“基于產品實現全過程”的機械設計能力培養

蔡曉君， 竇艷濤， 劉湘晨， 劉占民， 徐林林

(北京石油化工學院機械工程學院，北京102617)

0 引言

能力——是指順利完成某一活動所必需的主觀條件。人的能力簡言之主要是由“知識”與“技能”兩部分所組成［1］。現代高等工程教育認為如果僅僅依靠在課堂上對學生“灌輸”知識，而沒有足夠的實踐環節加以訓練與應用，學生所獲得的“知識”只是停留于書本上的認知，不能靈活運用、不能解決問題，這種“知識”沒有為個體“技能”的提高服務，更不能轉化為個體的“能力”。從學生角度而言，面對大量被灌輸的、枯燥的“知識”卻不知為何而學?不知用在何處?更不能轉化為自身的“能力”?因此獲取“知識”的熱情和樂趣被大大降低。這種模式培養出來的學生工程實踐能力極為低下，無法勝任日益激烈的社會競爭，這就是傳統工程教育的病垢所在［2］。

“基于產品實現全過程”的機械設計能力課程后延續化培養模式的改革與實踐首先充分肯定學生在人才培養中的主體地位，認為學生本身具有一種對“知識”的渴求。而教師作為教學過程的組織者、促進者，通過為學生設計真實的機械產品任務和復雜多樣化的問題，激勵學生發表對問題解決的多重觀點，引導學生解決工程實際問題，從而引發和保持學生學習的積極性與主動性。我們用如下3個環節保證教學改革理念的實施:① 學生“知識”與“技能”的融合、學生能力的培養不是一門課程、一項實驗所能完成的，需要教師們通過幾門課程的“連續性訓練”和“遞進式培養”。②通過學生感興趣的某一“真實機械產品全過程的設計與制作”的實施，以設計研究小組為實體，以“化整為零”的方式做指導，課內培育、課后跟蹤。③實施了教學延伸至課外的機械設計能力培養模式，使學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程［3］。

1 機械設計系列課程的“連續化”與“遞進式”培養

“機械原理”、“機械原理課程設計”、“機械設計”和“機械設計課程設計”等系列課程是機械類專業的看家課程，在人才培養中占有重要地位。系列課程所涉及任務本來是一個完整的機械系統裝置，但為了符合各自教學的需要，教師們常常截取課程相關內容，轉化為學生所看到的“紙面設計題目”，導致實踐環節彼此獨立，連續較差，更為重要的一點是所有設計，均為“紙上談兵”，缺乏了工程實踐的檢驗，學生對工程的認識是模糊的。

為此課程組對相關理論與實踐教學環節進行了有機的整合，并在教學過程中突出以項目設計為主線的特色，例如機械原理學習壓縮機運動方案系統設計、機械設計強調壓縮機零部件結構設計、機械制造則上升為工藝設計與制造;所有教學環節都圍繞項目設計這個核心展開，并與這個核心融合在一起，形成一個有機的、系統的整體，從而在內容和形式上保證了機械設計能力培養的“連續化”;此外教師的講授以一種嶄新的“遞進式”教學方式進行教學，采取:①引入工程概念;②引導發現工程問題;③引出求知欲;④引進工程理論殿堂。“遞進式”教學方式完全以學生為主，以滿足學生對知識的渴求為出發點，使學生能用所學能解釋工程現象，解決工程問題，從而調動學生學習的熱情，提高學生應用理論知識的能力和實踐動手的能力［4］。

2 實施機械產品的全過程體驗

自我效能這個概念最早由著名心理學家班杜拉提出，它是指個體對能否成功掌握特定任務的信心。按照自我效能理論，親歷性、替代性的工作經驗都能提高個體的自我效能，而高自我效能與低自我效能相比，更加能夠促進行為的成功履行，為學生在企業成功立足服務［5］。

教師通過真實機械產品設計、加工、制作全過程的訓練，讓學生們切實體驗現實工程中理論知識應用各個環節，通過經歷一個機械產品或機械系統全過程的基本訓練，將所學的現代機械制圖、機械制造技術、工程材料、公差與技術配合、工程力學、機械原理、機械設計、計算機輔助機械設計、機電系統控制等系列課程的理論知識在這一過程中得到具體的實際應用和工程訓練。

