機械工程的概念范文

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第1篇

【關鍵詞】機械制造業，工藝對稱性，概念體系，探究

1引言

當今，工藝對稱性對我國機械制造業的發展有著極其重要的作用，有利于提高我國的機械制造業水平。“對稱性”在數學、物理學等方面都有應用，對稱性在數學學科方面表現在原點對稱等方面，在物理學方面泛指規范對稱性，和整體對稱性，同時在機械工藝方面也有著對稱性，在機械工藝方面對稱性表現在各切面的中心點對稱，對稱的切割會使得機械品更加閃耀。對稱性是人們自然生活中存在的一種現象，在機械制造業方面對稱性也發揮了重要的作用。工藝對稱性在機械制造的過程起到了越來越大的作用，也得到了廣泛的應用，工藝對稱性的功能對稱性、原理對稱性以及結構對稱性是整個工藝對稱性概念體系的主體。工藝對稱性對我國機械制造也作出了很多貢獻，比如說：降低機械制造的成本問題、提高機械制造工作的效率等，為了更好的提高對稱性在機械制造業方面的作用，我們應該深入探究機械制造工業對稱性的概念體系。

2機械制造工藝對稱性的概念體系

2.1機械制造工藝對稱性的概念定義

首先，機械制造是指通過各種各樣的動力機械設備等生產的工業部門，機械制造事業為提高我國的整個國民經濟起到基礎性作用，機械制造業的發展水平是我國國民經濟的重要標志。在機械制造事業中，機械制造的工藝方法、機械制造的工藝過程、機械制造的工藝設備等都屬于機械制造工藝對稱性。

在機械制造的過程中，首先應該考慮機械品的產品質量、成本等多個方面，再考慮機械產品的生產類型和機械工廠的條件設備等來制定合理的機械制造工藝方法。在當今社會中，越來越多先進技術出現在人們視野中，機械制造事業要想得到更好的發展，就應該研究出更多的機械制造工藝方法、機械制造工藝過程以及機械制造工藝設備。

2.2機械制造工藝對稱性的概念體系分類

2.2.1工藝方法對稱性。在機械產品的制造過程中，如果不同的工藝方法可以制造出來相同特征的機械產品，那么就說這些工藝方法在機械制造特征方面有一定的可替換性，這就是工藝方法對稱性，這種對稱性被稱作為工藝方法交換對稱性。比如說滲碳處理、淬火處理、冷滾壓拋光等很多工藝方法，這些機械制造工藝方法都有著替換對稱性。在機械制造方面對機械制造工藝方法的分類主要包括：鑄造、壓力加工、熱處理等等，這些工藝方法的對稱性在機械制造業中起到至關重要的作用。

除此以外，一種機械產品的制造特征既可以由一種機械制造工藝方法制成，也可以通過多種機械制造方法完成，這些多種機械制造工藝方法之間也存在著對稱性，這種對稱性被稱為工藝方法分解、組合對稱性。比如說在一些機械零件的成型制作過程中，既可以通過金屬型鑄造，又可以通過砂型鑄造的機械制造工藝方法，這兩種機械制造工藝方法就存在著工藝方法對稱性。

2.2.2工藝過程對稱性。在某一機械產品的制造過程中，不同的機械制造工藝過程假如可以得到一樣的機械制造特征，那么這些機械制造工藝過程就有工藝過程對稱性。在機械產品的實際生產過程中，幾種不同的機械制造工藝過程可以完成一樣機械特征的產品，由于工藝過程中所需時間、成本、機械產品的質量等存在著一定的差異，因此，要根據實際生產的需求來決定具體選擇哪一種工藝過程。

不同工藝方法的選擇就形成了不同的工藝過程，那么工藝方法中的分解、組合對稱性具體應用在機械制造中，也就形成了工藝過程的一種對稱性。工藝過程的分解、組合對稱性表現在：由于工藝過程的多道程序之間，可以適當的增加或減少，一般說來，數量少的機械產品常使用機床等，工作的順序也相對簡單，易安排，生產數量大的機械產品則需要專用的機床來完成。此外，機械制造工藝過程在時空上也有著重復性，這些工藝過程在時間、空間以及時空組合方面都存在著對稱性，隨著時空的流逝，這些對稱性也會不斷流逝。總之，機械制造工藝過程的對稱性就表現在機械產品的加工以及裝配的過程中，泛指制造出同一機械特征的工藝過程在空間上的重復。

