技能，还可以通过案例举一反三，拓展知识，培养学生自主学习和知识应用的能力。
此外，授课教师在课程讲解时要紧扣实例，例如：在讲解连杆机构时，可结合日常生活中的雨伞，餐桌椅的折合装置，汽车上的雨刮器和转向机构、车门启闭机构、风扇摇头装置等进行讲解，讲解齿轮系的时候，可结合钟表讲解时针、分针、秒针的设计原理，还可介绍汽车变速器的工作过程等等，这些案例贴近生活，学生容易接受和理解，也能激发学生的学习兴趣和求知欲。
4 两种教学模式的交互
目前的机械原理课程授课形式大部分还停留在教师灌输、学生被动接受的模式，提不起学生学习的兴趣和动力，而且在提倡素质教育的形势下，机械原理的课时不断被压缩，这些都对基于课堂的传统教学模式提出了挑战。国家精品开放课程共享系统中心网站（即爱课程网）将在线课堂与面对面教学模式相结合，把学习效率低下的教师单向灌输的传输知识方式转变为激发学生学习兴趣，引导学生主动学习的教学模式，对提高机械原理教学质量，深化课程改革起到了积极的促进作用。
国家精品开放课程共享系统中心网站具有友好的用户界面，为师生用户提供了较完整的学习支持系统。任课教师可通过在线咨询、QQ群、个人邮箱等将教学信息及时、准确地传达给学生，包括课前要求学生观看视频和相应知识点预习，布置一些简单练习，课后布置学生完成在学习平台上每一个知识点配备的对应在线的自测题和离线作业，另外，学生在观看视频、完成练习时如果遇到问题，可以在系统中实时咨询老师或与同学进行讨论。[8]利用在线教学中灵活组合的丰富的功能模块，将课堂深度教学与在线自主学习结合。一方面，学生的学习不再局限于有限的课堂教学时间，可自由支配学习时间，完成基础内容的自学和自测；另一方面，与传统的教学模式相比，完成一个知识点的学习，学生要付出更多的自主学习的时间。在线教育使学生成为教学过程的参与者，使学生从被动接受变为主动学习。
部分学生缺乏较强的自我约束能力，常常会在网络学习中出现拖延症。为了促进学生自主学习，规定学生需要完成一系列学习活动，才可获得相应的学分，比如，学生需要在截至时间之前完成系统中相关的预习、自测和练习，及时提交，否则当次练习为0分，累计一定次数，则无法取得本课程的学分，同时系统对学生的学习过程进行实时记录。
作为任课教师，在机械原理共享课程建设时，首先要保证教学资源的完整性，教学资源应包括教学录像、PPT讲义，课程教案、备课笔记、教学设计及知识点汇总、思考题、作业参考答案、题库或卷库、学科前沿研究的热点等。其次是教学资源的丰富性，丰富性是指尽可能增加不同种类的教学资源，不仅有文本资源、图片和动画、还有视频资源等，丰富的教学资源有助于开阔学生视野，激发学习的热情和兴趣。
现代机械工业对创造型人才的需求与日俱增，机械原理课程在培养创造型人才的过程中起着不可或缺的重要作用。提高机械原理课程教学质量的关键是激发学生的学习主动学习的能力。教师的教学应当重视培养学生的创造性思维以及知识应用的能力，调动学生的主观能动性，使教与学融为一体。从多年的教学实践中，笔者体会到教师一定要深入理解教学内容，提炼出教材的共性知识，重视课程之间的联系性，同时授课时要紧密联系实际案例，科学地混合运用不同的教学媒介，多方面、多渠道地激发学生主动学习的热情，真正做到有的放矢，从而提高机械原理的教学质量。
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P键词：机械设计基础；教学改革；大作业
基金项目：攀枝花学院教育教学研究和改革青年项目（JJ1364）
攀枝花学院教育教学研究和改革青年项目（JJ1409）
《机械设计基础》课程是高等学校机械类专业开设的一门专业基础课，其包括了机械原理和机械设计两大部分，研究的是机械的基本理论问题和机械零件的设计与计算。《机械设计基础》课程在课程教学设置中起承上启下的作用，是学生在学完《高数》、《工程力学》、《机械制图》等课程后进入专业课程学习前必须学习的一门课程。学好《机械设计基础》课程对学生学好后续的专业课程起着重要作用[1]。
1 《机械设计基础》课程教学过程中增加大作业环节的必要性
《机械设计基础》课程的实践性和综合性都极强，传统的《机械设计基础》课程教学已很难满足现在的教学要求，学生很难理解并掌握所学的《机械设计基础》课程要求及知识内容，因此在教学过程中增加大作业环节，使学生边学边设计计算，学的过程中理论联系实际，学生既能充分掌握理解理论知识，又能提高实践能力、动手能力，并为后续的课程设计、毕业设计做准备，有助于提高学生参加学科竞赛、创新实验的积极性及参与过程的能动性。
2 《机械设计基础》课程大作业的设置方案
2.1 方案设计思想
《机械设计基础》课程分为机械原理和机械设计两大部分，故分别在机械原理与机械设计部分设置2-3个大作业，以分组的形式进行，最后以小组考核结论为每个成员的考核成绩[1]，也可根据具体情况，每个学生设置不同的题目。在大作业设计过程中，可根据学院专业特色，大作业题目与专业特色相结合，与学生专业相结合，使知识系统化，并提高学生学习兴趣。大作业题目也可根据学生情况，在难易程度上分层布置。具体大作业设置如下。
2.2 机械原理大作业设置
《机械设计基础》的前半部分是机械原理部分，其内容主要包括了机构的结构分析、平面机构的运动分析、平面机构的力分析、连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。该部分内容比较抽象，学生如果只是通过单纯的听课、作业，不能很好的理解各种机构的工作原理并与实际应用结合[1]。因此分别在连杆机构及其设计和凸轮机构及其设计章节设置大作业环节。
连杆机构的应用十分广泛，在工程机械、农业机械及汽车工业中都有广泛应用，如起重机、转向机构、车门开闭系统等都有连杆机构的应用。因此选择连杆机构设计为《机械设计基础》课程的第一个大作业题目。学生通过对题目的分析，按照课堂所学理论知识，首先对平面机构的运动进行分析，然后建立包含各尺度参数和运动变量在内的解析式，最后根据已知的运动变量求机构的尺度参数[2]。
凸轮机构广泛应用于自动化和自动控制装置中，常见的凸轮机构应用如内燃机配气机构、自动机床进给机构等。因此选择凸轮机构设计为《机械设计基础》课程的第二个大作业题目。学生根据大作业题目，首先根据工作要求、结构条件选定凸轮结构的形式、基本尺寸、转向及推杆的运动规律后，就可根据凸轮设计方法对凸轮轮廓曲线进行设计[2]。
