讯阳文艺网机械制造课程设计
《机械设计》课程总结
刘肖健浙江工业大学
刚发了学生写的课程总结，老师也来总结一下吧。真相远不如学生写的那么励志。
课程的正式名称叫做《设计基础（机械）》，总共48学时，安排在第三学期。从名称上就能看出来机械只是工业设计专业基础课的一部分，教学大纲中没有其他相关的机械类课程，也没有理论力学、材料力学、大学物理等工科基础课，所以这门课基本是孤军奋战。讲授内容主要来自《机械原理》，其次是《机械设计》，然后是《机械制造工艺学》，后两者都是蜻蜓点水。希望学生们在后面的产品设计系列课程中能好好用上机械。任务艰巨。
这届学生的机械课强化了模型的设计与制作，统一要求用木板切割制作。由于木头的材料特性和加工精度的原因，机构设计和结构设计中的问题会被放大到肉眼可见，所以对学习机械挺合适，同学们遭受的挫败感也来得格外直观。感性体验充分，挺好。
课程结束后，主要感想有如下一些：
1. 不听课
老生常谈了，非常无奈。
不听课的学生数量还不少，约四分之一到三分之一，上课全程玩手机，三个小时不抬头。也真是难为他们了。
其实课程已经做了不少适应性改革。这门课以前是机械学院的老师上的，考虑到工业设计专业的特殊性，后来改为工业设计的老师（也就是我了）来接手。为了不让课程显得太无聊，我已经删除了绝大多数需要计算的内容，相信以他们的功底，真正需要计算的时候也能自己查找资料或借助软件工具去搞定。
上课之初宣布不讲计算内容时，学生们两眼放光的喜悦之情仿佛还浮现在眼前。然并卵，不听课的学生照旧不听。真不能怪老师讲课无趣，有些学生不听课是一种习惯。好在我也习惯了，所以课程安排了7次需要动手的作业，只要他们能（在学分的逼迫下）一一完成，上课听不听也无所谓了。老师我还是挺善解人意的。
这门课经过改造后不算难，同学们自学也没问题。真正的问题是，不听课的学生可能永远也不会去自学，他们以后遇到机械设计问题会主动绕道走。这不是能力问题，而是选择问题。少一个选项也许不会影响他们的工作、生活和发财，但是对“工业设计”这个产业而言，少了一个选项确实是比较大的问题。
对付不听课、懒惰、作弊等等情况永远都是教育内容的一部分，而且可能还是很大的一个部分，教学方法的设计中不能假设它们不存在。
2. 指导教程的意义
我写了不少课程指导教程发在公众号上，有认知性的，有操作性的，也有经验和实用知识。图片丰富，深入贯彻最原始的感性体验教育模式。虽然教程现在还很不完善，但随着时间的延续，慢慢会连成一个整体的。
这些教程基本是面向不听课的那类学生设计的——这是教程存在的背景假设。事实证明，不听课的学生一般也懒得看教程，做模型都是凭感觉，所犯的错误都是教程里反复提的经典名错（有些错误即使注意了还是搞不定，从模型中能看出来学生是努力但失败还是根本就没听课没看教程）。他们不需要听课，他们需要的是一本作业指导手册，手把手的走流程。流程走完能吸收多少就看各人的造化了。经验表明，学习过程并不全都需要CPU的参与，类似“肌肉记忆”的东西有时也挺有效。
如果有朝一日他们忽然对机械来了兴趣，回头再看这些教程，可能会有深刻体会。这样这门课的目的也算达到了。想象一个情景：一个玩手机低头走路的人，对面前“此路不通”的牌子看也不看就走过去，撞了墙后往回走的时候看到牌子背面写着“欢迎回来，傻瓜”。
3. 案例的问题
指导教程中有几个非常详细的案例，从设计到制作，详细得像Maker系列视频的解说词，一步一步交代清楚做什么、怎么做、应该考虑什么问题、可能会出什么状况等等。我尽量把案例写得像个故事，这样它可以（自欺欺人地）不那么枯燥。
跟着案例走一遍可以熟悉很多东西。有些技能不需要讲很多，动手操作一遍就心里有数了，因为本身也都是属于稍专业一点的常识，做多了自己都能总结出来。提供案例只是为了节省时间，缩短这个从感性经验中总结提炼的过程，因为后面还有大作业要做，没这么多时间让学生们去慢悠悠的打怪升级。