2.2.3工藝設備對稱性。工藝設備其實泛指機械制造過程中用到的任何一種工具，在機械制造過程中，假如不同的工藝設備可以制造出同樣特征的機械產品，這些工藝設備也存在著對稱性，這種對稱性被稱為交換對稱性。比如說插齒機、滾齒機等工藝設備的目的都是完成齒輪的加工工作，這兩種工藝設備就存在著一定的交換對稱性，但是這兩種工藝設備的工作效率、機械制造成本有著差異性，在實際操作中，應該考慮各方面來選擇合適的工藝設備。

和工藝方法、工藝過程一樣，工藝設備也存在著組合、分解對稱性，某一機械產品的特征可以由一種工藝設備完成，也可能由多種工藝設備組合完成，這些多種工藝設備就有著組合對稱性，工藝設備組合包括剛性組合、柔性組合兩種形式。

機械制造工藝對稱性被應用到機械制造業的多個方面，主要是利用機械制造工藝的對稱性對機械產品制造工藝過程實現自動化、智能化以提高機械產品的制造工作效率；利用工藝對稱性開發智能性的工作環境，構建自動化信息系統來實現機械產品制造過程的敏捷性等多個方面。

3總結

機械制造工藝對稱性應用在機械制造業的多個領域，對機械制造事業起到重要的影響作用，本篇文章對機械制造工藝對稱性的概念體系做了簡單的探究，分析了工藝對稱性的分類以及各種對稱性的意義。總的來說，機械制造對稱性的概念體系的出現更加利于人們了解多種工藝對稱性，也豐富了工藝對稱性的內容，為機械制造工藝對稱性對以后在機械領域的應用起到了重要的影響。

參考文獻：

[1]馮培恩，劉偉平，馬友才.機械制造工藝對稱性的概念體系及其應用思路.《工程設計學報》.2010年3期

[2]王紀新.淺談機械制造工藝對稱性的概念及應用.《中華民居》.2013年12期

第2篇

關鍵詞 CDIO 機械設計類課程 教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdkz.2016.10.017

Abstract In order to meet the needs of the professional accreditation of engineering education， based on the concept of CDIO Engineering Education， to carry out series of machine design course teaching reform and practice， put forward the corresponding reform ideas and the specific measures from the aspects of curriculum system， teaching content， teaching methods and practice teaching， for cultivating the high engineering philosophy of high quality， strong ability of innovative engineering and technical personnel to lay the foundation.

Keywords CDIO； mechanical design series course； teaching reform

0 引言

CDIO（構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate））是由美國麻省理工學院聯合瑞典幾所高校共同開發的一種全新工程教育理念和實施體系，其核心理念就是以產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的方式學習工程，培養學生的理論知識、個人素質、協作能力、工程-社會大系統適應及調控能力，①其理念正好與工程教育認證的標準是契合的。因此，為切實支撐專業認證，培養具有工程理念的高素質、創新型工程人才奠定基礎，倡導CDIO工程理念，重構機械設計系列課程體系和課程內容，開展教育教學改革具有非常重要的理論和實用意義。

1 優化課程體系和教學內容

機械設計系列課程具有較強的理論性，同時又要與實踐緊密結合，基于CDIO 理念的機械設計系列課程教學改革首先需要重構課程體系和優化教學內容。課程體系要凸顯整機設計，強化工程理念，將各門課程有機地結合起來，進而構建一種集專業理論知識、工程能力和綜合素質培養于一體、體現理論教學和實踐教學無縫對接的課程體系。②以 CDIO從最初的產品構思到最后機器成品運行的工程教育理念為“主線”，建立基于整機設計的機械設計系列課程體系如圖1所示。

1.1 以各門課程為子系統，進行課程內容的優化重構

以往課程內容的理論學時偏多，實踐學時匱乏，重理論輕實踐的現狀難以培養學生解決問題所需要的綜合能力，容易造成“學而無用”。為充分體現學科和技術的內在聯系，使得理論與實踐有機結合，課程內容的整合要突出設計性和工程實用性，強調基礎知識學習服務于工程實踐。