2.3 机械设计大作业设置
在《机械设计基础》课程的后半部分为机械设计部分，其主要讲述通用零件的工作原理和设计过程，其内容主要包括了机械零件的工作能力和计算准则、螺纹联接、轴承、轴等。这部分内容庞杂，各章节似乎独成体系，互不关联。传统的在课堂上进行陈述性的知识学习的教学方法，学生在学习过程中，学习没有系统性，对于零件的设计知识，只有大致的了解，知识掌握并不深入[1]。因此，在机械设计部分布置2-3个大作业题目。
机械设计部分主要是零件的设计，大作业题目可结合专业实验室进行实验设备装置的改进与设计，传统学生做实验时，只是按照实验步骤进行，很多学生对实验目的不明确，学生在做实验时，鼓励学生多思考，不按部就班的按实验步骤做实验，可对实验设备装置进行改进与设计，如此既使学生对实验内容、目的等理解透彻，同时提高学生的实验能力。大作业题目也可设计小型的机械，设计小型机械或结合专业实验室实验设备装置的改进与设计都可运用项目式教学法，利用师生创新项目等实践环节，强化学生动手能力，将有利于提高学生的工程实践能力，提高教学质量，形成地方高校教育特色[3]。如学生参与的机械创兴大赛，相应的设计就可融合到大作业中，学生很好的把实际与课堂理论联系在了一起，即可以鼓励学生多参与创新项目，又提高学生的学习能动性；同时指导学生参与教师科研项目，大作业题目与项目内容契合，通过科研项目逐步提高学生机械设计的能力，学生在学习的同时提高自己的科研能力。
2.4 引入三维设计方法
为补充课堂教学，并联系实际提高学生的设计能力，在大作业过程中，鼓励学生借助计算机设计，引入三维设计方法补充课堂教学。要求学生在完成参数选择、计算校核的基础上，根据计算机绘制出装配图和主要零件的零件图，同时要求学生应用Pro-E、UG等三维设计软件，进行三维实体建模，强化学生的三维设计能力，开拓学生就业渠道[3]。
3 结论
通过在《机械设计基础》教学过程中增加大作业的环节，使学生进一步加深对《机械设计基础》中的机构原理及设计、零部件设计方法等理论知识的理解，显著提高学生的设计水平，提高学生的学习积极性，学生的实践能力及其学生的科研能力，为学生增强就业竞争力打下基础[3]。
参考文献
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【关键词】机械设计;高职教育;教学资源;教学法
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)10―0076―03
引言
高等职业教育是高等教育的重要组成部分,是以培养具有一定理论知识和较强实践能力,面向基层、生产、服务和管理第一线岗位的实用型、技能型人才为目的的教育[1]。机械设计基础是高职教育机械系列课程中的一门主干课程,对于培养学生机械设计和解决工程实际问题的能力发挥着重要的作用[2]。同时,它也是一门综合性很强的课程,涉及到力学、机械原理和机械设计等多门课程的知识,是这些基础知识的综合体现和运用。目前,机械设计教学方法的研究已经得到了广泛的关注,见参考文献[3-9]。传统的教学方法是将工程力学、机械原理和机械设计等课程分开来讲,忽视了彼此之间的联系,学生学完后难以将所学知识融合起来应用于机械设计。高职机械设计基础课程的特点是重视应用性教学,强调知识的运用,降低理论的深度,对于公式、公理等推导、证明的理解、认知不重要。教学内容以“必须够用”为原则,在不影响知识理解连贯性的前提下可以减略,以便学生集中精力掌握实用的结论,以解决实际设计问题[10]。针对传统教学存在的问题,结合高职教育的特点,提出了基于知识融合的机械设计教学法。以应用为目的,本着优化、适用、适度的原则,将工程力学、常用机构、通用机械等教学内容有机的融合,并开发了相应的教学资源,运用后取得了良好的效果。
一 教学目标
从高等职业教育培养应用型、技术型人才的总目标出发,遵循“以应用为目的”,“以必需、够用为度”,“以掌握概念、强化应用、培养技能为教学重点”的原则,提出了基于知识融合的机械设计教学法。传统的教学目标只是针对某一课程基础知识的掌握,忽视了课程之间的交叉与联系。不同的老师担任不同的课程,学生可能在学习某一门课程时掌握得很好,但是在机械设计真正的应用时,会感觉很迷茫,不知从哪里入手,所学的知识不能得以应用。原因在于学生没有从整体上把握机械设计的过程,所学的知识没有融合在一块,各自是孤立的。
机械产品的设计一般要经过产品的规划、方案设计、技术设计、施工设计等环节。通过学习,学生不仅应掌握一般机械产品设计所需的基本理论知识,还应对机械系统有一个整体的认识,并应掌握机械产品设计的基本过程。基于知识融合的机械设计教学法打破传统的工程力学、机械原理和机械设计基础等课程的界限。将理论力学、材料力学、常用机构和通用机械的知识相互融合,使力学的内容渗透到常用机构和通用机械以及与之相关的内容中,理论与实践紧密结合。不但使学生掌握机械设计所必需的基础知识,包括常用机构的结构、运动特性和工程力学方面的基本理论。更为重要的是使学生将所学的知识融汇贯通,对机械设计形成一个整体的认识。超越各门课程之间界限,随时能够灵活熟练地运用所学的知识进行机械产品的设计,具备一般通用机械的设计能力。培养学生建立初步的工程概念,对机械产品具有整体的概念和正确的设计思想,为解决实际问题打好基础。
二 基于知识融合的机械设计教学法
在有限的学时内,合理取舍课堂教学内容,是关系到能否真正实现课程目标的关键。高职院校的机械设计课程应遵循以下的原则:精选重点和难点的内容进行详解与指点,避免烦琐公式的推导和易于自学的内容占用过多的学时;拓宽学生的知识面,注重工程应用,启发学生举一反三;注重机械学科发展,将机械学科的科研成果融入教学,让学生了解机械学科的新技术、新方法[3]。
以机械系统分析和综合设计能力的培养为主线,突出工程意识和创新精神的培养,并将这一思想贯穿课程始终。从整体设计思想出发,精简烦琐的公式推导及过时的工程方法,删减各门课程重复交叉的内容,实现教学内容的整体优化。多年来机械原理和机械设计两门课程的教学内容基本变化不大,课程内容自成体系,相互之间缺少衔接,存在内容交叉和重复的问题。如齿轮传动设计,历来是机械原理和机械设计课程的重点内容,由两门课程分别讲授,不但部分内容重复,且从设计的思维过程来看,有些内容本来是紧密联系的,却被两门课程所分割。基于知识融合的机械设计教学法打破传统的工程力学、机械原理和机械设计基础等课程的界限,将这些课程有机地融为一体,如图1所示。
