论文部分内容阅读
摘 要:“工程设计导论”课程使近年来工科教学得到普遍重视,本文探讨该课程在本科机械工程专业教学中的地位、目标,以及教学方法。提出一种通过形象思维途径将“工程设计导论”课程中工程能力的培养与科学基础的夯实有机结合的方法,在工程能力提高的同时,灌输基本的科学原理,传授动力学概念,训练计算能力,介绍创新思维方法,从而全面提高工程设计导论课程的教学效果。
关键词:工程设计导论工程能力科学素质形象思维
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)04(b)-0036-02
机械工程设计工作量只占全部工作量的20%,却确定了产品的质量、制造工艺方法、运行和管理。工科学生的工程设计能力是必具的基本能力之一。今天,科学技术迅猛发,工程设计在产品开发、企业设备更新等方面起了关键作用。时代要求我们必须重视和加强高等工程教育中工程设计的教学,使工科大学生在工程设计方面得到较好的培养和训练。在机械工程专业中开设“工程设计导论”课程可以帮助学生在大学初期就较早地建立工程和工程设计的概念,引导学生更好地学习其后的其他课程;同时使学生通过这门．对工程设计方法、过程有了初步了解,增加专业学习的兴趣。
在工程设计导论课中,就注意科学素质的培养,这是很重要的。以往的许多教学研究中很少研究科学素质培养[1～3],本文就机械工程专业的“工程设计导论”的课程定位、教学方法设计、课程大纲编制的指导思想、进行探讨,特别是提出提高工程素质与科学素养相结合的教学方法,在工程能力提高的同时,灌输基本的科学原理,传授动力学概念,训练计算能力,介绍创新思维方法。
1 “工程设计导论”课程的定位
机械工程专业的目标就是培养机械工程师。“工程设计导论”是一门面向机械工程学科低年级大学生的引论性课程,在教学要求方面应该是:
(1)重点介绍了机械工程的概况、机械工程基础、机械设计方法。
(2)概要介绍机械制造系统与先进制造技术。
(3)了解、认识机械工程师要有系统思维和控制能力、协同工作能力、主动学习和终身学习的意识。
2 课程教学方法的设计
我国的机械工程大学生绝大部分来源于高中毕业生,他们对工程的概念模糊,缺乏基本的工程概念,需要建构工程学科知识的整体框架和结构层次,使脑海中浮现出有知识地图．指导今后分部分、层次、知识点的学习。课程的教学方法采用形象思维为主,以实践体验教主。
诺贝尔奖获得者美国心理生物学家斯佩里(Roger Wolcott Sperry)认为[4]:左脑是理性脑,同逻辑思维紧密相联系。而右脑是感性脑,同形象思维紧密相联系,并且右脑的记忆量为左脑的100万倍。日本学者春山茂雄认为:左脑是自身脑,只储存个人毕生经验;而右脑是祖先脑,储存了人类500万年在进化中所积累的智慧,赋予人以直觉、灵感、顿悟、创意等,其信息量为左脑的百万乃至千万倍。
“在我们的日常生活和工作中形象思维几乎无时无刻不在使用,在产品设计过程中形象的作用显得尤为重要”[5]。针对某一机构、产品或模型,采用做中学,使同学们积累大量已感知过的机械构件的形象—表象,成为学习机械设计的思维想象活动的基础。
3 课程大纲编制的指导思想
(1)在进行专业学习初期,系统、全面地介绍专业概况,是提高学生兴趣和专业发展预期的重要方法。对专业内容整体逻辑关系的认识,可以提高学生系统意识、控制能力。
(2)与产品设计、制造、运行和管理相合拍的教学方式,是形象思维的应用,有利于积极采用右脑思维。对于缺乏经验的学生,可以提高教学效果,同时可以培养学生的市场意识。
(3)文、理、工、管知识融会于教学过程,是培养有创新能力的工程师的有效途径。