以機械設計課程為例，原有的一些教學內容過分強調理論公式的推導和論證，在有限的教學學時內，使得培養工程應用和實踐能力的教學內容不斷弱化，因此，在新的課程內容優化重構中，需要弱化一般性公式的詳細推導，重在設計思路和設計方法的介紹，如“齒輪傳動”一章內容優化為：簡化設計計算公式的推導，重在設計準則、設計思路以及對設計過程中各環節的把握，并將齒輪傳動的強度計算、查表、數據處理和結構設計等融入例題中詳細講解。在講述齒輪傳動的受力分析時，將直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪、錐齒輪和蝸輪蝸桿等各類傳動的受力分析整合在一起進行講述，這樣便于學生類比掌握受力分析的要點和方法。

1.2 以工程應用為主線，實現課程體系教學內容的縱橫整合

知識是由淺入深的，學習也是循序漸進的，因此，每門課程內容的設置要考慮與前續課程知識點的聯系。“縱向整合”就是將機械設計系列課程體系中各門課程建立前后內在聯系，要講新帶舊，要引舊聯新，使學生“溫故而知新”。“橫向整合”就是各門課程要彼此聯系，有機整合。例如：機械設計課程中關于零部件的教學內容要與機械原理課程的機械傳動系統方案設計相聯系；機械設計的零件結構設計要與機械制造基礎課程中有關精度和工藝的知識點相聯系；機械產品設計制作要與機械設計和機械制造基礎課程的相關內容相聯系。總之，通過各門課程教學內容的縱橫整合，要貫穿整機設計的理念，使學生對專業理論有系統而完整的把握。

2 精心“設計”教學環節，改進教學方法

CDIO開放式的教學模式首先需要教師轉變原先在教學中純粹的以教為主的角色，更重要的是需要教師更新教學理念和教學思想，因此教學方式和教學方法的改革是課題研究的重點和難點。

（1）根據工程教育專業認證的需求，圍繞學生工程能力和素質的培養，重新進行教學環節的設計，課程組教師要深入研究當前國內外工程教育的發展形勢，在教學方法與手段上不斷改革和創新，在傳授給學生專業理論知識的同時，引領學生理論聯系實際，形成一種學與做有機融合的學習方式，從而加深學生對專業理論知識的理解。

（2）探索“CDIO 做中學”的教學模式，課堂教學多引入工程設計案例，課程的推進采用設計任務驅動模式，例如在課程開始之初，就布置有關機械產品綜合設計的課題給學生，根據課程教學進度，安排學生以小組學習和討論交流的方式進行課題分階段設計，通過這種方案分析、小組學習和項目實訓的方式，貫徹CDIO在做中學的理念，培養學生主動學習和團隊合作能力，提高工程意識和設計技能，這樣既能夠有效調動學生的學習積極性，激發學生的工程設計興趣，培養學生具備較強的工程實踐能力，而且能夠培養學生良好的團隊協作能力和精神。

（3）搭建開放式課堂，在時間、空間和教學內容上加以擴展和延伸。對于實踐性和工程性強的教學內容，可以走出教室，把課堂搬到實驗室、工程訓練中心和工廠，從而創造一個開放的課堂空間和開放的教學環境，使得學生更易于吸收和消化課堂的知識內容。為了訓練學生的工程設計和實際應用能力，除了充分把握好第一課堂教學，還要搭建更廣闊和豐富的第二課堂，教師要指導學生參加大學生機械創新設計大賽、大學生工程訓練綜合能力競賽和參與教師的科研項目等，培養學生的實戰經驗，在第二課堂，使創新能力培養與第一課堂的教學融于一體，從而探索出一條集理論研究與工程能力培養相互促進的途徑。