常用机构及其传动设计一般包括工作原理、运动设计、承载能力设计和结构设计四个方面的内容,将这些内容所涉及的基本理论进行融合。首先学习工程实际中常用机构和机械的有关力学方面的必要知识。包括力学模型的概念,对力学模型的受力分析方法,力、力矩、力偶的概念及其基本性质,平面一般力系平衡问题的解法。四种基本变形的内力和应力分析、强度计算,减速器轴的弯扭组合变形分析及强度计算等。在讲授力学方面的知识时,将一些机械设计中的常用的机构融汇进来,对后面的机构学习可以起到抛砖引玉的作用。同时,也让学生学会了如何将力学知识应用到机械设计中。再接着学习机械中常用机构及通用零部件的类型、特点、工作原理、运动特性、工作能力设计、结构设计、组合设计以及标准零部件的选用等。在讲授具体机构及零部件设计计算时,针对具体机械的工况与技术要求,进行力学性能的强度校核。又可以回顾以前所学的力学知识,真正做到知识的前后呼应,融会贯通。与目前的基于项目的教学法有异曲同工之妙。而原来的工程力学、机械原理和机械设计的课程是分开的,工程力学以受力分析为主,机械原理是以机构的分析为主,机械设计是以零件的强度分析和绘制图纸为主。各自独立的课程配置使学生学习起来难以真正体会它们之间的联系,相互之间的应用就更无从谈起。而机械产品的设计正是融合了多学科的知识,相互之间应用起来更是融为一体,难以分割。
三 教学资源的开发
根据基于知识融合的机械设计教学法,编写了机械设计基础教材,制作了相应的教学资源,如图2所示。教材包括物体受力分析基础、常用机构、联接、传动件及传动装置、支承零部件五部分。物体受力分析基础对物体所受力进行了分析,介绍了平面力系和空间力系;常用机构介绍了机构运动简图和自由度、平面连杆机构、凸轮机构和其他常见机构;联接主要介绍了联接件的变形、螺纹连接、轴毂联接、轴间连接和弹性联接;传动件及传动装置对齿轮传动、蜗杆传动、轮系、带传动和链传动等传动装置的结构、特点、应用范围及设计计算进行阐述;支承零部件介绍了常用的支承零部件轴和轴承。
多媒体教学因其具有直观性、动态性、可重复性、针对性、图文并茂等优点,为课堂教学打开了一幅别开生面的画卷,日益受到广大教师和学生的青睐。机械设计基础课程要求学生对机械传动有较强的感官认识,懂得各种机构运动的原理和动作的顺序,而这些单凭黑板上讲解是掌握不了的,必须通过实物演示或实验操作才能获得。以螺栓联接的结构和受力分析为例。如图3所示为螺栓联接的结构和受力分析,包含了预紧前、预紧和受载三个状态。上面有正常加载、超常加载、加载和卸载四个按钮,当点击其中的任一按钮时,在右边力的坐标系中可以显示力的变化情况,同时受载状态结构图中也可模拟结构实际的变化情况。如图4所示,即为点击超常加载按钮的模拟情况,不但在力的坐标系中显示了此时力的大小,而且可以在螺栓联接的结构中呈现出结构的实际变化情况。其图文声像并茂等优势能将教学中抽象、陌生的知识直观化、形象化,创建出生动的表象,增大课堂信息量,活跃气氛,有效激发学生学习的兴趣,调动其学习的积极性,获得较好的教学效果。
四 结论
机械设计课程有着其他课程不能替代的作用,这是由课程的性质、任务、地位和内容决定的。针对传统教学存在的问题,结合高等职业技术教育的特点,提出了基于知识融合的机械设计教学法,以应用为目的,本着优化、适用、适度的原则,将多科目基础课程内容融合。完善整个机械设计过程所必要的基本知识和基本理论,增加基本设计方法和实践性内容。着力体现了高等职业教育的特色,有利于提高学生认识问题和解决问题的能力。编写了机械设计基础教材,制作了相应的多媒体教学资源,在教学中进行了实际应用,取得了良好的效果,具有重要的实际应用和广阔的推广价值。
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关键词：机械原理教学 互联网 网格化
机械原理作为机械专业的一门专业技术基础课程，起到承前启后的作用。机械原理课程教与学的效果，对培养学生对机械进一步的兴趣和动力起到至关重要的作用。因此，相关的研究和探索也层出不穷。董惠敏等提出将机械原理课堂教学、课程设计、实验教学与网络辅助教学相结合，进行了基于网络的机械原理自主学习模式和网络辅助教学系统的探索值得关注。孔建益等提出了通过机械原理理论与实践教学所要培养的学生的五种基本知识与技能和机械原理教学的五个关键环节紧密结合，构建一个新的教学体系。朱孙科等提出了从注重培养激发学生主动学习精神、教学内容的合理构建与教材选择、注重多媒体教学与传统教学统一等方面进行了探索研究。笔者也针对应用型本科院校学生机械原理的学习兴趣和创新能力培养等进行了探讨和实践。兴趣是学习的最大动力。机械原理课程有理论计算、设计分析、实践操作等多个环节。传统教学主要以单一的教材和课堂知识传授为中心，这种课程教学模式所培养出的学生能系统掌握基础知识，但主要是被动接受相关知识，视野狭窄，思维容易僵化，缺乏批判精神和创新能力，更为关键的是容易使学生失去学习的兴趣，难以适应社会发展对高素质创新型人才的要求。
人类社会每次经历的经济社会的大突破、大飞跃，最关键的并不是物质催化或者技术的革命，而是思维工具的迭代。一种技术从工具属性到社会生活，再到群体价值观的变化，往往需要经历很长的过程。如珍妮纺纱机从一项新技术到改变纺织行业，并引发了第一次工业革命。互联网也是如此。随着信息技术的迅猛发展，互联网已经深入我们的学习、工作和生活中，如何将互联网有机引入课堂是我们面临的一个课题。互联网可以说正发生在当今社会上的一次革命，颠覆了我们传统的学习、工作和生活的方式。学生可以不用去教室上课，却可利用互联网，进行自主在线学习和寻找答案。同时，现在大学生以90后为主，他们思维活跃、多数人不愿按部就班，而机械原理课程相对枯燥难学，这给传统的教学模式提出了巨大的挑战。如何结合互联网技术，适应时展，改革机械原理课程教学则是本文阐述的重点。笔者经过多年机械原理的教学工作，认为可以从如下几点入手。