(4)设计是工程的特征,以课题论证(技术经济指标设计)、概念设计、详细设计、制造过程设计(工艺设计)、运行设计(管理方法)和评估设计为红线,是工程的本质表现。
(5)课程的要点应包括:选题、收集资料、概念设计(机械传动原理图)、详细设计(关键零件的草图)、模型拆装与测绘、模型的改进、工程计算(传动比计算、功率、力)、讨论、撰写报告、演讲等环节。
(6)大纲要做到五个合拍:①课程教学进程与产品生产过程合拍;②教学内容与工程师专业要求合拍;③教学方法与低年级学生水平合拍;④课程质量评估标准与学生职业要求合拍;⑤课程整体设计与学校目前教学环境合拍。
4 教学过程
采用课堂研讨和课外作品设计相结合的形式。采用学生自主学习(找资料,提建议)和老师点评达到学习基本的理论知识的目的。通过适当的理论讲述和课堂研讨,培养学生认识问题和解决问题的能力。以课程课题加深学生的理解,强化学生知识体系,通过现场参观、演示、制作典型产品的形成过程,系统了解机械产品生产的主要流程。从而使学生主动去学习知识,思考问题和运用知识,提出设计方案来解决问题。通过设计方案研讨,使学生在项目规划,概念构思、产品设计、制造加工方式、产品功能分析、市场评估、产品报废回收整个过程达到一个较为完整的训练,达到培养学生全面的专业,个人,职业,团队,交流及社会意识与能力。
5 工程能力和科学素质培养
这门引论性课程,是强调工程的设计本质。已有的许多研究中,注重工程能力,而很少淡科学素质的培养。我们知道,大学本科教育是培养具有创新能力的人才,牢固的自然科学知识是今后发展的基础。在大学低年级,工程设计导论课中同样可以采取形象化的方法,灌输现代科学知识。这里举几个例子。
5.1 灌输基本的科学原理
在机器运行过程中,伴随着能量的转换和传递,能量守恒定律是設计者必须遵循的原则。在典型的工程机械,如挖掘机的模型解剖中,分析由燃油的热能,转换为旋转的机械能,机械能由转换为油液的压力能,最后压力能转变为机器做功。而在整个过程中,有散热、摩擦、漏油等能量损耗,可以用中国谚语“冰冻三尺,非一日之寒”来代表能量守恒定律。
热力学第二定律可以通过同学们日常生活经验就可以体会到“不消耗外功,热量不可能自发的从低温物体传向高温物体”。可以通过排好的整齐队伍可以自发变成混乱,而混乱的人群没有外界输入,不可能自动地变成有序的队伍。说明热不可能全部变成功,也就是中国谚语所说的“破镜不能重圆”。
而熵是热量与温度之商,所以机械制造,就是从低熵变为高熵的过程,现代机械设计和制造,要提倡绿色节能。包括计算机辅助设计(CAD)在内的信息化技术,是机械设计制造中减缓由低熵变为高熵过程的有效途径。
5.2 传授机器设计的动力学思想
“机械控制工程基础”课程对于一些高年级的同学,也感到较难。我们在“工程设计导论”中也尝试引进。通过弹簧—质量块—阻尼壶系统,解释力学的概念。也可以用社会系统中也存在惯性(习惯势力,文化观念)—弹性(社会的容忍性)—阻力(社会摩擦阻力)来引进动力学概念。现代机器设计,不仅要求静态性能好,而且要求反应快、稳定等。
妈妈让小孩取东西,可以采用如下三个方法:(1)告诉小孩目标后就放任小孩自行取物;(2)不断控制小孩与目标的距离;(3)预先详细告诉小孩路径和各种应对措施,然后由小孩独立执行。这三种方法实际上对应了控制理论中的开环控制、反馈控制和前馈控制。说明了现代机器自动化的原理。
5.3 训练计算能力
导论课中贯穿着各种计算。最简单的做法之一是测绘直齿圆柱齿轮。在现场通过简单的齿轮原理介绍后,让同学采用游标卡尺测量标准直齿圆柱齿轮,计算出齿轮模数,进而要求同学们计算齿轮的压力角。