但是这样也有弊端。其中一个比较严重的弊端就是会锁定学生的思路，他们会把案例中的一些（做的不是那么完美的）结构一直借鉴下去，而不去想为什么这么设计，或者做一些改进。由于时间原因，没有安排单独的零件结构设计作业，如弹性结构、连接结构、定位结构、承力结构等，只是在分析讲解模型时顺带讲一下。结果案例就成了金科玉律。以后得考虑增加这类训练，不能只有样例里面的一种，老师做的东西也不一定就是最好的。
因为我直接提供了案例的3D模型和图纸，有的学生就偷懒了，从图纸上直接copy。搞笑的是，有的学生为了表明自己也“做了点啥”，还把图纸做了缩放。问题是原图纸都是按3mm厚的木板设计的，等比例缩放后用的还是3mm板材，结果是所有的配合尺寸统统完蛋了。
4. 模型为主，讲课为辅
不爱听课的学生有那么多，但他们最后都交了模型作业，有的做的还不错。所以我觉得批评指责这些学生不是办法。如果每个人都会掉进同一个坑里，那还不如把这个坑开发成旅游景点算了。
我在考虑一个问题：要么干脆就以做模型为主，讲课改为辅助指导。比如可以先讲最基本的原理，提供一些学习材料，然后大家做模型，从模型分析中学习各种必要的知识。
从模型制作过程中学各种技能是感性的、体验式的古老学习方法，但是对工业设计的学生应该很合适。这种教学方法的主要问题是知识覆盖面有限，因为不可能短时间内啥都经历一遍。不过可以最后再把那些不那么必要的知识（做模型暂时没用到）串讲一下，让传授的知识体系稍显完整一些。如果学生们在听课过程中频繁遇到自己经历过的、熟悉的东西，会叫一声“嗦嘎”，学习效果应该会好很多，就像下围棋在关键之处遇到接应子。
5. 兴趣的弊端：只做模型，不做设计
我相信大部分学生对做模型是有兴趣的，不过兴趣驱动的学习方式也有问题——感性体验并不会天然地（想当然的）进阶到抽象的、理论上的认知。
别的不提，单说模型制作过程中的“设计”行为，就不是每个学生都能修炼出主动意识来。简单说，就是他们只做模型，不做设计。
我给出的模型案例文档中，第一部分都是很详细的设计过程，并不是逮住一个原理图就把它做成实物。但是很多学生直接省略了这个设计的过程。直到做完第三个模型，还是有不少人根本就不做设计。如果说他们对机械课有点兴趣的话，他们的兴趣就只是做模型，不是做设计。他们犯下的原理性错误在机构简图上一眼就能看出来，但他们就是不画简图。有人拿着动不了的模型一脸懵逼的跑来问我，老师，它为啥不能动？我问，你做模型之前画机构简图了吗？回答没有。然后是尴尬的沉默。
这些学生只在大学里呆了一年多一点，专业课还基本都没上过，我很想让他们在制作机械模型的过程中把概念、设计、制造、分析等一整个流程粗略的走一遍，预先体验一下设计师的工作模式。结果呢，他们偏偏就把设计师最该做的设计工作给丢一边去了。在实际的产品开发流程中，做模型这个环节对应的任务多半是工程师而不是设计师在做，它前面的设计环节才是工业设计专业最该关心的。
这可能是笃信兴趣学习法的人始料不及的。即使一再强调，还是有很多学生（包括很不错的学生）不画简图、不做设计，直接复制视频动画或看来的机构，结果是模型中的问题一大堆。其实学生们交来的实物模型中，很多问题都是可以在设计阶段发现并掐死在摇篮里的，完全没理由让它们存活到最后。所以期末的模型大作业我要求把机构简图都画在（或雕刻在）模型上，强迫这些未来的设计师们必须做设计。
做设计的规范和流程之所以存在，就是为了避免这些频发的常规性错误。有人觉得这些繁文缛节妨碍了他们的“创意”，其实两者并不矛盾：一个是帮你争取红利，另一个则是确保你不要赔光本金。强迫学生们写出案例那样详细的设计流程文档有点困难，但简化版的表格式文档还是可以有的。我可以试试为下届学生拟订一个表格。
6. 有限的重复犯错
重复犯同样的错误是不可避免的。即使有了最详细指导书和分析报告，仍有一批学生无视、不看，错误照常犯。更多的学生则是不习惯同时考虑众多的设计要素。所以前两个模型我打分很宽松，不论做成什么样，基本没有8分以下的，以示鼓励。犯错的过程必不可少，这也是一种学习的方式。从第三个模型才开始计错算分，因为允许重复犯错也得有个限度啊。