一、拥抱互联网技术，积极改革机械原理教学方式
传统教学模式中，老师讲，学生听，由于传统观念，师生互动相对较少。同时，随着生活节奏的加快，师生面对面交流的机会并不多。但通过互联网技术，则可以弥补教与学的诸多不足。下面为笔者部分思考与建议。
1.利用智能手机等网络终端促进学生的学习。现在网络技术和通讯技术的发展导致了不少低头族的出现，学生也尤为如此。现在学生不听课的时候往往是安静地低头看手机，网络聊天。虽然很多大学禁止带手机进入课堂，但效果并不明显。充分利用智能手机这个工具，让其变为学生上课时的学习工具则有助于师生的课堂教学。笔者上课时曾尝试建立微信群，加入上课的同学，并将部分重要讲课录音放在微信上。引起了学生的热切关注，他们发现可以重复听自己漏掉的知识点。通过不断的微信，让学生把关注点集中在课堂教学中。当然，我们还可以利用QQ等工具，在课堂内外与学生互动交流。课堂外，老师可以提前把课堂作业，答案，典型机构等在网上，让学生可充分利用手机学习，在群中互动，回答部分学生的问题，也可让其他存在类似问题的学生通过群信息获得答案。
2.建立互动型机械原理课程网站。课程网站上图文并茂，并配上机构动画和部分重要的知识点讲解录像，可极大丰富学生的自学手段。除课程基本理论教学外，还配上常见问题解答、典型问题分析。为吸引学生的关注度，还可将学生较好的机械创新设计作品放在网上并不断更新，让学生有“我也行”的信心和动力。
3.教材中融入互联网技术。现在创新型教材层出不穷，已有部分机械原理教材对一些典型的机构或知识要点的讲解设置了二维码，学生通过二维码扫描，即可观看相关的机构动作或腰带讲解，这也对教学效果有明显的促进作用。国内已有类似的机械原理教科书出现，这对传统教材和教学模式将产生较大影响，尤其对教师的传统教学方法将产生一定的冲击和调整。
4.结合互联网上的热点问题，引导学生有效利用互联网学习。机械原理课程作为一门传统课程，知识点多数在网上可以查到，和机械原理密切相关的机构、机械产品在网上更容易查询。课程讲解中，如涉及军事科技热点问题，可引入炮塔、雷达等武器装备，通过动画讲解连杆机构。在网上看到一款新车，则引导讲解内燃机结构、换挡齿轮箱、差速器工作原理，让学生加深对齿轮机构的感性，并让同学课后上网查询齿轮机构的实物照片，齿轮机构在多种机械中应用。然后再讲解齿轮机构的参数、术语和计算等知识。通过这种方式让学生有感官认识和觉得课程并不空洞，贴近实际，能学以致用，对所学知识理解相对深刻，进而强化学习动力。
二、结合网络，建立网格化的教学模式
机械原理课程主要有三大机构，即连杆机构、凸轮机构和齿轮机构。三大机构间有联系，但又相互独立。机械原理教学有几个关键环节，包括课堂教学、机械原理课程设计、大作业和创新设计。通过这几个关键环节又要培养的学生的几种基本知识与技能，包括基础理论知识、工程实践能力、分析计算能力和创新设计能力。如何评定学生是否达到相应的能力，这里提出结合网络，构建网格节点化机械原理教学模式，建立一个开放性、各节点密切关联的新型机械原理教学和测评模式。图1为一个教学模式网格，将教学关键环节和学生的几个能力培养交叉，形成网格节点。对每个节点进行分阶段教学和考核。下面加以详述。
图1 网格化教学模式初步模型的建立
1.建立机械原理课程的基础理论知识体系和网上自测体系。围绕机械原理三大机构，建立机械原理教学的基础知识理论体系。如建立构件、基本杆组、机构、机器的知识体系，以机构的分析与综合方法为核心，拓宽知识领域，融入前沿知识。增加与时展相适应的新内容；如学校科研项目，或者学生设计成果等实物机构，通过实例（实物）引入当前机构研究的热点内容。在机械原理教学网络中引入三大机构基础知识自测题库，包括选择、判断、问答、分析等过程，让学生在课堂上通过智能手机等网络终端操作进行自我测评，并及时提交。老师利用网络数据分析学生对理论知识点的掌握情况并对教学内容实时做出相应的调整。
2.培养工程实践能力。不以单纯的抽象机构为对象，而是以生产实际中常用机构为对象来说明机构的组成、运动分析和设计过程。如工程训练中心的车床传动系统、牛头刨床传动机构及生活中常见的体育运动器材等机构，都可以让学生作为测绘及机构运动简图绘制的素材。引导和指导学生参与科研项目和各类机械结构设计竞赛，通过网络视频和现场观看等手段让学生参观科研设备，引导部分学生参与科研项目。如让学生参观摆式波浪能装置、振荡浮子式波浪能装置。笔者所在团队有意识指导学生参与水下清洗机构的设计，通过实例讲解和让部分同学直接参与设计制作等手段，逐步培养学生工程实践能力。
3.通过网络培养分析计算能力。采用传统的图解法和解析法并重的方式培养学生的分析计算能力。其一，图解法简单直观，学生易于掌握理解，而解析法精度相对较高，更贴近工程实际应用，有利于培养学生的科学计算能力。如将JYCS-Ⅱ型机构运动方案创新设计实验台稍加改进，可以实现远程控制，让学生不一定非得到实验室，直接可以用自己的电脑进行设计测试分析。这一方面减少了老师的劳动强度，同时又提高了实验软件的利用率。
图2 机构运动方案测试分析系统
4.充分利用网络，培养学生的机构创新设计能力。课堂讲授中融入基本的创新理论和创新方法，如型综合创造技法、机构的组合原理与创新方法、机构的演化变异原理与创新方法、机构运动方案与创新设计方法以及创新机构示例分析等。同时，让学生充分利用互联网，查找网上丰富的奇思妙想机械设计资料，诱导学生展开丰富的想象，并自己动手，采用机构拼装试验台，将创新理论和创新技法融入实验教学当中，充分利用机构组合设计与仿真实验平台，开发机构创新、运动仿真分析等一系列机电一体化创新设计实验。同时，将典型的创新案例放置课堂上讲解分析，让学生在动手中不断培养自己的创新设计能力和创新兴趣，最终培养学生全面的创新思维与创新能力。
三、建立网络化的网格节点型机械原理测评模型
围绕齿轮机构、连杆机构及凸轮机构等主要教学内容建立网格节点化课程教学模型，针对每个环节，每个节点设置网上测评系统。在对一个环节讲解完毕后，利用网络测试题库，让学生进行各个网格节点的测评，通过网络进行结果分析，综合各个关键环节，形成教学的整体测评分析报告。根据结果，即可让老师实时找出教学中哪些环或能力培养上的缺失或不足。对学生而言，也可以清楚自己在哪些知识节点还没掌握，并加强这方面的学习。这样，通过对教学内容的更新设计和查漏补缺，有效促进机械原理的教学工作。
