前言

這本教材是專為大學或專科學校機械科系的「機械設計」基礎課程而編寫,適合上下學期、6學分的課程。我自1992年自史丹福大學畢業返國即任教於元智大學機械系,一直負責系上大學與研究所機械設計相關課程,在這十幾年教學的經驗中,個人覺得﹙相信許多開授機械設計課程的教授也會同意﹚機械設計是一門相當難教的課程,主要的原因是實際從事機械設計時,設計者所要包涵的知識範圍實在太廣了,機械設計的課程中到底應該包括哪些內容,本身就是一個相當值得研究的問題,一本適合的機械設計教科書,也並不容易找到。

國內大專院校機械設計課程,多半採用原文教科書,或翻譯自原文書的中文教材,而個人感覺這些“傳統”的機械設計教科書比較偏重在機械元件原理和分析,可能比較適合用在「機械元件原理」方面的課程,許多機械設計上經常用到的設計方法和工具,反而比較沒有強調。而且不少教科書內容相當深入,材料之豐富甚至已經類似機械設計工具書了,面對過度豐富的細節,學生反而比較難以完全接受、吸收。在我作為學生、老師的經驗中,常發現有同學上完整年機械設計課程,學到了許多機械元件計算分析的公式,但是仍然對機械設計的程序缺乏整體的概念,面對一個機械設計的計畫,不知從何處開始、如何進行。設計工程師的“設計能力”,基本上取決於其領域知識與所能使用設計工具的廣度,如果缺乏相關的領域知識,不可能產生在此領域中的設計概念,而無法廣泛掌握設計工具,也就很難有效率的解決設計過程中動態產生的問題。

基於這樣的想法,本教材的編寫側重廣度而不強調深度,重視應用而不強調理論,希望在為同學們建立一個「機械設計工具箱」,使機械科系的同學在機械設計這一門課中,能夠接觸到各類不同的設計方法與設計工具,並獲得正確的基本觀念,以便日後從事機械設計工作時,了解有哪些設計方法與工具可以使用,能夠正確地使用這些設計工具,並且也有足夠的能力自行深入探索。事實上單一技術、工具的生命週期日趨縮短,自行學習、整合技術的能力反而更重要、更能持久。本教材在一般機械元件原理介紹外,加入了設計方法、機構設計、機電整合設計、創意設計、設計的製造性、人因工程、氣液壓系統、結構設計、有限元素分析、機械振動、最佳化設計、幾何模型建構等內容,一共十二個單元,期能提供更完整的機械設計課程內容。

這十二個單元順序的安排,上學期的六個單元主要重點在設計方法(第一、二、六章)與機電整合設計(第三、四、五章),希望同學們在上學期完畢之後,能夠具備機械系統設計的基礎知識與能力。下學期六個單元除了第七章氣液壓系統在補強同學對自動化系統的基礎工具外,其他章節主要重點在機械結構設計(第八、九、十一章)以及電腦輔助設計(第九、第十、第十二章)。當然採用本書的老師們也可以依照自己或學生的需要重新安排各章節教學的順序。

課程內容與教學方式的設計,個人認為大抵有兩種可能的選擇,一是將這個專業領域所有知識有結構性地組織起來,鉅細靡遺地教給學生,另外一個可能,則是所謂「問題解決模式(problem-solving based)」的教學方式,安排給同學們一些實際要解決的問題,讓同學們在解決問題的過程中學習到課程內容。這兩種方式可能各有其優缺點,單向教學的模式中,如果學生不能體會所學習專業知識的用途時,可能相對學習動機會比較低,心態上甚至可能會把實際的工程問題當作習題或考試的計算題來看待。問題解決模式的教學方式應該有助於提高學生的學習動機,從作中學、因為需要而學習,學習效果和印象也更深刻,然而可能的缺點是所得到的專業知識比較零碎、片段而缺乏整體性、結構性。這兩種教學方式的選擇,顯然需要作一定的取捨與搭配。

以機械設計課程而言,我深深感受到實際從事機械設計時的許多重要元素,例如設計方法、設計經驗、創造力、團隊合作,實在是課堂上很難“教”的,一般課程“講課-作業-考試”的方式,恐怕並不見得完全適合機械設計課程,同學們必須在實際的設計經驗中自行學習、體驗,所謂“More learning, less teaching”本教材每個單元中不斷出現的「實作練習」,便是為此目的而設計。這些實作練習的目的不在真正設計出一個有用的實品,也並不在於讓同學們到實習工廠中練習實作的技巧,而是在每一個設計工具介紹完畢後,讓同學有實際利用這個設計工具的機會。

此外附錄中也收錄了三個配合各章節內容設計,有結構性、連續式的實作計畫,適合作為整學期之學期計畫或設計競賽。這些設計實作計畫或設計競賽都是開放式的設計問題,但也配合課程內容給予同學一定程度的引導,都需要實際動手做出成品原型,部分計畫並要求學生上台作口頭報告。透過這些設計實作計畫,希望給同學獨立思考的機會和創意發揮的空間,並且從設計的經驗中有系統地學習設計的程序、方法、與工具,體會到創造的喜悅,以及與他人合作、溝通的經驗。

這套課程內容與實作計畫,已經在元智大學機械系大三兩個六十人的班級使用七年,基本上不需要特殊的教學環境或資源即可順利完成。當然更希望採用本書的老師們能根據學生的需求以及本身的教學環境與資源,自行設計課程的實作計畫和設計競賽。

本教材的投影片完全以英文編寫,原先是為了配合元智大學「專業科目英語教學」的政策,幾年下來,反而覺得英文版的投影片和中文版的教科書是很好的搭配,使用中文教科書讓學生對課程內容能夠更自然地掌握,而英文版的投影片一方面將教科書重點提綱挈領,另一方面也可以彌補同學使用中文教科書可能對專業英語詞彙的不足。讀者可自行上網參考本書英文版投影片的內容(http://designer.mech.yzu.edu.tw/),而更歡迎採用這本書的老師們以email方式,免費索取本書英文版投影片光碟(mehsu@saturn.yzu.edu.tw)這套機械設計教材雖然已經在元智大學機械系使用七年,每年都會作一些修改、增刪,但是錯誤之處相信還是在所難免,也希望讀者能隨時email指正,更希望採用本書的老師們能隨時email交換教學心得。

今年寒假時帶著家人到美國玩了一個禮拜,要回來的那一天我約了從前在史丹福大學的指導老師Sheppard教授一起吃午飯。從前當博士生一起group meeting時,聽完我的長篇報告後沒有太大問題的話,Sheppard教授常會很簡短地說,Good! 那天吃飯時我告訴Sheppard教授將要出版一本機械設計的教科書,她又很簡短地說,Congratulations! 不過這回她補了一個問題,有那麼多機械設計的教科書,你這本書有什麼新的、不同的地方呢?

史丹福大學機械系設計組五年的研究所教育,我在機械設計上的思考體系其實充滿著老師們的影響,希望這篇前言能夠回答Sheppard教授的問題。

完成這本書當然還要感謝元智大學提供了非常豐碩的教學資源和自由的發展空間,更要感謝我歷年來能幹、認真的研究生們,幾乎每一位同學都對這套教材的發展做出了貢獻。

我的爸爸是一個沈默少言的人,但是他好幾次突然問我,你是不是有寫兩本書呢?我說有,爸爸就顯得十分滿意,似乎覺得寫一本書是讀書人很大的成就。

謹以此書呈獻給去年過世的爸爸。

徐業良

九十六年二月二十日,於桃園家中