3 重點改革實踐教學，凸顯整機設計理念

課程設計是培養學生工程能力的重要環節，而以往課程體系中各門課程的課程設計內容基本上是各自獨立的，缺少相互關聯。例如“機械原理課程設計”中，主要是從運動的角度，訓練機械系統的原理方案設計能力，沒有考慮具體的材料和結構，更沒有考慮制造工藝和經濟性等要求；到了“機械設計課程設計”，主要訓練學生對機械系統中各零部件的設計和計算能力，設計對象基本是齒輪減速器，運動方案一般是固定的，容易讓學生墨守成規，限制了創造性思維的發展；輪到機械制造技術基礎課程設計，內容又是與前序設計對象無關聯的工藝設計；最后在機械產品設計制作階段，對象又變化了，于是就照貓畫虎，用現成的圖紙和工藝進行加工，這種各自為陣的課程設計安排顯然違背了整機設計的思想，學生的能力培養只能趨于碎片化，而真正需要的整機綜合設計和應用能力不能得以鍛煉和培養。因此，為了切實提高學生的工程意識和設計技能，改革選擇課程設計實踐環節為突破口，通過課程設計內容的重新整合和優化，使得各個課程設計內容前后關聯和有機結合。③為了凸顯整機設計理念，訓練學生的綜合設計技能，將圖1所示課程體系中的四大課程設計實踐環節聯合起來進行，依次按方案設計、技術設計、工藝設計和產品實物制造編排課程設計的內容，做到課程設計的完整性、系統性和綜合性，從而訓練學生從機械產品方案設計、技術設計、性能仿真、工藝設計到加工制造和組裝調試的整機設計能力。

在課程設計過程中，成立獨立穩定的設計團隊，期間配備專門的指導教師，每個團隊的設計對象固定，始終貫穿于各個課程設計，具體以典型機械產品的設計和制造為載體，例如無碳小車或是機械創新設計大賽設計對象等，要求分階段完成對象的各項設計任務，即依次設計、制作、安裝、調試一臺機械產品，讓學生從一開始就注重整機設計，增強綜合分析問題的能力。④機械原理與創新綜合課程設計為機械設計課程設計提供系統方案、運動和動力參數計算和分析，在接下來的機械設計課程設計中，通過設計計算和選型，將前序設計得到的方案具體實物化，繪制出相應的裝配圖和零件圖，同時又為機械制造技術基礎提供了圖紙和精度設計技術文件，而機械制造技術基礎課程設計的內容又為最終的機械產品設計制作提供了工藝指導，從而大大提高課程設計實踐環節的連貫性和實用性。為了保障以上改革的順利實施，根據我校的實際情況，依托學校的大學生素質教育中心的加工設備制造出實物，使得學院的理論教學與大學生素質教育中心的實訓實現無縫結合，也使得教學資源得以充分利用。

4 結束語

為了改善以往機械設計系列課程教學中理論和實踐相脫節的問題，順應工程教育認證的要求，引入“CDIO 做中學”的工程教育理念，對機械設計系列課程進行教學改革和實踐，將工程教育與創新能力的培養滲透到課程的各個教學環節之中，實現理論知識學習與實踐能力培養的相互滲透，極大地豐富學生的學習成果，必將為培養具有工程理念的高素質、強能力的工程技術人才奠定堅實的基礎。

注釋

① 鐘宇光，史東巖，展勇.基于CDIO 模式的機械系統設計課程教學改革研究[J].大學教育，2016（1）：144-145.

② 劉桂珍，于影，殷寶麟等.CDIO 模式下機械設計系列課程改革與實踐的研究[J].經濟師，2015（6）：235-236.

第3篇

關鍵詞：OBE；工程教育；《機械原理》課程設計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）21-0057-02

為了推進工程教育改革，促進中國工程教育的國際互認，培養與國際接軌的中國工程師，由專門的職業或行業協會（聯合會）、專業學會針對高等教育機構開設了工程類專業實施專門性認證，工程教育認證強調工科專業人才培養質量達到行業提出的基本質量標準要求，是一種合格性評價[1，2]。工程教育專業認證強調的三個核心理念：產出導向（Outcome based education，簡稱OBE）、學生為中心、持續改進，這些理念代表了工程教育改革的方向，是一種先進的教育理念[3]。我國若要成為《華盛頓協議》正式簽約組織，就必須基于OBE理念，深化我國的工程教育改革和工程教育認證體制。