四、结束语
为适应互联网技术的发展和学生的特点提出了本课题探索，经过近几年的实践和努力，笔者所在团队已经初步建立了网上学习平台，包含网上课件、网上测评题库、相关的创新机构网络链接。正在完善《机械原理》教学效果测评机制。初步教学试验表明，这一方面对学生分析问题、解决问题的能力和创新有所提高。另一方面，有助于老师实时掌握学生学习效果并改进自己的教学内容和进度。
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[关键词]机械原理；机构；爬管装置；曲柄滑块；刹车块结构
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）07-0128-02
机械原理课程设计是高等学校机械类专业学生在《机械原理》课程理论教学完成后进行的一项重要的综合性实践教学训练活动。学生通过机械原理课程设计可以进一步巩固、掌握并初步运用机械原理的知识和理论，培养学生机械系统运动方案设计能力、解决实际问题的能力以及机械开发创新能力。在设计题目的设置时，摒弃了由授课教师独立确定题目的“一言堂”做法，教师、学生、家长共同参与题目设定，并与实践紧密结合。机械原理课程设计题目由三部分组成：（1）封闭式题目――教师命题，保留多年来的经典设计题目并作适当扩展；（2）半开放式题目――结合学科竞赛、教师科研项目等实际需求，教师、学生共同提出项目功能目标，设定成果方式；（3）开放式题目――主要由学生自主选题确定。学生自主选题主要考虑学生以及家庭研究渊源，学生长期感兴趣、有一定研究积累的特长，家长在特定领域研究成果的拓展等。
将机械原理课程设计与大学生课外科技训练相结合，教师指导学生依据兴趣选题，充分调动社会、家庭参与研究训练的积极性，题目采用学生自选和教师指定相结合的原则，具有学生感兴趣的诸多因素。如双向管道爬行装置的设计与制作、糕点切片机的设计与制作、具有逃生功能自动窗的设计与制作等。
在双向管道爬行装置的设计与制作中，学生首先对该装置的实际运用进行了深入的调研。发现工程实际中存在大量的管道或者杆状的结构，对于它们的维护、监测、清洁的手段相对比较落后，基本靠人力手工完成。如能设计一种在管（杆）状结构上自动灵活双向移动的装置，实现方便、快捷、平稳的爬动，将非常必要，而且可将该装置作为一个平台，整合在其他的装置上完成所需的既定动作，在生产生活实际工作中将扮演多种运送机械手的重要角色。
一、爬管（杆）装置总体设计思路
为了实现装置在管上自由爬动，而且运行平稳安全，结合机械原理已知各个运动机构，最终选择变异曲柄滑块机构为主体爬行机构，而锁紧机构确定为转动的刹车橡胶块机构，具体结构示意图如图1所示。
在图1变异曲柄滑块主体机构中，A为装置工作时依附的管（杆）构件，B为上爪，套在管A上，C为连杆，连接上爪和曲柄，D为电机驱动的曲柄，可以整周转动，安装在机架上。E为滑动摆杆，能在曲柄的带动下左右摆动，F为机架，可套在管A上。
电机驱动曲柄D，在曲柄D驱动下，滑块机构能实现装置在管构件上的上下爬动的要求，而锁紧机构则整合在上爪B和机架F上，实现上爪和机架的交替锁紧，从而达到设计目的。
二、变异曲柄滑块机构的设计
根据设计要求，所爬的管（杆）机构直径在50～100mm范围内，其余各运动机构的尺寸均按该要求设计。根据实际装置的尺寸，计算选择曲柄D的长度为Ld=100mm，曲柄D与连杆C的尺寸比设计为1∶3，故连杆Lc=300mm，摆杆E设计为与连杆C等长，即摇摆LE=300mm。为确保装置在管（杆）构件上平稳运行，选择其平均爬行速度为v=10mm / s，曲柄转动一周装置爬行400mm，用时40s，所以曲柄角速度ω=1.5r / min。图2为设计完成的装置整体三维模拟图。
如图2所示，工作时驱动电机安装在机架F上，随着电机运动带动曲柄D转动，当机架F夹紧时，曲柄D转动带动连杆C的上爪B移动；当上抓B加紧时，曲柄D转动时可带动连杆C及机架F移动。这样上爪B与机架F交替加紧、移动，可以完成装置在管（杆）上的平稳滑动。
为保证装置能够具有一定负重，并且在管（杆）构件上平稳滑动，如图3、图4所示，上爪B和机架F均由三个可调滑轮G压紧在装置依附的管道上。
三、转动刹车块结构的设计
为保证上抓B和机架F能够平稳、连续交替夹紧管（杆）构件，特别设计制作了用于夹紧的转动刹车块结构，如图5所示。
如图5所示转动刹车块设计成中间凹状结构，便于箍紧管（杆）构件，为有效增大摩擦阻力，材料可选用橡胶等非金属材料。作为装置的关键零件，运动时刹车块结构转到一定位置时能保证在管（杆）构件上卡紧上爪B或机架F，从而达到装置交替爬动的目的。
结合上述讨论的变异曲柄滑块机构设计，如图6、图7所示为转动刹车块结构工作原理示意图。在图6中曲柄D转动，连杆C随之摆动，刹车块H与连杆C固连，所以刹车块H也能随着连杆C转动，此时由于转动刹车块结构形状的特殊性，其会在一定位置时带动上爪B卡紧在管（杆）上。
同理，如图7所示，曲柄转动D，滑动摆杆E随之摆动，刹车块H与摆杆E固连，刹车块H也随摆杆E转动，由于转动刹车块结构形状的特殊性，其会在一定位置下带动机架F卡紧在管（杆）上。图8、9、10、11为刹车块工作状态示意图。
以装置上行为例，当机架F上的滑动摆杆E带动刹车块转到图8位置时，刹车块把机架F卡紧在管（杆）上，此时上爪B刹车块处于松开状态如图9所示，由于电机转动，连杆会推动上爪B向上移动；而当机架F刹车块转到图10位置松开时，上爪B刹车块则转到图11位置卡紧状态，电机转动此时会拉动机架F向上移动，这种周而复始的运动，完成整个装置沿管（杆）稳步上行。只要改变电机转向，装置可实现平稳下行，装置下行原理相同。
由于刹车块是橡胶材料，加工方便，其工作时靠摩擦力来锁紧上爪B或者机架F，所以其尺寸需要根据工作依附面的具体情况来选材及设计尺寸。
四、结论
双向自动爬管（杆）装置，主要由曲柄、连杆、滑动摆杆、上爪、机架、电机、销钉、螺栓、螺母、刹车块、滑轮零部件组成。电机带动曲柄滑块装置运行，并通过整合在其上的刹车块的转动，上爪和机架交替卡紧，从而使得装置实现上爬或下爬。整个机构设计独特，构思巧妙，能最安全便捷的实现在管状物体上的平稳移动，为工程中的管道检测维护实现自动化提供了一个很好的平台。
