基于案例教学的机械设计学课程的教学实践探究

 
摘  要：机械设计学是机械设计类专业方向的一门重要的专业必修课程，对于启发学生的创新思维、激发创新潜能意义重大。精选若干案例组织教学，从功能原理设计、实用化设计、商品化设计等论述机械设计学课程的教与学。
关键词：案例教学；功能原理设计；商品化设计；创新设计
 
21世纪的世界，国际间的经济竞争日益激烈突出，主要的表现为世界市场的商品竞争。每一个国家的生存与发展都不可能离开这个全球市场。市场竞争的生命力源自于产品的创新。任何先进的高科技成果要想转化为有竞争力的商品，设计起着至关重要的作用。
然而，设计与科学研究又有很大的区别。设计区别于科学研究的本质是更加需要人们的创造力，创造出世界上还没有的东西，实现人们的构思，生产人们希望拥有的功能的产品；设计的目标是创造一个更好的新世界，永不停歇。

1  功能原理设计的教学实践

“功能”是机器的灵魂^[1]。功能原理设计的重点在于提出有创新的构思，是对后续的产品设计起着决定性作用的工作，使机器的品质发生根本性和革命性的变化。
好的功能原理设计既应该有创新构思，又应同时周全考虑其市场的竞争潜力，脱离国际国内市场需求的盲目创新是没有任何意义的。
“综合”是功能原理设计的良策。“综合”是不可能有现存的、约定俗成的方法的。即：不可能只需按某种“方法”去做，就可以寻找到好的解法。功能原理设计的问题往往是有多解的问题，既不可能只有唯一解，也不可能绝对无解。这是如何教与学的难点所在。
要将广义功能原理设计的思想引入学习中。举例来说，千百年来人们洗衣都是靠手工搓、擦板擦、刷子刷，更原始的方法是用棒打或脚踩。洗衣的目的是解决附着在衣物表面的污垢脱落问题。为了分离污垢和衣物物料，可以设计多种功能原理来实现，搅拌式洗衣机就是常见的解决方案：即在洗衣筒中心装上一竖直的立轴，在其轴上部靠筒底处安置摆动翼，由电动机和传动机构带动，使它周期地正反向转动，使水流和皂液能与衣物不断相互摩擦、碰撞冲击、翻搅等，这样就能达到洗涤的目的。人们总希望洗衣机的功能越全越好，于是后来又出现了集洗涤、漂洗和脱水功能于一身的全自动洗衣机。近年来，洗衣机家族越来越庞大，种类越来越多，新出现的洗衣机有：冷沸腾洗衣机（绿色环保，不需要洗涤剂）、烘干洗衣机、电磁洗衣机、气流洗衣机、仿生搓板式洗衣机、模糊逻辑洗衣机等。这些都是广义功能原理的设计应用成果。
在打印机的打字功能漫长发展的历史进程中，原来的纯机械式打字机由于受到惯性作用的约束而难以提高打字速度和效率，一开始人们只从纯机械的角度来解决问题，于是出现了字球式打字功能原理和菊花瓣式字盘打字功能原理的打字机；这两种纯机械式的打字功能原理在提高打字速度方面的潜力是很有限的。再后来出现了针式打印功能原理的打字机，这种针式打印功能原理引进了电磁对针的控制，基本还是纯机械的，但是它却是作为一种纯机械式向广义物理效应过渡的类型，因为它打破了字头打印方式的局限而采用了点阵方式，这就为随后的喷墨打印原理和激光打印原理开辟了成功的途径。喷墨打印和激光打印则是典型的广义物理效应的应用。打印机的发展历史很好地证明了广义功能原理以及广义设计学思想的成功运用。

