面向地質(zhì)工程專業(yè)的“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程教學(xué)創(chuàng)新與實踐

【摘""要】“機械設(shè)計基礎(chǔ)”是地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。在實際教學(xué)過程中存在與地質(zhì)工程專業(yè)關(guān)聯(lián)性較小、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、教學(xué)與實踐分離等問題?；诖耍恼绿岢鲆氲刭|(zhì)工程實際案例的教學(xué)方法，并結(jié)合開設(shè)的巖土鉆掘設(shè)備教學(xué)拆裝實習(xí)進行常用機構(gòu)和零件的講授，讓學(xué)生在設(shè)計與實踐的一體化學(xué)習(xí)過程中深入掌握機械設(shè)計的基本知識，探索出一種與專業(yè)緊密結(jié)合的面向地質(zhì)工程專業(yè)學(xué)生的“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程教學(xué)新形式?！娟P(guān)鍵詞】“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程；地質(zhì)工程專業(yè)；教學(xué)改革；工程實際一、引言“機械設(shè)計基礎(chǔ)”是大部分工程學(xué)科非機械專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。國內(nèi)大多數(shù)高校的地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）都將“機械設(shè)計基礎(chǔ)”作為專業(yè)基礎(chǔ)必修課程列入本科教學(xué)培養(yǎng)方案中?！皺C械設(shè)計基礎(chǔ)”是地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）課程體系中一門具有承上啟下作用的課程，對學(xué)生今后在鉆掘設(shè)備課程的學(xué)習(xí)及解決實際裝備應(yīng)用問題等方面具有重要作用[1-2]。因此，學(xué)好“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程對學(xué)生后續(xù)設(shè)備類課程的學(xué)習(xí)及今后從事相關(guān)工作都有十分重要的意義。然而，“機械設(shè)計基礎(chǔ)”因內(nèi)容繁雜，公式多，知識點分散，是近機類或非機類學(xué)生普遍反應(yīng)較難學(xué)習(xí)的一門課程[3-5]。究其原因有以下幾方面：①針對應(yīng)用型人才和卓越工程師的培養(yǎng)目標，大多數(shù)高校的地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）培養(yǎng)方案和課程體系都有較大調(diào)整，其中“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的理論學(xué)時一再壓縮，而該課程知識點廣泛，理論學(xué)時的減少勢必導(dǎo)致授課質(zhì)量受到影響。②一般情況下，地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）的“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程都是由機械專業(yè)的教師授課，遵循機械專業(yè)的教學(xué)體系，沒有根據(jù)地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）的培養(yǎng)體系對該課程進行改進。③大多數(shù)授課教師沒有巖土鉆掘設(shè)備相關(guān)知識儲備，導(dǎo)致講授該課程時無法與地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）進行很好的關(guān)聯(lián)，學(xué)生學(xué)習(xí)目的不明確。因此，亟須探究一種適用于非機械類專業(yè)和機械相關(guān)專業(yè)“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程理論教學(xué)的教學(xué)模式，以適應(yīng)新工科培養(yǎng)方案的要求。針對目前“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程理論教學(xué)存在的問題，課程團隊結(jié)合多年從事地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程教學(xué)的經(jīng)歷，基于地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）培養(yǎng)方案，通過結(jié)合后續(xù)開設(shè)的“巖土鉆掘設(shè)備教學(xué)實習(xí)”課程，將真實的XY-2鉆機拆裝后得到的常用機構(gòu)和零部件作為“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的案例進行教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在有限的時間內(nèi)掌握更多的理論知識。對比分析表明，針對近機類專業(yè)，采用這種教學(xué)方法的“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的教學(xué)效果得到了有效提高。二、地質(zhì)工程專業(yè)“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程教學(xué)現(xiàn)狀分析（一）教學(xué)要求與目的“機械設(shè)計基礎(chǔ)”是地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，結(jié)合了“工程力學(xué)”“金屬工藝學(xué)”“公差與配合”等課程的基礎(chǔ)知識。