通过理论与实践教学活动、课外科技活动、科学研究等途径，在指导学生深入学习理论知识的前提下，将教学与大学生课外科技活动有机结合，通过项目驱动的方法贯穿始终，使学生受益匪浅。
[ 参 考 文 献 ]
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关键词：概念设计理论；舞台机械设备；重要性
中国的文化市场正在逐渐形成，在舞台机械设备方面中进入中国市场的国外的企业越来越多。中国企业要想在这种激烈市场竞争中占据有利的地位，应该加强舞台机械设备方面的技术的创新能力，同时在保证质量的前提下降低设备在制造过程中的成本，以及完善在舞台机械设备方面的售后服务。在现代的设计中往往将一件商品的设计过程分为四个部分：产品前期规划、概念设计阶段、技术设计阶段和物品施工阶段，其中的概念的设计阶段是这四个阶段中的最重要的阶段。笔者通过这几年的工作实践，来分析概念设计的理论在舞台机械设备中应用的重要性问题。
一、概念设计的重要性
概念设计是产品设计中最重要的环节，概念设计中的任务是为商品寻找最优的工作原理方案，能够在很大程度上决定可产品的性能、创新性、速率等问题，在商品的成本的方面决定了商品的很大的成本，因此概念设计在舞台机械设计中具有非常重要的作用。在传统的对舞台机械设备的设计中，依据设计师的平时设计经验将设计中心放在了施工设计中的零部件的设计上，在概念的设计上没有运用科学地设计手段，在这样的设计流程下设计出来的商品很难再商品市场中占据有利的地位。在产品的概念的设计阶段，引进前进的概念的设计方法，能够有效地激发对产品的创造的能力，能够快速寻找出商品的设计方案，大大缩短设计的时间，减少商品的设计成本，使舞台机械设备能够在激烈的市场竞争中处于有利的地位。
二、概念设计的具体内容
概念设计的具体内容是根据产品的设计任务，来抽象化拟定概念设计的流程，之后寻求适合产品的最优的解决方案。用现代设计的方法中来分类，可以将舞台机械设计的概念的设计分为以下三类：
（一）产品创新设计
在舞台机械设备的工作原理等未知的情况下，通过概念设计的具体的要求来为舞台机械设备制定一份新的工作原理，在对产品进行科学的工作原理之后，通过运用现代的科学技术对这种新拟定的工作原理进行验证，看其在市场中是否具有可行性。概念设计的这个阶段是对产品的一种创新性的设计，创造出行的产品。
（二）产品适应性设计
在产品的质量方面为了满足舞台机械设备的使用的需求，在舞台机械设备工作原理不变的情况下，对舞台机械设备进行局部的变更或者创造不来一个新的部件。
（三）产品变形设计
这里产品的变形设计是指，在舞台机械设备的工作原理不变的情况下，对舞台机械设备的整体尺寸以及零部件的配置等，使其适应概念设计的要求。
从以上三个有关舞台机械设备概念设计的阶段可以看出，在舞台机械设计中概念设计具有重要的作用。在概念设计的核心在与对产品的总功能的分解，在对总共能分解为对个小功能之后，在得到设备的工作原理之后对这些小设备进行相关的细分和评估。评估的方法可以通过查找文献、进行模型设计等方法得来，也可以通^设计目录，因为设计目录是设计实验和设计经验的总和，可以通过运用计算机设备进行科学地辅助的设计。对于设计目录来说它承载了产品设计过程中的设计信息，将产品设计过程中的各个设计阶段的设计信息通过一定的编排和整理进行分类，然后作为信息进行存储。其中目录可以分为对象目录，对象目录是不针对具体的目录信息进行存储；解法目录是针对在产品设计中针对产品的具体的解法的信息，它可以详细了解产品在各个设计阶段总的解法的具体的信息，可以推动在舞台机械设备中的概念设计的有效进行。
三、总结
综上所述，可以看出概念设计在舞台机械设备设计中的运用具有重要的作用，概念设计可以推动舞台机械设备在设计过程中的创新性，是舞台机械设备在激烈的市场竞争中处于有利的地位。
关键词：机械工程；机械设计能力；培养模式；典型案例
机械制造业不仅是现代工业发展建设的发动机，更是国民经济的支柱产业。近年来随着科技的进步，“中国制造2025”正推进制造业由传统制造向现代制造与智能制造进行转型与发展。“科技强国，人才兴国”，为适应产业的飞速发展与转型的需求，社会对具有较强机械工程实践与创新能力的高素质应用型高级专业人才需求量增大。因此，在高校机械专业人才培养中，亟须强化工程实践能力与现代机械设计能力的培养[1]。为提高机械专业人才培养质量，各高校在人才培养体系、核心课程的教学内容与教学方法等方面都进行了大量的有益探索[2-3]。但目前，相关教改研究主要集中在教学内容与教学方法的改进与优化以及实践教学改革研究等方面[4]，而对深度融合多课程、多环节的全过程专业能力培养的研究较少。为提高毕业生的现代机械设计能力，开展基于典型案例的多课程、多环节、深度融合的培养模式研究，符合机械专业工程教育专业认证的大潮流，具有重要的意义和推广价值。
一、现状及问题
地方院校主要为区域经济建设和社会发展服务，承担着为行业技术进步培养卓越工程人才的责任。然而，一直以来部分地方院校沿袭高水平院校机械专业人才的培养模式，未根据自身实际情况修改导致所培养的人才与社会需求错位，社会急需能胜任现代机械制造行业发展的研发、设计工作的专业技术人才。此外，地方院校学科专业硬件建设的投入较小，先进仪器设备与实训平台的台套数少，实践教学环节较为薄弱。我国已广泛开展工程教育认证工作，基于工程认证以成果为导向的教育理念，学生毕业能力是人才培养的核心任务，而现代机械设计能力是机械设计制造及其自动化毕业生的核心能力。由于机械设计类课程多、教学内容比较抽象、理论深奥且比较枯燥，学生多有畏难、厌学情绪，教师授课比较困难，导致学生机械设计知识掌握不扎实、机械设计软件应用不熟练、机械创新设计与综合设计能力较弱等现象，学生的专业能力与机械工程实际需要存在一定的脱节，不能满足机械制造业发展的人才培养需求，人才培养效果还需继续改善。本文以哈尔滨商业大学的机械专业为例，该专业已开展工程教育认证工作，根据培养方案要求毕业生须具备包括机械产品设计能力、机械零件制造能力、机电系统控制能力、特色食品包装机械研发能力的机械工程综合应用能力，其中最基本、最核心的是机械产品设计能力，专业能力形成体系如图1所示。针对培养目标，培养方案中不仅设置了“机械原理”“机械设计”“机械系统设计”等理论课程，也安排了机械设计课程设计、专业综合课程设计、专业生产实习、CAD/CAE实训及毕业设计等实践教学环节，形成了比较完整、规范的现代机械设计能力培养体系（如图2所示）。通过这些教学环节的训练，机械专业的毕业生能比较熟练地掌握现代机械设计方法及手段。但是，由于各门课程、各个实践环节的缺乏交流协商机制，都按各自的思路与模式开展教学，没有形成一个统一、有机的全过程培养体系，导致出现部分基础薄弱的学生工程软件应用不熟练、机械创新设计与综合设计能力较弱等现象，毕业生的现代机械产品设计能力还有待提高。