2  案例教学的教学实践

案例教学法^[2]起源于美国。案例教学有助于培养和发展学生主动参与课堂讨论，颇具绩效。
在机械设计过程中，实用化设计是在功能原理的基础上，将原理方案进行结构化、转化为实体，使原理构思一步一步地转化为有实用价值的实体机械产品，达到实用的目的要求。对于机械产品来说，工作原理确定后，首先要进行工艺动作构思和分解，初步拟定各执行构件大动作和各动作的相互协调关系，即进行机械运动方案设计和机械简图设计。
总体布局的原则主要有：① 有利于功能的实现；② 结构紧凑；③ 动力传递路线力求简短、直接、提高传动效率；④ 各零、部件的位置安排布局应该方便拆卸、装配、调整、维修等，提供高度可靠的安全保护。
总体布局此时引入案例教学恰到好处。如轮式装载机、开式压力机的案例。轮式装载机（见图1）的总体布局为水平方向，工作头在前部、发动机在后部、中间是司机室，布局非常合理，有利于提高作业稳定性、有利于作业准确、有利于安全生产。而开式压力机（见图2）则为垂直上下的总体布局形式，该机的动力布置在上部，便于传动系统的布置；下部有机身、工作台和控制装置，便于操作；整机的稳定性好，方便冲压成型作业。 在机械运动协调设计方面，不同行业的作业机械大有不同。如起重机械广泛应用于企业、港口码头、建筑工地等；起重机械不仅可以作为典型的辅助生产设备，完成原料、半成品、制成品的装卸搬运作业，还可以完成机电设备的安装、维修等，而且也是一些流程作业（如钢铁冶金生产）中的必需关键重点设备；而起重机械一般由四大机构（起升机构、变幅机构、运行机构、回转机构）、金属结构、动力设备等组成；四个独立的机构只能采用“集中控制、分散驱动”的设计。而在比较小型的机器设备中，如点钞机、家用缝纫机、蜂窝煤成型机等，一般均采用“集中驱动、分散控制”的设计，设计的重点和难点就是分配轴设计。

3  商品化设计的教学实践

竞争是商品经济和市场经济的客观规律，也是促进技术进步的动力和源泉，机械设计要提出创新构思并使之迅速转变为有竞争力的产品，要在市场竞争中具有强大的竞争能力和生命力。检验设计成功的唯一标准是市场。
设计的产品进入商品市场：
（1）首先给人以直觉印象的就是其外观造型和色调。普遍心理选择是先入为主。在市场经济的竞争背景下，某商品的外观一旦被看得“入眼”，极大可能地通过“预选”、获得参加“决赛”的资格。如种类繁多的轿车和城市SUV，均有各自的拥趸和消费群。
（2）要使设计的产品胜于其他，获得较高的市场占有率，就要力求做到“价廉、物美”。价廉必须降低成本；物美必须保证质量和优越的性能，就要运用“价值工程原理”进行价值优化设计。
（3）产品的通用性是现代产品不可忽视的问题。为缩短设计周期，使设计的产品以高速度、高质量、多品种去参与竞争，产品的结构件和组合件要实现三化：标准化、系列化、模块化。
（4）适用性是争取用户的重要手段，可以拓宽面向，考虑一机多用和具备多功能，更新产品以满足市场不同需求。
（5）绿色环保的要求、可回收设计，资源利用率最高，能源消耗最低的机械产品。
以前的机械设计教学不太重视机械产品的实用化、商品化，现在尤其应该改变这种固有的观念，要让学生懂得功能原理设计、实用化设计、商品化设计都是同样重要的。

4  结束语

工程教育本质上是一种创造性教育，设计和科学研究这两者的基本区别在于设计是“创造（Innovation）”，而科学研究则是“发现（Discovery）”，设计教育是贯彻创造性教育的最理想的阵地，过去的设计教育在创造性培养方面几乎没有注意，以至使中国目前很多企业几乎难以适应当前急需的研发有市场竞争力产品的任务。
机械设计学结合典型案例教学，极大地调动和激发学生学习的主观能动性和创造性，从感性认识上升到理性认识，全局观念逐渐得到锻炼和升华，为未来的机械设计工程师打下了坚实的基础。

参考文献

[1]    黄靖远，高志，陈祝林．机械设计学[M]．3版．北京：机械工业出版社，2006．
[2]    徐延宇．案例教学及其运用[D]．长沙：湖南师范大学，2002．
[3]    郑淑芬．案例教学法的作用、实施环节及需要注意的问题[J]．教育探索，2008（4）：56-57．
[4]    王卫卫．材料成型设备[M]．北京：机械工业出版社，2004．
[5]    大卫 G．乌尔曼．机械设计过程（英文版）[M]．4版．北京：机械工业出版社，2010．
[6]    文豪．起重机械[M]．北京：机械工业出版社，2013．