面向地质工程专业的“机械设计基础”课程教学创新与实践

【摘""要】“机械设计基础”是地质工程专业（岩土钻掘方向）开设的一门专业基础课程。在实际教学过程中存在与地质工程专业关联性较小、学生学习积极性不高、教学与实践分离等问题。基于此，文章提出引入地质工程实际案例的教学方法，并结合开设的岩土钻掘设备教学拆装实习进行常用机构和零件的讲授，让学生在设计与实践的一体化学习过程中深入掌握机械设计的基本知识，探索出一种与专业紧密结合的面向地质工程专业学生的“机械设计基础”课程教学新形式。【关键词】“机械设计基础”课程；地质工程专业；教学改革；工程实际一、引言“机械设计基础”是大部分工程学科非机械专业的一门重要的专业基础课程。国内大多数高校的地质工程专业（岩土钻掘方向）都将“机械设计基础”作为专业基础必修课程列入本科教学培养方案中。“机械设计基础”是地质工程专业（岩土钻掘方向）课程体系中一门具有承上启下作用的课程，对学生今后在钻掘设备课程的学习及解决实际装备应用问题等方面具有重要作用[1-2]。因此，学好“机械设计基础”课程对学生后续设备类课程的学习及今后从事相关工作都有十分重要的意义。然而，“机械设计基础”因内容繁杂，公式多，知识点分散，是近机类或非机类学生普遍反应较难学习的一门课程[3-5]。究其原因有以下几方面：①针对应用型人才和卓越工程师的培养目标，大多数高校的地质工程专业（岩土钻掘方向）培养方案和课程体系都有较大调整，其中“机械设计基础”课程的理论学时一再压缩，而该课程知识点广泛，理论学时的减少势必导致授课质量受到影响。②一般情况下，地质工程专业（岩土钻掘方向）的“机械设计基础”课程都是由机械专业的教师授课，遵循机械专业的教学体系，没有根据地质工程专业（岩土钻掘方向）的培养体系对该课程进行改进。③大多数授课教师没有岩土钻掘设备相关知识储备，导致讲授该课程时无法与地质工程专业（岩土钻掘方向）进行很好的关联，学生学习目的不明确。因此，亟须探究一种适用于非机械类专业和机械相关专业“机械设计基础”课程理论教学的教学模式，以适应新工科培养方案的要求。针对目前“机械设计基础”课程理论教学存在的问题，课程团队结合多年从事地质工程专业（岩土钻掘方向）“机械设计基础”课程教学的经历，基于地质工程专业（岩土钻掘方向）培养方案，通过结合后续开设的“岩土钻掘设备教学实习”课程，将真实的XY-2钻机拆装后得到的常用机构和零部件作为“机械设计基础”课程的案例进行教学，提高学生的学习兴趣，使学生在有限的时间内掌握更多的理论知识。对比分析表明，针对近机类专业，采用这种教学方法的“机械设计基础”课程的教学效果得到了有效提高。二、地质工程专业“机械设计基础”课程教学现状分析（一）教学要求与目的“机械设计基础”是地质工程专业（岩土钻掘方向）一门重要的技术基础课程，结合了“工程力学”“金属工艺学”“公差与配合”等课程的基础知识。学习机械设计的一些基本原理，可以为今后从事运维、工艺等工作的学生在运动的力学原理、机构的组成，以及常见的零部件结构等方面提供必要的基础知识[6-8]。通过该课程的学习，学生能够实现以下教学要求与目的。①能运用机械设计手册、标准、规范等相关资料分析和设计简单机构，并能确定简单的机械运动学方案。②具备钻掘设备的正确使用和简单维护的能力，能够对钻掘设备的简单机械故障进行识别并处理。③通过“机械设计基础课程设计”“岩土钻掘设备教学实习”等实践课程的学习，学生能够具备一定的动手实操能力。④对中国装备制造业创新发展有所了解，激发爱国情怀。（二）教学内容与方法地质工程专业（岩土钻掘方向）“机械设计基础”课程的教学内容主要包括以下几方面。①典型机构（如平面四杆机构、凸轮/齿轮机构等）的结构、动力学特征分析，常用钻掘设备的典型机构实例分析及简单设计方法教学等。②典型零件（如连接件、轴/轴承等）的结构、运动分析，常用钻掘设备典型零件实例分析，以及轴设计的基本方法教学。③典型传动系统（如齿轮传动、带传动、蜗轮蜗杆传动、链传动等）的结构分析及在常用钻掘设备上的应用实例等。在教学安排上，与机械类专业相比要求稍低，更注重对内容的一般性了解，尤其注重在钻掘设备上的分析和应用。三、地质工程专业“机械设计基础”课程教学改革创新地质工程专业（岩土钻掘方向）“机械设计基础”课程的培养目标和教学内容与常规机械专业的要求有较大不同，其更侧重学生的实际应用能力。“机械设计基础”课程通常在大二开设，为学生大三、大四学习“岩土钻掘设备”“设备拆装实习”等课程奠定基础。学生在学习这门课程中存在适应较慢的问题。基于这种情况，教师在教学过程中应针对地质工程专业的特点，结合地质方向常用的机械设备，如钻井设备、岩土工程施工设备等，对教学方法进行不断探索和优化，提高“机械设计基础”课程的教学质量。（一）提高与地质工程相关专业课程的联系程度地质工程专业（岩土钻掘方向）男生人数占比高，普遍有较好的动手能力，在开始学习“机械设计基础”课程时，对机械也有较大的兴趣。