基于知识融合的“机械设计”教学方法研究

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摘 要：为提高“机械设计”课程的教学效果，基于该课程的特点及多年的教学实践，提出了知识融合的“机械设计”教学方法。本文结合若干实例对课程教学中的横向知识融合与纵向知识融合相结合进行了详细的叙述。

关键词：机械设计；知识融合；教学方法

“机械设计”是机械类专业人才培养课程体系中非常重要的一门专业基础课，在整个课程体系中起着承上启下的作用。在该课程的内容中，既体现了对先修的一些基础课的综合应用，又为后续相关专业课程的学习乃至未来的技术工作奠定基础。“机械设计”主要讲述机械工程中一些最常用的通用机械零件（如连接件、传动零件、轴系零件及箱体类零件等）的工作能力（主要是承载能力）设计理论和设计方法。从课程内容构架看，基本是每种通用零件自成一章，各章之间的内容形式上相互独立，不存在技术逻辑上的直接关联。加之课程内容中关于类型、特点、工程经验、设计原则等的文字叙述较多，看似互不关联的公式、参数、图表等较多，因此，该课程总体上表现出内容离散、多杂的特点，从而使学生在学习过程中普遍反映理不清头绪和抓不着要领等问题。

鉴于“机械设计”课程的重要性，关于该课程的教学方法已有较多研究，这些研究主要分为三方面：关于课程总体教学的研究、课程实践教学环节（实验教学、课程设计等）的研究和课程课堂教学方法的研究。本文基于多年的“机械设计”教学实践，对该课程课堂教学过程中的横向知识融合和纵向知识融合进行了介绍，较具体地论述了教学中的一些主要知识融合点和融合实例。

一、“机械设计”教学中的横向知识融合

1.“横向知识融合”教学及其意义

所谓“横向知识融合”，系指课程之间相关知识的融合。任何一个专业人才培养的课程体系都存在较密切的知识关联和技术逻辑关系。但在教学安排上，由于各课程的教学时间和空间上通常是分立的，这种课程之间的有机联系学生通常难于体会和把握。因此，通过课程学习，学生掌握的理论知识和方法通常是局部的孤立的。一方面，影响课程本身的教学效果；另一方面，由于后续专业课程的学习以及工程实际问题的解决通常需要涉及多课程的知识和方法。因此，局限于课程内部知识的孤立的教学方式也会对后续的学习和工作产生不良影响。

关联相关课程知识的知识融合，教学方式上无疑可取得更好的教学效果。“机械设计”作为机械专业一门很重要的专业基础课，其课程内容的突出特点之一本身就是知识的综合性。为此，在教学过程中，将相关课程知识融于其中，既是可行的也是非常必要的。

2.“横向知识融合”教学实例

在机械专业人才培养课程体系中，与“机械设计”课程具有较密切知识理论关联的课程有“机械制图”、“工程材料”、“理论力学”、“材料力学”、“机械原理”、“金属工艺学”、“互换性与测量技术”及“机械制造基础”等。在课程讲述过程中，应根据“机械设计”教学内容，在相应的知识点处，充分将与上述课程相关的知识点融合进来，从而加深学生对课程知识的更深刻理解和对专业知识的总体把握。例如，在讲述螺纹连接类型时，可对“机械制图”中螺纹连接结构的画法进行一定的巩固；讲述螺纹连接强度计算时，可回顾“材料力学”中组合变形、复杂应力状态及强度理论等知识点进行讲解；讲述普通平键连接类型及特点和蜗杆传动类型时，可结合“机械制造基础”中的车铣加工进行解释；带传动工作力和应力分析部分的讲述可结合“理论力学”相关知识和“材料力学”中的弯曲应力知识点进行讲述；齿轮传动及蜗杆传动材料选择部分可融入“工程材料”中的相关知识点；齿轮传动参数选择及强度计算讲述过程中，可将“机械原理”中的相关部分知识充分结合起来进行讲述；过盈连接及滚动轴承配合部分的讲述可融合“互换性与测量技术”中的相关内容等。在“机械设计”课程的讲述中，类似的情况还有很多，总之，恰当地将相关课程的知识融合在其中，对于提高教学效果具有非常明显的作用。

二、“机械设计”教学中的纵向知识融合

1.“纵向知识融合”教学及其意义

所谓“纵向知识融合”，系指课程章节之间相关知识的融合。“机械设计”课程的一个突出特点之一是内容多杂而离散，各章形式和内容上均无直接的逻辑关联。因此，教学过程中，若各章独立讲述，互不牵扯和关联，形成一种类似“孤岛”式的知识散布，将严重影响课程的教学效果。表象上，学生普遍反映突出的问题是感觉内容杂乱、无法抓住核心和重点；更深层次的问题是：学生无法理解和掌握机械零件设计的一般方法和规律，难于达到举一反三、灵活应用知识的目的。事实上，无论是哪一种通用机械零件或是专用机械零件，都有一个内在统一的设计规律、设计流程和分析方法。纵然这些规律和流程等通常都在“机械设计”的绪论部分有所阐述，但毕竟形式上与后续各种具体通用机械零件的章节内容分离，学生学起来感觉抽象；加之教学时间上又通常是脱节的，因此，学生仍然无法将这些一般规律和方法与具体零件的设计方法关联起来。为此，在教学过程中，不仅要注意相关课程之间知识点的融合，还必须将课程各章节中的一些内在的关联知识融合起来，这对像“机械设计”这类尤其在形式上缺乏关联的课程教学来说尤为重要。

2.“纵向知识融合”教学实例

事实上，如前所述，在“机械设计”教学中注意纵向知识融合不仅是必要的，而且是可行的。在“机械设计”各章中，存在着许多原理相同的或具有相似性和类比性的知识关联。例如，关于零件工作面的概念，在螺纹类型中有（锯齿形螺纹），在键连接中有（平键的两侧面和楔键的上下表面），在带传动中同样有（平带的下表面和V带的两侧面）。讲述时将这些知识关联起来，对于学生融会贯通的理解非常有帮助。关于键连接和花键连接讲述时，可以介绍平键连接到花键连接的演化，花键的挤压强度计算公式也完全可与平键连接的强度计算公式进行类比而发现其本质上的形同；带轮和齿轮结构形式上有很大相似性，讲述时可相互关联；滚动轴承基本额定寿命计算公式本质上与疲劳曲线方程是完全相同的；齿轮传动与蜗杆传动有较多相同的失效方式，但主次关系却不同，将其关联起来讲述，分析其内在的根源，对于学生的理解也大有裨益。若更进一步地，在教学过程中，将各章相关知识进行充分融合，可使得学生深层次掌握机械零件设计的一般规律和方法，可将通用机械零件的设计理论和方法延伸到专用机械零件的设计中，从而起到举一反三、灵活应用之目的。

“机械设计”作为机械类专业人才培养课程体系中一门非常重要的专业基础课，提高其教学效果对课程本身的学习乃至机械专业知识的总体掌握具有重要意义。教学过程中，基于课程本身的特点，充分关联相关课程及各章节之间的知识，进行“横向知识融合”和“纵向知识融合”，对于提高课程教学效果及机械专业人才培养质量具有重要意义。

参考文献：

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[本文是武汉科技大学教学研究重点项目“基于问题驱动和知识融合的‘机械设计’课程教学模式与方法的研究与实践”的阶段性成果]