《機械原理》是機械類專業必修的一門重要的技術基礎課，它是研究機械的工作原理、構成原理、設計原理與方法的一門學科，而《機械原理》課程設計是緊隨《機械原理》課程之后的實踐性教學環節，是《機械原理》課程的延伸[4]。基于OBE工程教育認證的12條畢業能力要求及課程規劃，《機械原理》課程設計需培養的主要能力包括：1）掌握工程基礎理論知識并能將其應用于工程問題（畢業要求1）；2）具有分析和解釋數據，得到合理、有效結論的能力（畢業要求2）；3）具有綜合運用機械設計理論和技術手段設計復雜機械系統、部件和過程的能力（畢業要求3）。

本文基于OBE工程教育理念對《機械原理》課程設計課程能力的上述四條要求，結合近年實踐經驗，闡述我校《機械原理》課程設計改革模式，并為其《機械原理》課程設計改革提供參考。

一、機械傳動系統設計能力

《機械原理》內容包括兩部分，其一是對現有機構的學習，包括構型分析、運動學和動力學的學習；其二是針對具體任務，利用所學機構學知識，設計傳動方案。前者稱為分析，后者稱為型綜合，《機械原理》學習的最終目的，就是要達到型綜合的高度，《機械原理》課程設計正是鍛煉綜合能力的實踐教學。

遺憾的是，傳統的《機械原理》課程設計，體現不出OBE所要求的設計系統的能力，復雜機械系統更無從談起，因此，改革勢在必行。

基于OBE教學理念的課程設計改革使設計題目多樣化，調動學生設計的積極性而不限制其思維，并且課程設計只提出最終要求而不限制方法，為了讓學生在規定的時間內獨立完成設計任務，題目不宜太深太復雜，其原則為：題目具有綜合性，以運動方案設計為主；題目要覆蓋《機械原理》課程的主要內容；題目應結合生產實際，是學生在日常生活、生產實踐中所熟悉的；題目的設計結果應包括兩到三種基本機構，也允許選用其他常用機構或組合機構；題目要有一定的靈活性和創新性，有利于發揮學生的創造力。

在設計題目確定后，需對已選題目提出三種運動方案，并經反復論證，確定一種最佳運動方案進行設計和分析。這種自由選題的模式可大大提高同學的興趣。設計方案由學生獨立提出，經獨立地分析、比較后確定最佳方案，以發揮其主觀性、創造力，使學生受到一次真實的設計訓練，進而提升其機械傳動系統設計能力。

此外，改革后的課程設計，學生們可以自由組合，每個小組自由選擇設計題目，小組成員分工協作，共同完成設計任務。從選題、論證、設計到最后提交設計成果，共同討論、研究，各自發揮自己的長處，不僅培養了創新意識和創新能力，也使他們體會到團隊合作的作用。這也符合OBE培養大綱中工程畢業生個人能力和人際團隊能力培養的要求。

二、工程基礎理論知識應用能力

傳統的《機械原理》課程設計中，方案確定之后，其相關運動參數也隨之給定，每個學生需要做的就是繪制機構運動簡圖，利用圖解法和解析法對所選機構的位移、速度、加速度及力進行分析，并繪制機構運動線圖和作誤差分析，最后編寫課程設計說明書。從本質上來說，這樣的設計僅能算一次作業，效果并不理想。盡管學生都能按部就班地完成設計任務，但卻調動不了學生的設計興趣，對工程基礎理論知識的應用缺乏深刻理解，談不上對學生的畢業能力的培養。

基于OBE教學理念的課程設計改革使設計題目多樣化，只提出最終要求而不限制方法，學生可以充分地利用所學的理論知識去解決實際的問題。考慮到《機械原理》課程設計時間較短，教師在《機械原理》課程教學中，需提前做出安排，如現代工具的使用、軟件的學習、各種方法的比較、綜合性作業安排等。

任務的不確定性導致解決方法的多樣性。學生需要根據所選擇任務，基于所學的機構學知識，甚至查閱相關文獻去設計解決方案，當多個設計方案確定后，需要比較各方案的優缺點，必然會深入了解每個所設計的傳動方案，最終方案確定后，需對其進行結構、運動學和動力學分析，因有了方案設計的深刻理解，設計的目的已非常清楚，在相應分析時，對方法的選擇和掌握自然水到渠成，加深了對所學理論知識的認識，明確了理論知識的實際應用，從而不至感覺學無所用。