随着学习的深入，学生发现课程与专业的关联程度不高，因而会对学习目的产生疑问，影响学习效率。因此，教师需要将该课程与学生专业结合起来，在讲授“机械设计基础”课程的同时，将其与钻掘机械设备的用途融合在一起，让学生明确该课程对相关专业的支撑作用，以此提高学生的学习积极性。例如，教师在讲授平面连杆机构中的偏心轮机构时，可以结合BW-100型泥浆泵曲轴箱中的活塞运动机构进行讲解，即控制BW-100型泥浆泵活塞运动机构就是曲柄摇杆机构中的偏心轮机构，偏心轮带动连杆运动，从而推动活塞进行往复运动，使活塞与泵壁所夹的空间改变，从而吸入和压出泥浆。通过讲授钻掘常用设备中泥浆泵的活塞机构，增加课程与专业的关联性，对学生今后进行钻掘设备的正确拆装和工作后实际设备的操作都有很大的帮助。（二）以专业实际应用为导向合理安排教学模式由于“机械设计基础”课程的知识面广、知识点多，因此，教师需要在教学模式上与地质工程专业（岩土钻掘方向）的特点和教学要求相结合，教学内容的制定、教学实例的选择、教学方法的设计、常规机械设备在行业中的使用情况等各方面的设置，都尽可能贴近地质工程专业（岩土钻掘方向）背景。教师应将专业的理论知识，如公式推导等学时适当压缩，增加提高实际应用能力内容的学时。例如，教师在讲解机械通用机构（平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构）的结构分析、运动特性分析时，可以结合地质工程专业（岩土钻掘方向）的培养需求对其结构、工作原理及应用进行讲授，对理论性较强的公式只需要关注公式中参数的含义及选择方法即可；在讲解机械零部件的时候，教师利用在“岩土钻掘设备教学实习”中拆装XY-2立轴式钻机时拍摄的零部件照片和视频进行讲解，引入案例时侧重点应放在相关的钻探设备上，如常用岩土钻掘设备、摩擦式离合器、卷扬机等，加强知识学习的连贯性及统一性，为学生后续专业知识的学习奠定基础。（三）采用灵活多样的教学手段1.充分利用现代化的教学手段教师将在“岩土钻掘设备教学实习”中拆装XY-2立轴式钻机时拍摄的大量关键零部件照片，以及录制的主要部件的拆装过程视频整理后放入多媒体课件中，在课程教学时进行播放，增加课程与专业的联系度，达到化繁为简和化难为易的目的。以齿轮减速器为例，教师将钻机分动箱的拆装视频通过多媒体方式进行展示，并对拆装后的轴、双联齿轮、小弧齿锥齿轮等重要零部件的工作原理进行讲解，使学生理解如何通过拨叉带动双联齿轮将轮系进行不同组合，实现升降机的变速及减速。2.虚拟仿真实验教学成都理工大学“机械设计基础”课程依托成都理工大学地质与岩土工程国家级虚拟仿真实验教学中心的地质钻掘虚拟仿真实验教学平台进行教育教学[9]。该虚拟仿真实验教学平台采用多媒体动画及媒体交互技术等多种VR（VirtualReality，虚拟现实）技术，对大量常用钻掘设备进行建模及装配，主要包括钻机（图1）、动力机、钻塔等，同时还录入了主要设备的性能、特点及重要参数。在三维立体系统环境中，学生不但可以360°任意旋转、全方位地观看对应的钻井装置，而且还能将钻机拆分成机械传动部分、液压传动部分及机座部分，机械传动部分还可以进一步拆分为离合装置、变速装置及升降装置等。通过VR展示，学生不仅可以仔细观察各主要部件的结构、机构组成，以及辅以的详细参数介绍，而且可以对常用钻掘设备有更直观的认识，对后续专业课程的学习有良好的促进作用。（四）理论结合实际的实践教学环节根据成都理工大学地质工程专业（岩土钻掘方向）培养方案，“机械设计基础”课程配套有“机械设计基础课程设计”和“岩土钻掘设备教学实习”2个相关实践课程。其中，“岩土钻掘设备教学实习”通过对典型设备（XY-2立轴式钻机和BW-100型泥浆泵）的拆装、测量，以及读装配图，加强学生对机械设备的结构组成、工作原理和拆装程序等相关内容的了解。“机械设计基础”课程教学中运用了大量拆装实习中的案例来进行教学，因此，学生对拆装设备中常用机构和零部件的工作原理、运动学原理都有一定程度的了解，再进行“岩土钻掘设备教学实习”时能很快建立设备装配图与实际零部件之间的关联及装配关系。教师通过“机械设计基础”理论课程和实践课程的相互配合，帮助学生深入了解岩土钻掘设备。四、教学效果对比为验证实际的教学效果，教师对比分析了新教学模式下成都理工大学地质工程专业（岩土钻掘方向）2020级学生与采用常规机械专业教学方法的2019级学生的“机械设计基础”及“岩土钻掘设备教学实习”课程期末考试成绩，如表1、表2所示。可以看出，采用实际案例教学后，“机械设计基础”课程期末考试成绩80分以上的人数明显增加，不及格人数也明显减少。值得注意的是，“岩土钻掘设备教学实习”课程期末考试成绩优、良率也有一定程度的提高，验证了该教学方法对“机械设计基础”课程的教学及学生对后续相关