強化工程能力培養的地方高校機械設計系列課程改革

陳　靜，張烈平，趙　虹

(桂林理工大學　機械與控制工程學院，廣西　桂林　541004)

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強化工程能力培養的地方高校機械設計系列課程改革

陳靜，張烈平，趙虹

(桂林理工大學機械與控制工程學院，廣西桂林541004)

摘要：工程能力是現代工程教育的本質和特征體現，文章分析了我國工科本科畢業生的畢業要求，建立機械設計系列課程實現畢業要求矩陣，分析了地方高校機械設計系列課程改革的困境，從機械設計系列課程內容、課程組織、教學方法三個層面，通過知識、工程能力和素養的合理平衡與有機結合，提出強化地方高校工科大學生工程能力培養的基本對策，以期為地方高校課程改革提供參考。

關鍵詞：工程能力；機械設計；課程改革

一、引言

機械設計系列課程是機械專業的核心課程，包括機械原理、機械原理課程設計、機械設計、機械設計課程設計。機械設計系列課程是一個完整的機械設計過程，只有完成整個過程的訓練，才能完成機械設計全過程的訓練，這是機械專業人才具有機械產品設計能力的最基本條件。機械產品設計能力是機械專業學生的看家本領，否則他們將要在今后工作中經過較長時期的磨礪和摸索，才能具有這種能力，這將大大延緩工程人才的成長過程。

二、工科本科畢業生的畢業要求

大學教育核心任務是為人才成長奠定必須的知識、能力和素養基礎。關于工科本科畢業生“知識、能力和素養”的分類及標準眾說紛紜，中國工程教育專業認證協會在工程教育本科層次人才培養的通用標準中，對學生畢業時應該掌握的知識和能力提出了12條要求，這是對我國工科本科畢業生的“知識、能力和素養” 的完整定義，筆者按照布盧姆和加涅的教育目標分類理論，從“知識、工程能力和素養”三個維度[1]，對工科本科畢業生的畢業要求進行分類如下表所示。

學生應該掌握的知識、工程能力和素養的畢業要求，要通過全部的教學過程逐步實現。機械設計系列課程實現的是畢業要求的一部分，其實現畢業要求矩陣如下表所示。“設計開發解決方案”是工程能力的核心，機械設計系列課程設計以常用機構和一般通用零件的設計為核心，使學生具有從事機械產品設計的能力，是通過設計滿足特定需求的系統、部件能力的訓練，實現“設計開發解決方案”能力的培養，由于課程設計的訓練不宜采用團隊的方式，需采用一人一題的方式，使每個學生都能夠得到完整的訓練，因此課程設計不包括“個人和團隊”“項目管理”的工程能力訓練；在“溝通”方面，課程設計針對的是撰寫報告和設計文稿、陳述發言、清晰表達能力的訓練。

表　畢業要求及機械設計系列課程實現矩陣

工程的本質要求是創造未來世界，實現現在沒有的、做出實用的東西來，那么就必須要有能力，工程能力是工程教育的本質和特征體現，強化工程能力關系高等工程教育質量的關鍵點。但是，工程能力培養仍是高校培養中尚未良好解決的難點問題[2]。地方高校與重點大學相比，無論是在政策傾斜還是經費供給上均處于劣勢，對照工科本科畢業生的畢業要求，為數眾多的地方高校的工程能力的培養還存在諸多的不足，地方高校如何通過課程改革實現工程能力的培養還未得到重視，教學改革步履緩慢。因此，現階段需要加大地方高校課程改革的研究和探索力度，探索地方高校工科大學生工程能力培養的有效途徑。

三、地方高校機械設計系列課程改革困境

機械設計系列課程對培養機械專業學生分析和處理工程實際問題的能力有著重要的作用。與工程問題的綜合性相適應，國外不少專業課出現了綜合化的趨勢。英國的拉夫堡大學制造工程專業，開設的制造設計課，不僅包括工程制圖及CAD的內容，還集成了設計、材料以及與設計相關的經濟和法律問題。美國的密歇根大學機械專業的課程設置中，將工程制圖、機械原理、機械設計、機械制造等機械專業的重要核心課程進行了有機融合，使得學生的學習有的放矢，有利于學生對機械工程知識的理解和掌握[3]。東南大學將機械原理和機械設計合并，正在開展基于綜合設計能力培養“設計原理與方法”系列課程的實踐。但是，目前開設綜合課程的難度較大，地方高校機械設計系列課程各環節改革還存在的主要問題有：