設計題目由3部分組成:① 封閉式。教師命題;②半開放式。教師提出功能目標;③ 開放式。學生自主選題等，學生自主選題主要考慮學生長期感興趣、有一定研究積累的特長。教師指導學生依據興趣選題，充分調動社會、家庭參與研究訓練的積極性，題目采用學生自選和教師指定相結合的原則，具有學生感興趣的諸多因素。如管道爬行裝置的設計與制作、糕點切片機的設計與制作、具有逃生功能自動窗的設計與制作等。

以往學生完成了理論設計任務后，常常有一種錯誤的直覺，認為設計已經完成，而在實施機械產品設計制作的全過程實踐訓練中，許多學生才知道更大的任務才剛剛開始。市場調研—購買配件—加工零件—組裝裝配—修改設計—安裝調試等等環節，這些實踐活動沒有現成的書本可作參照，需要學生調動自我潛能去發現市場、聯系廠家、動手制作，實驗室里的小設備學生是最經常的訪客。這種學習是帶著問題的學習，學生常常是追著教師請教答案。在設計制作實踐中還有一些學生的產品有可能面臨的卻是失敗，例如機08單洪超小組設計制作的雙向爬桿裝置，由于材料選擇不當，導致產品強度剛度不足，無法正常工作;機08封立澤小組設計制作的雙螺旋槳釣魚船由于零件設計選用不當，導致聯軸器連接失效，這種產品設計失敗的體驗對學生來說也是一種寶貴的經驗，值得很好地總結與吸收。

學生們正是通過親歷這種基于產品實現全過程的設計訓練，使其在大學階段學到了“活”的知識和技能，并具備了在實踐中解決工程問題的能力，從而有效提高了個體面向工程實際的自我效能［6-7］。

3 以化整為零的方式實現課程后延續化培養

美國國家培訓實驗室總結的學習金字塔模型證明，合作學習和實踐是提升學習效果的根本方法。但是在有限的課堂教學時間內，教師總是剛剛把教學內容講完，課程也面臨著結束，合作與實踐環節根本來不及實施，更別說培養提高學生的能力培養了。因此我們在系列課程開始時，就介紹項目設計的相關內容和設計要求，布置學生按自愿組合的方式組成研究設計學習小組，一般為3～5人，鼓勵不同特長的學生搭建項目小組，鼓勵男女協調搭建項目小組。項目小組設組長一名，主要制定設計規劃、把握項目進度，分配工作任務等;經過充分討論醞釀后，項目小組有明確具體的分工，每一位小組成員必須保質保量按時完成規定任務。通過項目的完整實施，讓每一位小組成員真正領會團結協作的內涵［8］。

由于相關理論與實踐環節課內學習只安排了兩個學期的教學任務，而產品的加工制作與調試往往需要更長的時間，課程結束了，項目沒有結束，如何延續指導，給教師了帶來較大困難。課程組采取了“化整為零”、“課后延續化”培養的模式，即:課內培育、課外追蹤、延續化培養，對設計任務制定分階段成果考核的目標。學生在每一個實踐環節既要有階段成果，產品制作完成又要有最終成果，課內成果記為課內成績，課外成果記為創新學分。教師指導采用定期指導和不定期咨詢與詢問兩種方式，定期指導主要指在課內實踐教學階段，要求每組學生在2～3周的時間內，調研—制定方案—討論—分工設計—繪圖—匯報成果，教師評定階段性成績;不定期咨詢與詢問可能貫穿整個學期，尤其是課程后的延續化跟蹤培養，要求項目組成員就前期的設計在后續的加工、購買材料等方面發現問題隨時可向教師咨詢，教師隨時可詢問學生項目進展，提出指導意見或建議。教師定期指導采取當面指導的方式，教師不定期詢問采取當面指導、網絡聯系或通訊交流等多種靈活的方式。課程后的延續化跟蹤培養與工程實踐緊密結合，與課外科技活動相輔相成，各項目組在課程后學期內舉辦1或2次項目組之間的交流，介紹項目進展情況，展示項目成果［9-10］。在2011年舉辦的CDIO國際大會上機械工程學院學生就他們的設計體會進行了精彩的發言，獲得了與會國際人士的好評。