计算机械传动链的传动比是机械设计的基本要求。在现场通过查电机转速和测的齿轮传动链的传动比,让同学们计算出最终输出转速。让同学们用转速表实际测量输出转速,来验证计算结果。
5.4 介绍创造性思维方法
创新需要创造想象。创造想象是严格的构思过程,它受到思维活动的控制、调节和支配。采用相似的分析理论是创造性思维的重要方法。联想、类比是机械设计的基本做法。通过不同机械传动机构和典型的机械部件,让同学们寻找它们之间的相似点。
在解剖挖掘机的教学中,同学们注意到油泵,老师可以顺势推演,介绍不同形式的液压泵的相似点:(1)有容积可变的密闭空间;(2)配油机构(齿轮泵除外)。这样在实际训练中学会相似的思维方法。
同学们应用的设计软件,实际上是把机械设计中相同或相似的内容总结起来,形成设计数据库。计算机仿真、虚拟设计、虚拟制造都与相似思维有关。
6 结语
在工程设计导论课程的教学中,采用形象化的教学方法,是非常有效的。提高同学们对机械工程学科整体内容的了解,建立起工程设计的框架概念。同时,在实践中采用各种形象思维的方法,灌输基本的科学原理,传授动力学概念,训练计算能力,介绍创新思维方法,从而培养科学素质坚实,计算能力强,视野广阔的高素质的工程师。
参考文献
[1] 李湘健,乔旭.加强工科高校工程设计能力培养的实践与探索[J].江苏教育学院学报,2009,26(1):1～3.
[2] 傅军,杨予,石壕墩,等.基于工程设计与实践方向的系列课程教学改革研究[J].中国电力教育,2010(9):123～124
[3] 乐可蘘,王海川.(工程设计导论)教学方法及效果研究[J].贵州工业大学学报, 2000,2(1):58～60.
[4] 张宇东.形象思维·右脑·现代信息技术[J].中国教育信息化,2009(16):23～26.
[5] 危辉,潘云鹤.形象思维的视表象基础[J].浙江大学学报,2001,35(2):152～156,169.
关键词:工程设计导论工程能力科学素质形象思维
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)04(b)-0036-02
机械工程设计工作量只占全部工作量的20%,却确定了产品的质量、制造工艺方法、运行和管理。工科学生的工程设计能力是必具的基本能力之一。今天,科学技术迅猛发,工程设计在产品开发、企业设备更新等方面起了关键作用。时代要求我们必须重视和加强高等工程教育中工程设计的教学,使工科大学生在工程设计方面得到较好的培养和训练。在机械工程专业中开设“工程设计导论”课程可以帮助学生在大学初期就较早地建立工程和工程设计的概念,引导学生更好地学习其后的其他课程;同时使学生通过这门．对工程设计方法、过程有了初步了解,增加专业学习的兴趣。
在工程设计导论课中,就注意科学素质的培养,这是很重要的。以往的许多教学研究中很少研究科学素质培养[1～3],本文就机械工程专业的“工程设计导论”的课程定位、教学方法设计、课程大纲编制的指导思想、进行探讨,特别是提出提高工程素质与科学素养相结合的教学方法,在工程能力提高的同时,灌输基本的科学原理,传授动力学概念,训练计算能力,介绍创新思维方法。
1 “工程设计导论”课程的定位
机械工程专业的目标就是培养机械工程师。“工程设计导论”是一门面向机械工程学科低年级大学生的引论性课程,在教学要求方面应该是:
(1)重点介绍了机械工程的概况、机械工程基础、机械设计方法。
(2)概要介绍机械制造系统与先进制造技术。