(一)理論教學效果不到位

1.理論教學內容過度依賴教材和課件。大學課堂仍然是灌“書”課堂：教師講教材和課件，學生學教材，考試考教材，離開了教材，老師就不知道怎么教，學生就不知道怎樣學[4]。地方高校的機械原理和機械設計課程大多使用與重點大學相同的教材，課時和教學大綱相差無幾，課程的知識點和知識的組織結構也是相差無幾。教材是大學課堂教學的重要載體，它是課程的重要組成部分，但肯定不是全部。但是，教師對教材和課件過度依賴，卻對如何選擇教學內容、工程知識的寬度和深度缺乏深入的思考。

2.理論教學缺乏工程背景。機械原理和機械設計課程包括許多有關機械工程技術、方法、工程經驗等方面工程知識，這些工程知識對學生工程能力的培養至關重要。工程知識來源于工程活動，具有強烈的工程背景，即具有顯著的情境性，脫離了工程情境，就失去了工程知識的結構和意義[5]。

工程能力中的“問題分析”能力是能夠應用數學、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[1]。在機械設計課程中的“問題分析”能力是通過分析工程問題，建立工程問題的數學模型。但是，在理論課程中，工程知識常常被去掉其所處的工程環境，如機械設計課程中軸的設計，去掉軸所處的工程環境，直接從數學模型開始進行軸的設計，由于學生不清楚所學知識的應用環境，必然導致學生在產品設計中，缺乏對“工程與社會”“環境和可持續發展”“職業規范”等因素全面考慮，學生感覺不到缺乏工程背景的工程知識實踐應用的價值，進而失去學習的興趣；在實踐教學中，需要對工程問題進行分析建立數學模型，但是實踐教學指導的力度不夠，使學生的工程“問題分析”能力培養不到位。因此，存在這樣的現象：學生滿足于概念、公式、作業、考試的學習過程，有的學生課后習題可以很好地完成，但是遇到現實中或者略為接近工程一點的問題就束手無策。因此，缺乏工程背景的“工程知識”的學習效果不到位，導致“工程知識”學習和“問題分析”能力的缺失，也難達到學生“終身學習”和“工程與社會”“環境和可持續發展”“職業規范”素養的培養要求。

(二)實踐教學工程能力培養力度和效果不到位

課程設計是培養學生設計能力的關鍵過程，主要實現畢業要求中的工程能力的培養，課程設計主要包括理論計算、機構和結構設計，工作量是很大的。但是，機械原理課程設計時間為1周，機械設計的課程設計時間為3周，還通常安排在期末，學生要準備考試，使課程設計的實際時間不能保證。即使時間能夠保證，學生也需要加班熬夜才能完成，因此，僅靠課程設計的時間是不夠的。

課程設計的結果包括理論計算和設計圖紙，課程設計圖紙僅局限于抄圖，沒有參考圖就不能搞設計的現象普遍存在；由于設計的結果沒有通過產品制造進行驗證，課程設計的結果還停留在設計圖紙階段，通過指導教師評價和答辯兩個環節對課程設計的結果進行評價，由于課程設計的結果評價難形成嚴格的標準答案，實際對學生的評價包含了很多主觀因素，因此，存在對課程設計的評價很少有不及格的現象，這種現象在其他實習中也普遍存在；同時，課程設計的實施過程管理和監督缺位，教師的指導和評價流于形式；因此，實踐教學環節存在的各種問題，將導致實踐教學存在虛化和弱化現象，對照課程設計要實現的畢業要求，工程能力培養的力度和效果遠未到位。

(三)理論與實踐教學體系不完善

機械設計系列課程的傳統型課程框架和順序是：機械原理-機械原理課程設計-機械設計-機械設計課程設計，這種課程設置基本上遵循著理論-實踐、知識-技能、基礎-應用的課程順序進行展開，是延續了幾十年的傳統型課程模式，導致了理論與實踐脫節，表現在機械原理與機械設計脫節、理論教學與課程設計脫節、課程設計彼此獨立缺乏連續性的現象普遍存在。如在大多數機械設計課程中，仍堅持原來機械零件課程的教學內容和課程設計，即只講通用零件設計和進行減速器課程設計，而機械原理中的三大常用機構在機械設計課程中只有傳動機構了，其他兩大機構，即連桿機構和凸輪機構無影消失[6]。學生不知道怎樣去進行這些機構的結構設計和工作能力計算，也就是說在機械原理中學的連桿機構和凸輪機構學生無法應用，致使機械原理與機械設計課程脫節。機械原理和機械設計課程設計是一個完整實踐過程，機械原理的課程設計的結果可以通過機械設計的課程設計進行驗證，但是目前，機械原理的課程設計為機器方案設計，機械設計的課程設計為減速器設計，機器方案設計并沒有得到驗證，致使兩個課程設計脫節。