其实对于一个木板做的机械模型，常见的错误类型也就那么几种。下一届的课可以考虑做一个“模型常见问题核查表”，发给学生，让他们在设计过程中一项一项对着检查，全部打钩再去加工制作。规范化的流程可以拦截大多数常见问题。从第三个模型开始规范就行了，前两个还是放飞一下比较好，否则课程就变得很无趣了。
7. 持续改进与设计迭代
消灭重复犯错的一个方法是持续修改同一个模型，实物多做几遍。以往的经验表明，4~5次以后，模型就接近完美了。
但是课程作业里需要做的4个模型（连杆、齿轮、凸轮/槽轮/间歇、综合）内容都是不一样的，没有足够的时间在同一个模型上反复迭代。这是个问题。
可以考虑最后的大作业模型迭代2~3遍，老师给出改进意见，让学生去改。也可以让学生拆解上届学长们的模型，分析、改进后做新的——这个环节安排在前三个模型内容中，让他们亲身体验一下糟糕的设计是怎样的，而不是只在纸面上或看照片体验。
只是老师的工作量有点大，必须针对每个模型给出改进意见，有时还不是纯粹的改错，而是在设计上也要发生变动。一个解决方案是让学生们交换模型分析问题、提出建议——给别人挑错总是比改自己的方案要强。这个法子我们以前做过群体协作实验，现在可以用机械模型作为载体再做一次大规模的群体实验。挺有意思的。
最好的方法是基于同一个设计，从简图到仿真到机构到实物，一条龙做下来，反复迭代，把产品开发过程好好串起来。这种任务适合在课程设计或workshop中完成，集中一两周时间搞定。这门课没安排课程设计，以后即使有也没法全班都上，只能分流来做了。
另外，给每个学生建档也是一种不错的方式，七八次作业集结起来，分析报告都可以做出来了。不过这样的话，就必须请一个助教了。
8. 作弊
这是机械课，不是产品创意课，所以对学生们做什么内容，除了规定的机构类型外，没有其他太多要求，允许学生抄简图、动画甚至市场上已有的木板拼装玩具，只要是自己重新设计制作的就行了。
但还是有人从网上直接买图纸来交差，这就比较过分了。
其实这个问题以前出现过，也想过办法。我给学生提供了一个画正弦（不是渐开线）齿轮的小插件，要求学生用插件做齿形。因为买来的图纸还没见过有正弦齿形的，绝大部分是渐开线齿形，因为有很多齿轮设计软件可以提供这种标准齿形。UGEARS的齿轮有点特殊，不是渐开线也不是正弦曲线，而是一种压力角接近零的曲线。可能他们的想法跟我差不多，也是为防止抄袭留了一手。这样的公司应该不大会在网上卖设计图纸。
另一个措施是要求学生提供CDR图纸。聊胜于无，因为很多种图档格式都可以转成CDR，但还是有不少人直接给我交DWG文档而不是作业要求的CDR文档。我不能确定他们是不是买来的，网上卖图纸的一般都是用AutoCAD，用CorelDraw做设计的不太多。学生们学过CorelDraw但没学过AutoCAD——交上来一份AutoCAD的DGW文档是个挺可疑的事。也可能是从Rhino里转过来的，因为有些同学还是不习惯Solidworks，三维模型是用Rhino做的。
还有个比较搞笑情况，有些模型的零件图居然是用矢量化工具从位图中Trace出来的。这应该是没买到图纸，买了个实物拍照或用直接用网上的照片处理的。为了做个弊连逆向工程都无师自通了，有点哭笑不得。这么有能耐，自己设计一个不香吗？
对同一个模型进行设计迭代是应对抄袭的好办法，就算图纸是网上买来的，能在别人方案基础上改进也能学不少东西，也算自己的成就。就是不知道网上有没有这种包办到底的作业代理业务。
9. 计算内容
我并没有把加减乘除这类小学生都能掌握的技能算作“计算”，可能这让有些学生失望了，觉得老师在坑他们，说好的不用计算呢？嗯，我说的是“不讲计算内容”。
觉得做设计不需要计算，或者计算都是下游工程师的活儿，这是对工业设计的一个很大的误解。前面H同学的课程总结也提到了这点。这个误解应该是来源于整个社会环境对工业设计的习惯性认知。也可能不是误解，如果工业设计师做的工作里只有10%跟计算有关，人家觉得你不需要计算也是正常的。
就这门课程而言，需要计算的内容主要有这么几类。
1）自由度。数运动构件、低副、高副、复合铰链等。难度不在计算，而在于对机构的抽象化理解。