三、分析和解釋數據能力

在我國的工程教育認證中，第二條畢業要求學生能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論[5]。傳統課程設計整個傳動方案為教師所指定，分析方法固定，無需學生深入了解，只需按部就班完成畫圖和分析即可，可見，傳統課程設計在第二條畢業能力要求上基本沒起到培養作用。

改革后的課程設計，從設計任務到設計方案的確定，均需要學生根據具體情況進行分析，然后根據所學知識，自己設計傳動方案，并需要通過多方案的比較而得出可行方案。在方案確定后，詳細設計傳動系統時，需要根據實際任務確定各參數，最后對機構進行分析，并對數據進行誤差分析。為了更真實地讓學生理解數據的意義和正確性，要求學生對所設計的傳動方案進行全部或者部分的搭接實驗，通過搭接實物并測量參數，再與理論分析數據進行對比，找出誤差存在原因，從而得出相應結論。

四、考核方式的改進

評估學習產出是OBE教育模式中十分重要的環節，如何合理地對各項能力進行客觀評價，對課程的改革及持續改進有非常重要的作用，與課程設計所培養能力相對應，《機械原理》課程設計成績分為四部分：選題成績、平時成績、設計成績及答辯成績。各部分成績分值及考核依據如下。

選題成績占總成績的30%。主要考查設計機械傳動系統方案能力。每個團隊均需通過PPT形式，結合參考文獻查閱或調研情況，對自己團隊的設計任務進行說明，根據所定任務設計兩到三種機械傳動方案，每個方案中必須包含兩至三種典型傳動機構，并且必須包含四桿以上連桿機構。根據傳動方案是否合理、考慮是否周全、有無創新點、是否實用進行綜合考核。

平時成績占總成績的10%，主要依據設計階段的出勤情況和態度評定，這是設計正常進行的基本保證，也是初步對畢業要求9中個人與團隊能力的培養。

設計成績占總成績的40%，主要評估工程基礎理論知識應用能力與分析和解釋數據能力，根據所選擇分析方法、數據分析的正確性、模型建立、運動仿真、簡圖繪制等進行評價。

答辯成績占總成績的20%，各組將集中設計階段的工作及成果以PPT形式作匯報，主要介紹組員分工及完成情況，組員自評分，搭接視頻等，并回答提問，據此評判答辯成績。

通過此類考核方式，對畢業生的能力9（個人與團隊）和10（溝通，包括撰寫報告和陳述發言、清晰表達或回應指令）也起到初步培養的效果。

此外，上述基于OBE工程教育理念的考核方式對教師的教學投入提出很高要求。例如：教師需要投入較多的精力和心血研究繁瑣的教學目標分解和教學方法選擇，要求其自身具有扎實的專業理論知識、較廣博的基礎知識面、較強的動手能力及計算機應用能力。對設計中可能出現的各種方案及其特點要有充分認識，能夠正確引導學生，使他們經過認真思考和分析比較后，可以選擇一個適當的方案。這樣才能適應當前實踐教學改革和發展的需要，從而有效引導學生積極思考，培養他們的創新能力。

五、結束語

經過近兩年的實踐，發現根據OBE教學理念改革后的《機械原理》課程設計，為學生機械傳動系統設計能力、工程基礎理論知識應用能力、分析問題和解決問題的能力以及團隊合作和工程實踐能力的鍛煉和提高提供了很好的平臺，并確實取得了較好的效果。然而，OBE工程教學模式是一個系統的工程，無論是在設計內容，還是在設計方法和評估方式上，還有很多需要完善之處，需要進一步的改革和探索，持續改進，以更好地培養學生相應的畢業能力，實現培養與國際接軌的中國工程師的目標。

參考文獻：

[1]中國工程教育專業認證委員會.工程教育認證一點通[M].北京：教育科學出版社，2015.

[2]余天佐，劉少雪.從外部評估轉向自我改進―美國工程教育專業認證標準EC2000的變革及啟示[J].高等工程教育研究，2014，（6）：28-34.

[3]顧佩華，胡文龍，林鵬，等.基于“學習產出”（OBE）的工程教育模式――汕頭大學的實踐與探索[J].高等工程教育研究，2014，（1）：27-37.