綜上所述，在機械設計系列課程實現畢業要求的工程能力培養中，主要存在“問題分析”“設計開發解決方案”“終身學習”三種能力的培養效果不到位，嚴重影響著學生工程能力的培養。在短期內難以根本改變傳統型課程框架的情況下，機械設計系列課程教學改革的空間是有限的，因此，如何進一步提高對大學生工程能力培養重要性的認識，把實踐的主體、時間、空間等還給學生，讓學生主動實踐，努力解決知識、工程能力和素養有機結合的問題，為學生創造完整的機械設計過程基本訓練的條件，實現理論教學與實踐教學并重，需要通過系列課程的整體設計和教學方法改革。

四、強化工程能力培養的地方高校機械設計系列課程改革

(一)機械設計系列課程的整體設計

知識、工程能力、素養是高等工程教育的內在要求，強化工程能力不是放棄知識的學習、素養的培養，高等工程教育要努力解決知識、工程能力和素養三個方面教育的合理平衡、有機結合的問題。因此，機械設計系列課程的整體設計，應著重把握好兩個方面，一是在理論和實踐內容選取方面，如何合理平衡“知識、工程能力和素養”，并將其作為理論課程和實踐活動內容選取的基本依據；二是在課程的組織方面，如何處理好理論與實踐教學的關系，實現“知識、工程能力和素養”的有機結合。

1.機械設計系列課程內容選取。強化工程能力是將知識學習作為手段，為工程能力培養服務，要以工程能力為導向開展課程設計，通過知識、工程能力和素養有機結合，提高工程能力的培養，以工程知識的學以致用提高工程知識的學習動力。強化工程能力培養的機械設計系列課程的整體設計基本對策有：降低機械原理、機械設計工程知識的深度，甚至于工程知識的寬度也要做出取舍，以必須夠用原則確定工程知識的寬度；在機械設計課程中增加連桿機構和凸輪機構結構及工作能力設計，增強課程之間的有機聯系；減速器設計是機械設計實踐環節的典型內容，因為它最能體現該課程課內大部分知識的應用情況，在減速器設計的基礎上增加機械原理課程設計結果，即將機械原理課程設計結果，作為機械設計課程設計題目，通過前后連貫的實踐環節，完成機械設計全過程的訓練。也就是說，通過知識、工程能力和素養的合理平衡，解決機械設計系列課程脫節的問題，以加強產品設計能力和解決工程問題能力的培養。

2.機械設計系列課程組織。在課程的組織方面，高等工程教育改革的焦點在于如何處理好理論教學與實踐教學的關系。茅以升先生的“習而學”教學模式，是一種有異于人們慣常思維的課程設計思想，它的精髓在于理論與實際的緊密結合，其本質特征是強調實踐基礎上的理論化：先習后學，再習再學，實習與理論相結合。因此，工程實踐活動應穿插在工程教育的各個階段中，與理論教學交替進行。現在，工學交替制已經成為高等工程教育的一種重要模式，在國內外得到了越來越廣泛的應用。“習而學”模式給我們打破傳統的課程論思想、以新的視角重新審視教學改革和設置課程提供了方法論上的依據，提供了新的對策與思路[7]。

受傳統的公共基礎課、專業基礎課、專業課的三段論模式限制，基于工學交替制課程設置順序的單元只能是理論課程和實踐環節，并且，目前大部分課程的設置順序仍是強調先理論后實踐。因此，將工學交替制的思想融入機械設計系列課程改革，是指在不減少理論課程和實踐性課程教學內容的同時，將系列課程變成一個連續的有機整體。首先，在機械設計系列課程的理論教學過程中，將課程設計提前到理論教學階段，讓學生在工程知識學習的同時，接受工程“問題分析”能力的訓練，并以課后作業的形式完成課程設計的理論計算，使學生在學習基本理論的基礎上，能夠及時進行實際應用，有效地調動學生主動學習的積極性，實現課程設計活動穿插在理論教學的各個階段，并與理論教學交替進行；然后，將機械原理課程設計結果，作為機械設計課程設計題目，通過前后連貫的實踐環節，實現完整的機械設計的實踐訓練，提高學生“設計開發解決方案”能力的培養，以提高學生“工程能力”培養。

另外，沒有真正落實實踐內容的問題之一是時間的限制，而采用工學交替制重新組織機械設計系列課程，將課程設計實踐活動穿插在相應理論教學的各個階段中進行，使學生能夠用課外的時間完成課程設計的部分內容，能夠解決課程設計時間不夠的問題。