二、培养模式改革的具体方案与措施
在工程教育背景下，哈尔滨商业大学机械设计制造及其自动化专业优化人才培养途径，研究建立了基于典型案例的深度融合的多课程、多环节的现代机械设计能力全过程人才培养模式。
（一）完善机械设计能力全过程培养体系
为实现符合工程教育专业认证的毕业生专业能力培养要求，机械专业修订了人才培养方案和课程教学大纲，并整合、优化工程案例，通过齿轮传动及减速器设计的典型案例，将现代机械设计的能力培养贯穿课程教学、生产实习与课程设计、毕业设计等人才培养的全过程，全面夯实学生的机械设计能力，提高毕业生的工程素养与工作适应性。基于学科认知规律，从机械专业的初步认识机械→简单机械产品设计→现代机械设计方法设计→机械产品综合设计→复杂机械产品设计→复杂产业机械设计及研发→实际工程应用的人才培养规律，综合分析机械专业的师资队伍、硬件条件以及历史传承，建立机械专业基于典型案例的现代机械设计能力全过程培养体系，如图3所示。
（二）充实机械设计能力培养的教学内容
以齿轮传动及减速器设计为案例，将机械原理、机械设计、机制工艺等核心课程与课程设计、实训、生产实习、毕业设计等实践环节深度融合，经过多轮从理论到实际、从实际到理论的循环培养过程，逐步培养学生运用专业知识去分析、解决机械工程问题的能力。形成规范、完整的机械设计能力培养体系，解决了机械设计类课程追求理论体系完整、忽视工程实践的弊端。1.第三学期。“机械原理”课程教师可通过学生感兴趣的汽车及变速箱动画，使他们了解汽车变速箱的工作原理及齿轮传动原理，增加其对传动机构有感性认识，激发学生的学习热情，同时，着重讲解齿轮传动的工作原理及轮系设计，解决由于课程理论深奥且比较枯燥的难题。2.第四学期。首先，可通过“金工实习”让学生近距离观察CA6140车床主轴箱，使其对齿轮传动有更深入的认识和理解。其次，教师可通过“机械设计”课程教学，重点讲述齿轮传动设计、齿轮校核等内容。最后，通过齿轮减速器课程设计，让学生深入理解齿轮传动设计过程及设计要点，使他们初步了解机械产品设计的基本过程。3.第五学期。教师可通过“机械CAD/CAE/CAM技术”课程，让学生掌握三维设计软件Solidworks、二维平面设计软件AutoCAD的使用，建立轴、齿轮、箱体等典型零件的三维模型，了解ANSYS、COSMOS等先进机械设计软件的应用；通过机械CAD/CAE实训，建立圆柱齿轮减速器三维模型，完成齿轮减速器的装配图及典型零件图，使学生真正理解如何运用先进工具完成机械产品的设计。4.第六学期。可通过大型机械制造企业生产实习，让学生理解齿轮、齿轮轴等典型零件的加工工艺；通过“机械制造工艺学”课程，重点理解齿轮加工工艺、设计计算以及尺寸链等内容；通过齿轮加工工艺及夹具设计，使学生深入理解机械产品、机械零件的设计及加工，形成机械产品设计过程中要综合考虑机械零件加工的良好工程设计习惯。5.第七学期。通过“机械系统设计”课程教学，重点讲述有级变速传动的设计；通过车床主轴变速箱课程设计，让学生能进行复杂机械系统整体布局、传动系统设计、操纵机构设计等，形成复杂机械产品设计的初步能力。6.第八学期。通过毕业设计，让学生运用Solidworks等工程软件完成一个比较复杂的机械产品设计，形成复杂机械产品设计能力。通过6个学期全过程机械产品设计能力的培养，可使学生具备熟练运用机械专业知识和专业技能的能力，能够运用自然科学和工程科学的基本原理，去表述与分析复杂机械工程问题，提出解决方案，完成比较复杂的机械产品的设计与开发，提升专业能力和工程素养。
（三）改革教学方法，提升教学效果
为提升教学效果，教师要全过程贯彻案例式教学方法，并形成自己的课堂教学、实践教学及课外科技活动相结合的立体化教学思路。1.采用案例驱动教学方法，提高学生的工程设计能力。通过齿轮传动及减速器设计的典型案例，全过程贯彻齿轮传动及减速器的工作原理、设计理论及工程实践，逐步培养学生运用专业知识去分析、解决机械工程问题的能力，夯实学生的现代机械设计能力，提升学生的工程素养和工作适应性。2.采用系统论方法，完善机械设计能力培养体系与课程内容。采用系统论方法，将机械设计类各门课程、各个实践环节各自为政开展教学的现状，通过齿轮传动及减速器设计的案例教学，形成一个统一、有机的机械设计能力全过程培养体系，提升学生的工程素养和工作适应性。3.采用重点论方法，提升学生对机械产品设计的理解。教师要全过程地重点讲解齿轮传动及减速器的设计、加工、材料选用、总体设计以及三维建模等，通过课堂讨论及习题课，让学生举一反三，充分调动其学习积极性，促进其对课程内容的消化和理解。4.采用理论联系实际的方法，将教改、科研成果及学科前沿融入教学。教师可采用理论联系实际的方法，将教改、科研成果、学科前沿和高新技术信息有机地融入教学过程，不断补充、更新教学内容，深化学生对机械理论知识的理解和掌握，锻炼其实际动手能力，并向其传授更多、更新、更先进的知识，激发学生的兴趣。5.结合实践教学与课外科技活动方法，提升教学效果。教师可结合生产实习、课程设计与课外科技活动，通过现场实物教学法，提升学生对机械的感性认识，激发他们主动学习的积极性，提升教学效果。
三、结论
本文在对机械制造业发展现状及需求的大量调研基础上，分析地方商科院校的现实困境及现状，并以哈尔滨商业大学机械专业为例，建立了基于典型案例的现代机械设计能力的全过程培养体系。通过齿轮传动及减速器设计的典型案例，将现代机械设计能力的培养贯穿课程教学、实践教学等人才培养全过程，全面夯实机械专业毕业生的机械设计能力，提高毕业生的工程素养与工作适应性。通过对机械专业培养模式的改革，将会使培养出的机械专业人才更符合国家发展战略以及产业转型需要。通过该项目的研究，也可为其他地方院校在进行机械专业培养模式的教育改革与实践中提供有效的经验借鉴与参考。