(3)了解、认识机械工程师要有系统思维和控制能力、协同工作能力、主动学习和终身学习的意识。
2 课程教学方法的设计
我国的机械工程大学生绝大部分来源于高中毕业生,他们对工程的概念模糊,缺乏基本的工程概念,需要建构工程学科知识的整体框架和结构层次,使脑海中浮现出有知识地图．指导今后分部分、层次、知识点的学习。课程的教学方法采用形象思维为主,以实践体验教主。
诺贝尔奖获得者美国心理生物学家斯佩里(Roger Wolcott Sperry)认为[4]:左脑是理性脑,同逻辑思维紧密相联系。而右脑是感性脑,同形象思维紧密相联系,并且右脑的记忆量为左脑的100万倍。日本学者春山茂雄认为:左脑是自身脑,只储存个人毕生经验;而右脑是祖先脑,储存了人类500万年在进化中所积累的智慧,赋予人以直觉、灵感、顿悟、创意等,其信息量为左脑的百万乃至千万倍。
“在我们的日常生活和工作中形象思维几乎无时无刻不在使用,在产品设计过程中形象的作用显得尤为重要”[5]。针对某一机构、产品或模型,采用做中学,使同学们积累大量已感知过的机械构件的形象—表象,成为学习机械设计的思维想象活动的基础。
3 课程大纲编制的指导思想
(1)在进行专业学习初期,系统、全面地介绍专业概况,是提高学生兴趣和专业发展预期的重要方法。对专业内容整体逻辑关系的认识,可以提高学生系统意识、控制能力。
(2)与产品设计、制造、运行和管理相合拍的教学方式,是形象思维的应用,有利于积极采用右脑思维。对于缺乏经验的学生,可以提高教学效果,同时可以培养学生的市场意识。
(3)文、理、工、管知识融会于教学过程,是培养有创新能力的工程师的有效途径。
(4)设计是工程的特征,以课题论证(技术经济指标设计)、概念设计、详细设计、制造过程设计(工艺设计)、运行设计(管理方法)和评估设计为红线,是工程的本质表现。
(5)课程的要点应包括:选题、收集资料、概念设计(机械传动原理图)、详细设计(关键零件的草图)、模型拆装与测绘、模型的改进、工程计算(传动比计算、功率、力)、讨论、撰写报告、演讲等环节。
(6)大纲要做到五个合拍:①课程教学进程与产品生产过程合拍;②教学内容与工程师专业要求合拍;③教学方法与低年级学生水平合拍;④课程质量评估标准与学生职业要求合拍;⑤课程整体设计与学校目前教学环境合拍。
4 教学过程
采用课堂研讨和课外作品设计相结合的形式。采用学生自主学习(找资料,提建议)和老师点评达到学习基本的理论知识的目的。通过适当的理论讲述和课堂研讨,培养学生认识问题和解决问题的能力。以课程课题加深学生的理解,强化学生知识体系,通过现场参观、演示、制作典型产品的形成过程,系统了解机械产品生产的主要流程。从而使学生主动去学习知识,思考问题和运用知识,提出设计方案来解决问题。通过设计方案研讨,使学生在项目规划,概念构思、产品设计、制造加工方式、产品功能分析、市场评估、产品报废回收整个过程达到一个较为完整的训练,达到培养学生全面的专业,个人,职业,团队,交流及社会意识与能力。
5 工程能力和科学素质培养
这门引论性课程,是强调工程的设计本质。已有的许多研究中,注重工程能力,而很少淡科学素质的培养。我们知道,大学本科教育是培养具有创新能力的人才,牢固的自然科学知识是今后发展的基础。在大学低年级,工程设计导论课中同样可以采取形象化的方法,灌输现代科学知识。这里举几个例子。
5.1 灌输基本的科学原理
在机器运行过程中,伴随着能量的转换和传递,能量守恒定律是設计者必须遵循的原则。在典型的工程机械,如挖掘机的模型解剖中,分析由燃油的热能,转换为旋转的机械能,机械能由转换为油液的压力能,最后压力能转变为机器做功。而在整个过程中,有散热、摩擦、漏油等能量损耗,可以用中国谚语“冰冻三尺,非一日之寒”来代表能量守恒定律。