學(xué)習(xí)機械設(shè)計的一些基本原理，可以為今后從事運維、工藝等工作的學(xué)生在運動的力學(xué)原理、機構(gòu)的組成，以及常見的零部件結(jié)構(gòu)等方面提供必要的基礎(chǔ)知識[6-8]。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)以下教學(xué)要求與目的。①能運用機械設(shè)計手冊、標準、規(guī)范等相關(guān)資料分析和設(shè)計簡單機構(gòu)，并能確定簡單的機械運動學(xué)方案。②具備鉆掘設(shè)備的正確使用和簡單維護的能力，能夠?qū)︺@掘設(shè)備的簡單機械故障進行識別并處理。③通過“機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計”“巖土鉆掘設(shè)備教學(xué)實習(xí)”等實踐課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠具備一定的動手實操能力。④對中國裝備制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展有所了解，激發(fā)愛國情懷。（二）教學(xué)內(nèi)容與方法地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括以下幾方面。①典型機構(gòu)（如平面四桿機構(gòu)、凸輪/齒輪機構(gòu)等）的結(jié)構(gòu)、動力學(xué)特征分析，常用鉆掘設(shè)備的典型機構(gòu)實例分析及簡單設(shè)計方法教學(xué)等。②典型零件（如連接件、軸/軸承等）的結(jié)構(gòu)、運動分析，常用鉆掘設(shè)備典型零件實例分析，以及軸設(shè)計的基本方法教學(xué)。③典型傳動系統(tǒng)（如齒輪傳動、帶傳動、蝸輪蝸桿傳動、鏈傳動等）的結(jié)構(gòu)分析及在常用鉆掘設(shè)備上的應(yīng)用實例等。在教學(xué)安排上，與機械類專業(yè)相比要求稍低，更注重對內(nèi)容的一般性了解，尤其注重在鉆掘設(shè)備上的分析和應(yīng)用。三、地質(zhì)工程專業(yè)“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革創(chuàng)新地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的培養(yǎng)目標和教學(xué)內(nèi)容與常規(guī)機械專業(yè)的要求有較大不同，其更側(cè)重學(xué)生的實際應(yīng)用能力?！皺C械設(shè)計基礎(chǔ)”課程通常在大二開設(shè)，為學(xué)生大三、大四學(xué)習(xí)“巖土鉆掘設(shè)備”“設(shè)備拆裝實習(xí)”等課程奠定基礎(chǔ)。學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程中存在適應(yīng)較慢的問題?；谶@種情況，教師在教學(xué)過程中應(yīng)針對地質(zhì)工程專業(yè)的特點，結(jié)合地質(zhì)方向常用的機械設(shè)備，如鉆井設(shè)備、巖土工程施工設(shè)備等，對教學(xué)方法進行不斷探索和優(yōu)化，提高“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的教學(xué)質(zhì)量。（一）提高與地質(zhì)工程相關(guān)專業(yè)課程的聯(lián)系程度地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）男生人數(shù)占比高，普遍有較好的動手能力，在開始學(xué)習(xí)“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程時，對機械也有較大的興趣。隨著學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生發(fā)現(xiàn)課程與專業(yè)的關(guān)聯(lián)程度不高，因而會對學(xué)習(xí)目的產(chǎn)生疑問，影響學(xué)習(xí)效率。因此，教師需要將該課程與學(xué)生專業(yè)結(jié)合起來，在講授“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的同時，將其與鉆掘機械設(shè)備的用途融合在一起，讓學(xué)生明確該課程對相關(guān)專業(yè)的支撐作用，以此提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。例如，教師在講授平面連桿機構(gòu)中的偏心輪機構(gòu)時，可以結(jié)合BW-100型泥漿泵曲軸箱中的活塞運動機構(gòu)進行講解，即控制BW-100型泥漿泵活塞運動機構(gòu)就是曲柄搖桿機構(gòu)中的偏心輪機構(gòu)，偏心輪帶動連桿運動，從而推動活塞進行往復(fù)運動，使活塞與泵壁所夾的空間改變，從而吸入和壓出泥漿。通過講授鉆掘常用設(shè)備中泥漿泵的活塞機構(gòu)，增加課程與專業(yè)的關(guān)聯(lián)性，對學(xué)生今后進行鉆掘設(shè)備的正確拆裝和工作后實際設(shè)備的操作都有很大的幫助。（二）以專業(yè)實際應(yīng)用為導(dǎo)向合理安排教學(xué)模式由于“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的知識面廣、知識點多，因此，教師需要在教學(xué)模式上與地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）的特點和教學(xué)要求相結(jié)合，教學(xué)內(nèi)容的制定、教學(xué)實例的選擇、教學(xué)方法的設(shè)計、常規(guī)機械設(shè)備在行業(yè)中的使用情況等各方面的設(shè)置，都盡可能貼近地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）背景。