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【关键词】机械设计；设计过程；运动方案
0.引言
机械设计的最终的目的是运用各种现有条件（计算手段、材料、理论知识以及加工能力等），设计出最优秀的机械，或者称为优化设计。机械设计通常需要综合多方面的因素进行考虑，通常的要求有：环境污染小、尺寸和重量小、总做性能良好、耗损率低、制造成本地等等。但是这些需求洪有一些是相互矛盾的，且机械的需求和用途也是不同的。因此，设计者在进行设计的过程中，需要综合考虑多方面的因素，尽量满足用户的需求。历史上的机械设计通常是根据自己的经验以及理论知识进行的，目前我国科学技术发展较为迅速，设计者可根据计算机的统计数据。机械的相关材料以及用户的需求等进行设计。
1.机械设计概念的论述
机械设计通常是指，按照客户使用的需求对机械的方法、能量传递、工作原理、零件尺寸材料以及运动方式等进行分析和计算，作为以此制作的参考依据的工作流程。设计是为了能够将现有的条件进行整合，考虑各方面的因素，通过制造最终形成产品，为人类服务。
1.1机械设计的基本要求
机械设计的基本要求通常有以下几点：环保方面的要求、机器用途方面的要求、经济适用性要求以及造型方面的要求[1]。机械设计应当在原有设计的基础上对机械进行重新设计或者对机械的局部进行改造。运用当前较为先进的技术，采用的新的设计理念进行设计。对于机械零件的要求通常是在降低成本的情况下保证零件的工作能力。零件的工作能力通常是指在工作环境特定的情况下的承载力。在对机械零件进行设计时，需要保证材料运用合理，降低材料的成本费用。还需对零件的工艺性做出保证，有效的减制造的费用。除此之外，还需尽量将设计过程简化，节约工作时间。
1.2机械设计的分类
机械设计通常可分为变形设计、开发性设计以及适应性设计。
变形性设计通常是在保证工作原理不改变的条件小，对于现有的产品的尺寸以及配置进行优化，或者增加一些型号[2]。扩大机械的工作范围，满足更多工作的需求。
开发性通常是指对原有机械的设计方案以及工作原理进行重新改革。
适应性设计通常是指在机械的原理方案保持不变的情况下，对于机械的局部进行重新设计或者更换新的部件，是机械产品更加符合工作的需求。
1.3机械设计过程
机械的设计过程通常是指从确定设计任务到编制技术的文件之间运用的工作流程。机械设计的过程通常可分为以下四个阶段：决策、评估以及改进；产品的规划；技术方案的设计以及原理方案的设计。
决策、评估以及改进主要包括机械采用的调试、加工以及安装制造出的样本机器，然后对样本机器试运行或在生产现场进行使用，发现问题及时调整。
产品的规划主要包括机械设计的任务以及提出相应设计任务书。
技术方案的设计主要包括将设计的而结果用工程图或者计划书的形式进行展现。
原理方案的设计通常包括确定机械的工作原理以及机械运动的方案，画出关于机械运动的简图。
1.4机械设计零件的设计
对于机械零件的设计通常可根据工作需求绘制出较为完整零件工作图，并且制定相关的技术要求，将计算说明书以及相关的技术文件及时的编制出来。还需对零件的参数的选择，选定最为合适的材料，按照计算的准则将零件的主要尺寸及进行确定，要综合各方面的因素（主要包括成本、工作原理以及结构等）进行考虑[3]。根据机器的具体运转情况以及简单的计算方案将零件的载荷进行确定。然后对零件的结构进行设计，在工作的过程中，对零件的工作情况进行分析，对于零件失效的形式进行判断，找出正确的计算准则，对零件进行调整。在设计的过程中，这个极端是不能避免的且需要反复进行才能够得到最佳的效果。需注意的是，在对零件进行设计的过程中，设计时间通常要根据工作情况进行简化，因此计算的条件都会具有一定的假定性，需要根据实际的应用情况对零件进行调整。
零件材料的选择通常包括复合性材料、非金属性材料、黑色金属以及有色金属等；黑色金属通常包括铸钢、钢、以及铸铁；非金属材料包括橡胶、塑料以及陶瓷。有色金属通常包括铜合金以及铝合金。
除了对设计方面的问题进行及时的纠正外，对于零件失效的问题也要进行关注。零件失效通常是指在特定的工作条件下，机械零件失去了正常的工作能力。零件的失效形式通常可分为：可靠性失效、噪声失效、磨损失效、强度失效、精度失效以及刚度失效等等。零件出现失效的情况可能是由于震动或大或者共振、零件发生断裂或者零件变形过大导致的。因此在设计以及实验的过程中，一定要注意零件的尺寸、磨损度以及载荷力。
2.机械系统运动方案的设计
机械运动系统方案通常是从运动学的角度入手，机械的系统的基本工程通常是机械运动的变化、生成以及传递等。在机械系统中，动力系统能够生成原始的机械运动，经过传动系统的传递，通过执行系统后才能够实现目标输出[4]。在日常工作中，机械设计产品通常是较为复杂的，不可能直接满足总功能方案的需求，因此，需要按照系统分解的原理进行功能的分解，将总体的功能分为多种功能单位，对这些较为简单的功能单位进行就求解，充分运用组合的方式，由此形成多个总功能求解的功能原理方案。可通过下列几种手段进行，即功能合成、确定总功能以及功能分解。
功能合成主要是将分功能与基本功能相结合，形成较为明确的功能结构，更方面操作。确定总功能主要是根据设计任务的需求，通过对机械系统运动的形式合理的设定，体现出本质功能。功能分解是指将总功能分为一个个独立的单位，将一部分解至不可再分解的基本功能。机械系统设计的基本原则通常有以下几种形式：即保证机械安全运转、合理安排机械效率、采用精简的运动链、合理分配转动比等等，再设计的过程中，需要严格遵照这几项原则对机械系统进行调整，保证机械设计的顺利进行。
3.结语
现代机械设计将传统设计中的类比法以及经验提升至系统的、逻辑严密的以及理性设计形式，在静态分析的基础上，增加了动态多变量的最优化[5]。现代机械设计将设计对象看做是系统的，同时综合考虑到了各方面的因素，将机械系统进行调整，达到最佳状态，更好的为生产服务。
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