2）齿轮传动链。包括定比传动和差动传动（周转轮系），都是套路式的东西。这一块倒是还好，因为内容很“整齐”，不像连杆机构有那么多花式变化。
3）配合尺寸。这属于《机械制造工艺学》的内容，课内所要做的仅仅是考虑激光的宽度来预估有配合要求的尺寸而已。都是加加减减，不难，但是有些繁琐。我没教学生们去计算尺寸链和累积误差，只是在网络讲义中略提了一下，否则他们仅有的一点兴趣也没了。
4）压力角。压力角是个影响机构运动流畅度的关键要素，特别是对木制机构。学生的模型频繁出现压力角的问题，但很少有人注意老师给出的明确提示。可能是我重复的次数不够多吧。
除此之外，与理论力学有关的计算内容都交给仿真软件了，边模拟边调整即可；与材料力学有关的计算内容交给模型了，实物模型拿在手里哪里不爽自己会有数的。Solidworks自带有限元模块，不过这次课没来及讲，下次考虑加一次有限元课，自学，然后做一次作业就行了。
这些简单的“计算”还不能算作所谓的“工科技能”，只能算技术常识，否则中小学生都可以算工科人才了。这种计算实际上考量的是一个设计师的认真细致程度，不是会不会的问题，而是有没有这种严谨的意识。一般人只注意到了设计师潇洒地在创意的天空中放飞，没注意他们同时还是一波重度强迫症患者。
10. 当自己是学生的老板
教本科生和教研究生有个不太一样的地方，就是这些学生教出来很少有机会给自己用。老师不用当他们的老板，所以对培养目标的达成度可能就不一定那么……计较。不过我还是真的想在后面的两年里“用一下”这批学生，这使得教学方法的设计忽然变得清晰而务实。
一个设计师朋友看了我发在公众号里的模型制作教程，评价说“都是没技术的东西，写的很复杂，太low了，搞点高大上的模型啊”。
当他第二次发表这个观点时，我问他，什么才是高大上。他说，机器人手臂。
我心里：“纳尼？！”单自由度机构还没搞定就去搞多自由度？平面机构还没搞定就去搞空间机构？手动机构还没搞定就去搞程控系统？你想在大二学生这张白纸上涂抹多少东西？
其实课堂上讲过类似机器人手臂的简化版机构。讲过两个案例，一个是Theo Jansen的行走机构，他用了一种巧妙的设计把运动从曲轴经过大腿传递到小腿；另一个是改造挖掘机，用平行四边形机构取代液压缸实现沿指定路径传递运动。学生的大作业里有两三个模型利用了后者的原理，虽然是借鉴了已有的产品，也还马马虎虎，能做出来就好。这两个案例都是单自由度机构，有研究生做过使用5个舵机的机械手。
这类机构说不上高大上，但是传动链很复杂，模型不容易做好，尤其是木制模型。有些贪心的学生会选择做复杂的机构——大部分都做的不行，问题一堆。课时这么少的一门课，打好基础才是最重要的。
所以，我的回答是，“教学不是装逼炫酷”。
这是真话，教学得一步一步老老实实的来，不是教你“怎样把大象关进冰箱”那种不负责任的骚操作。你可以拿着好学生的作品显摆一下赚点小小的虚荣心，但是差生做出来的糟糕玩意儿也是你教育的成果，不能无视。最近几年开始越来越关注后者了。好学生交到谁手里都会很好，不一定就是你的功劳。而差生呢……哪怕能提到平均水平都是值得喝一杯的。教学跟打仗一样，有冲锋的，也得有殿后的。
总结
一门课上完有两个体会：
一是教学是个技术工作，老师自己很有料不代表就能把学生教会教好，这是一项需要用心设计一些技巧的活儿，尤其是在课时严重不足的情况下；
二是遇到差生（可能不是真的差，只是对这门课没兴趣、不主动）是常态，不能把这当成意外而吐槽或无视，有时他们才是教学设计所要面向的真正对象。
有一些预备内容没来及实施：
1）标准件的使用训练不足。大部分学生没怎么使用标准件，如电机、轴承、螺钉、弹簧等。如果我事先买好放在那里，可能他们会去用的。下次我来买吧。
2）没练习命题作文。只是规定每次模型作业做哪些机构，具体做什么，完全自由。大部分学生们的想象力还是跑得不够远，也可能只是没花时间去查资料。其实参考资料有的是。
3）没练习有限元。主要是我的时间原因，没来及做一个详细案例让他们照猫画虎的去操作一遍。力学的东西不求多精，软件工具会用（或用过）就行，入门即可。
没找到合适的教材，还是自己编吧。
牛年快乐。