热力学第二定律可以通过同学们日常生活经验就可以体会到“不消耗外功,热量不可能自发的从低温物体传向高温物体”。可以通过排好的整齐队伍可以自发变成混乱,而混乱的人群没有外界输入,不可能自动地变成有序的队伍。说明热不可能全部变成功,也就是中国谚语所说的“破镜不能重圆”。
而熵是热量与温度之商,所以机械制造,就是从低熵变为高熵的过程,现代机械设计和制造,要提倡绿色节能。包括计算机辅助设计(CAD)在内的信息化技术,是机械设计制造中减缓由低熵变为高熵过程的有效途径。
5.2 传授机器设计的动力学思想
“机械控制工程基础”课程对于一些高年级的同学,也感到较难。我们在“工程设计导论”中也尝试引进。通过弹簧—质量块—阻尼壶系统,解释力学的概念。也可以用社会系统中也存在惯性(习惯势力,文化观念)—弹性(社会的容忍性)—阻力(社会摩擦阻力)来引进动力学概念。现代机器设计,不仅要求静态性能好,而且要求反应快、稳定等。
妈妈让小孩取东西,可以采用如下三个方法:(1)告诉小孩目标后就放任小孩自行取物;(2)不断控制小孩与目标的距离;(3)预先详细告诉小孩路径和各种应对措施,然后由小孩独立执行。这三种方法实际上对应了控制理论中的开环控制、反馈控制和前馈控制。说明了现代机器自动化的原理。
5.3 训练计算能力
导论课中贯穿着各种计算。最简单的做法之一是测绘直齿圆柱齿轮。在现场通过简单的齿轮原理介绍后,让同学采用游标卡尺测量标准直齿圆柱齿轮,计算出齿轮模数,进而要求同学们计算齿轮的压力角。
计算机械传动链的传动比是机械设计的基本要求。在现场通过查电机转速和测的齿轮传动链的传动比,让同学们计算出最终输出转速。让同学们用转速表实际测量输出转速,来验证计算结果。
5.4 介绍创造性思维方法
创新需要创造想象。创造想象是严格的构思过程,它受到思维活动的控制、调节和支配。采用相似的分析理论是创造性思维的重要方法。联想、类比是机械设计的基本做法。通过不同机械传动机构和典型的机械部件,让同学们寻找它们之间的相似点。
在解剖挖掘机的教学中,同学们注意到油泵,老师可以顺势推演,介绍不同形式的液压泵的相似点:(1)有容积可变的密闭空间;(2)配油机构(齿轮泵除外)。这样在实际训练中学会相似的思维方法。
同学们应用的设计软件,实际上是把机械设计中相同或相似的内容总结起来,形成设计数据库。计算机仿真、虚拟设计、虚拟制造都与相似思维有关。
6 结语
在工程设计导论课程的教学中,采用形象化的教学方法,是非常有效的。提高同学们对机械工程学科整体内容的了解,建立起工程设计的框架概念。同时,在实践中采用各种形象思维的方法,灌输基本的科学原理,传授动力学概念,训练计算能力,介绍创新思维方法,从而培养科学素质坚实,计算能力强,视野广阔的高素质的工程师。
参考文献
[1] 李湘健,乔旭.加强工科高校工程设计能力培养的实践与探索[J].江苏教育学院学报,2009,26(1):1～3.
[2] 傅军,杨予,石壕墩,等.基于工程设计与实践方向的系列课程教学改革研究[J].中国电力教育,2010(9):123～124
[3] 乐可蘘,王海川.(工程设计导论)教学方法及效果研究[J].贵州工业大学学报, 2000,2(1):58～60.
[4] 张宇东.形象思维·右脑·现代信息技术[J].中国教育信息化,2009(16):23～26.
[5] 危辉,潘云鹤.形象思维的视表象基础[J].浙江大学学报,2001,35(2):152～156,169.