教師應(yīng)將專業(yè)的理論知識，如公式推導(dǎo)等學(xué)時適當壓縮，增加提高實際應(yīng)用能力內(nèi)容的學(xué)時。例如，教師在講解機械通用機構(gòu)（平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)）的結(jié)構(gòu)分析、運動特性分析時，可以結(jié)合地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）的培養(yǎng)需求對其結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用進行講授，對理論性較強的公式只需要關(guān)注公式中參數(shù)的含義及選擇方法即可；在講解機械零部件的時候，教師利用在“巖土鉆掘設(shè)備教學(xué)實習(xí)”中拆裝XY-2立軸式鉆機時拍攝的零部件照片和視頻進行講解，引入案例時側(cè)重點應(yīng)放在相關(guān)的鉆探設(shè)備上，如常用巖土鉆掘設(shè)備、摩擦式離合器、卷揚機等，加強知識學(xué)習(xí)的連貫性及統(tǒng)一性，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。（三）采用靈活多樣的教學(xué)手段1.充分利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段教師將在“巖土鉆掘設(shè)備教學(xué)實習(xí)”中拆裝XY-2立軸式鉆機時拍攝的大量關(guān)鍵零部件照片，以及錄制的主要部件的拆裝過程視頻整理后放入多媒體課件中，在課程教學(xué)時進行播放，增加課程與專業(yè)的聯(lián)系度，達到化繁為簡和化難為易的目的。以齒輪減速器為例，教師將鉆機分動箱的拆裝視頻通過多媒體方式進行展示，并對拆裝后的軸、雙聯(lián)齒輪、小弧齒錐齒輪等重要零部件的工作原理進行講解，使學(xué)生理解如何通過撥叉帶動雙聯(lián)齒輪將輪系進行不同組合，實現(xiàn)升降機的變速及減速。2.虛擬仿真實驗教學(xué)成都理工大學(xué)“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程依托成都理工大學(xué)地質(zhì)與巖土工程國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的地質(zhì)鉆掘虛擬仿真實驗教學(xué)平臺進行教育教學(xué)[9]。該虛擬仿真實驗教學(xué)平臺采用多媒體動畫及媒體交互技術(shù)等多種VR（VirtualReality，虛擬現(xiàn)實）技術(shù)，對大量常用鉆掘設(shè)備進行建模及裝配，主要包括鉆機（圖1）、動力機、鉆塔等，同時還錄入了主要設(shè)備的性能、特點及重要參數(shù)。在三維立體系統(tǒng)環(huán)境中，學(xué)生不但可以360°任意旋轉(zhuǎn)、全方位地觀看對應(yīng)的鉆井裝置，而且還能將鉆機拆分成機械傳動部分、液壓傳動部分及機座部分，機械傳動部分還可以進一步拆分為離合裝置、變速裝置及升降裝置等。通過VR展示，學(xué)生不僅可以仔細觀察各主要部件的結(jié)構(gòu)、機構(gòu)組成，以及輔以的詳細參數(shù)介紹，而且可以對常用鉆掘設(shè)備有更直觀的認識，對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)有良好的促進作用。（四）理論結(jié)合實際的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)根據(jù)成都理工大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）培養(yǎng)方案，“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程配套有“機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計”和“巖土鉆掘設(shè)備教學(xué)實習(xí)”2個相關(guān)實踐課程。其中，“巖土鉆掘設(shè)備教學(xué)實習(xí)”通過對典型設(shè)備（XY-2立軸式鉆機和BW-100型泥漿泵）的拆裝、測量，以及讀裝配圖，加強學(xué)生對機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工作原理和拆裝程序等相關(guān)內(nèi)容的了解。“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程教學(xué)中運用了大量拆裝實習(xí)中的案例來進行教學(xué)，因此，學(xué)生對拆裝設(shè)備中常用機構(gòu)和零部件的工作原理、運動學(xué)原理都有一定程度的了解，再進行“巖土鉆掘設(shè)備教學(xué)實習(xí)”時能很快建立設(shè)備裝配圖與實際零部件之間的關(guān)聯(lián)及裝配關(guān)系。教師通過“機械設(shè)計基礎(chǔ)”理論課程和實踐課程的相互配合，幫助學(xué)生深入了解巖土鉆掘設(shè)備。四、教學(xué)效果對比為驗證實際的教學(xué)效果，教師對比分析了新教學(xué)模式下成都理工大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）2020級學(xué)生與采用常規(guī)機械專業(yè)教學(xué)方法的2019級學(xué)生的“機械設(shè)計基礎(chǔ)”及“巖土鉆掘設(shè)備教學(xué)實習(xí)”課程期末考試成績，如表1、表2所示?？梢钥闯?，采用實際案例教學(xué)后，“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程期末考試成績80分以上的人數(shù)明顯增加，不及格人數(shù)也明顯減少。值得注意的是，“巖土鉆掘設(shè)備教學(xué)實習(xí)”課程期末考試成績優(yōu)、良率也有一定程度的提高，驗證了該教學(xué)方法對“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的教學(xué)及學(xué)生對后續(xù)相關(guān)