4 結語

“基于產品實現全過程”的機械設計能力課程后延續化培養模式是在有效整合機械設計系列課程理論與實踐內容的基礎上，通過學生感興趣的某一“真實機械產品全過程的設計與制作”的實施，以設計研究小組為實體，以“化整為零”的方式做指導，課內培育、課后跟蹤，實施機械設計能力延續化培養，使學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程，動手制作產品，進而培養學生的獨立思考能力、機械設計能力和解決工程問題的能力［11］。

(1)整合機械設計內容，培養整機設計理念。從機械產品設計的全過程出發，以工程項目設計為主線，使機械設計系列課程的教學內容實現“連續化”、“遞進式”的培養，擯棄了傳動機械設計教學存在的“只見樹不不見森林”的弊端，實現了產品設計、制作的完整性、系統性和綜合性［12］。

(2)以學生為人才培養的主體，運用多種方式激發其對知識的渴求。通過設置貼近工程的實踐項目，以學生設計研究小組為實體，采用“化整為零”的方式做指導，激發其對知識的渴求，使學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程［13］。

(3)倡導主動實踐，提升工程實踐自我效能。將傳授理論與要求學生動手設計、制作相結合，通過設計與制作，真正達到融會貫通，在設計、思維、動手、創新等多方面得到提高，進而提升學生工程實踐的自我效能，增強其選擇工程職業的信心［14］。

(4)課內培育、課外追蹤，實施機械設計能力延續化培養。通過課內培育、課外追蹤，課程結束項目延續的模式，與工程實踐緊密結合，與課外科技活動相輔相成，實現機械設計能力的培養目標［15］。

［1］ 余 曉，孔寒冰．能力導向的工程實踐模式比較與評價［J］．高等工程教育研究，2011(3):28-33．

［2］ 廖宗廷，徐 沁，張 勤．興趣驅動，重在過程，自主管理［J］．高等工程教育研究，2011(1):29-32．

［3］ 安 琦，王小芳．創新機械設計能力的課程后延續培養模式［J］．化工高等教育，2007，96(4):79-82．

［4］ 林志東，王 忠，謝春暉．以“項目化”實踐教學培養應用型人才創新能力［J］．中國大學教，2009(3):36-38．

［5］ 李勝強，雷 環，高國華，等．以項目為基礎的教學方法對提高大學生工程實踐自我效能的影響研究［J］．高等工程教育研究，2011(3):21-26．

［6］ 蔡曉君，傅水根，竇艷濤．依托教學實驗基地構建工程實踐教學新體系［J］．實驗技術與管理，2007，24(9):125-127．

［7］ 蔡曉君，劉湘晨，竇艷濤．加強實踐教育 提高學生的工程素質與能力［J］．實驗室研究與探索，2009，28(1):136-138．

［8］ 張曉京．推動以探究為基礎的學習--關于實施國家大學生創新性實驗計劃的幾點思考［J］．中國大學教學，2008(3):34-36．

［9］ 鄭秀英，張進明，白守禮，等．提高本科生實踐創新能力的探索［J］．中國大學教學，2007(2):47-49．

［10］ 羅 云．論我國高等工程教育人才培養模式的改革［J］．南京理工大學學報(社會科學版)，2006(3):10-15．

［11］ 王雪峰，曹 榮．大工程觀與高等工程教育改革［J］．高等工程教育研究，2006(4):17-20．

［12］ 周先軍．機械設計課程設計改革思考［J］．吉林省教育學院學，2010，26(10):140-143．

［13］ 李繼中．工學結合教學模式的研究與實踐［J］．高等工程教育研究，2010(4):136-139．

［14］ 朱 玉．CDIO工程理念在“機械原理課程設計”教學中的應用［J］．電力高等教育，2010，152(1):139-142．

［15］ 曹 毅，汪選要．從課程設計談本科生自主創新能力的培養［J］．安徽理工大學學報，2010，12(2):88-92．