(二)機械設計系列課程教學方法改革

機械設計系列課程的實施重點是，如何有效地提高實踐教學與理論教學的協調。但是，有效地提高實踐教學與理論教學的協調卻是困難的，原因有來自教師的阻力，也有地方高校實踐條件的限制。

強化工程能力的機械設計課程教學模式和方法改革基本對策有：

1.實施綜合性實踐環節。針對機械原理和機械設計課程設計之間知識融合不夠的問題，需要前后連貫的綜合性實踐環節，通過設計機械原理和機械設計分階段實施的綜合設計實踐環節，促進工程知識的融合；而且，重點應落實完整機械設計實踐內容的實施，實現學生“設計開發解決方案”的工程能力培養，達到提高學生工程能力的目的。

2.基于“情境化”認知的理論教學方法。工程實踐活動本身具有不依附于科學知識的獨立性。對于工程學科的學習來說，“情境化”的認知方式更符合學習者的特點。在許多情況下，學習者在“情境化”的學習活動中，先認識到知識的實踐形態，認識到了利用知識去理解、分析和解決真實世界中的問題的需要，然后再去學習理論知識，真正有效的學習就自然而然地發生了。因此，對于工程學科的學習來說，“情境化”的認知方式更符合學習者的特點[7]。因此，教學中要創設真實的工程項目教學情景，讓學生真正參與到工程實施活動中來，自主地進行工程項目實踐[4]。但是，基于“情境化”的認知方式的理論教學，創設真實的工程項目教學情景的實施有一定的困難，而以課程設計的內容作為理論課程知識的工程背景卻容易實施，同時實現了將工程能力培養融入理論教學中，使學生明確理論課程學習的目標，加強理論課程中工程“問題分析”能力的培養，提高理論課程的教學效果，突出理論教學與實踐緊密結合。

同時，實施基于“情境化”認知的理論教學方法，要改革課堂教學的內容，講難點、重點、前沿知識和拓展知識，一般的知識通過學生的自學完成，這樣不但提高了課堂效率，增加了學生的知識面和深度，也培養了學生的學習能力；除傳統的教學方法外，以課程設計的問題為載體，采用基于問題的學習、基于項目的學習、基于案例的學習等多種教學方法，啟發學生自己分析和處理工程問題，這樣學生就可以利用課外的時間，進行大量的自主學習完成課程設計，實現以課堂教學為主向課內外結合轉變，實現實踐教學向理論教學延伸，將實踐的主體、時間、空間還給學生，讓學生主動實踐。因此，通過知識、工程能力和素養的有機結合，能夠有效提高學生“問題分析”和“設計開發解決方案”的能力，從而達到提高學生工程能力的目的。

五、結語

課程改革要統籌考慮課程體系設計和教學方法改革，不應該將課程體系設計的缺陷都期望由教學方法改革填補。不然，這樣的改革是低效的，甚至難以達到預期目標。強化工程能力培養的地方高校機械設計系列課程改革不可能一步到位，在目前缺乏成功經驗的情況下，學習借鑒國外和重點大學的做法，從工程人才的能力提升規律出發，研究地方高校機械設計系列課程的整體設計，積極探索和實施教學方法改革的有效路徑，實現知識、工程能力和素養的合理平衡與有機結合，達到強化地方高校工科大學生工程能力培養的目的。

(責任編輯：夏璐)

參考文獻：

[1]陳國松，許曉東.本科工程教育人才培養標準探析[J].高等工程教育研究，2012(2)：37-42.

[2]王存文，韓高軍，雷家彬.高等工程教育如何回歸工程實踐——以省屬工科類高校為例[J].高等工程教育研究，2012(4)：34-39.

[3]張華，周一丹，倪紅軍，等.中美高校機械工程專業課程體系比較研究[J].科技文匯，2014(11)：73-74.

[4]李志義.我國工程教育改革的若干思考[J].中國高等教育，2012(20)：30-34.

[5]陶平，孫瑛，熊禾根.機械設計教學中的工程知識學習[J].中國冶金教育，2015(2)：35-37.

[6]張永安.我國機械設計教學現狀的思考及建議[J].中國大學教學，2013(6)：35-36.

[7]劉吉臻.工程教育課程改革的思維轉向：工程化的視角[J].高等工程教育研究，2006(4)：42-45.

Reformation of Local College Mechanical Design Curriculum System to Strengthen Engineering Ability Training

CHEN Jing，ZHANG Lie-ping，ZHAO Hong

(College of Mechanical and Control Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

Abstract：Engineering ability is the essence and characteristic of modern engineering education.This article analyzes the graduation requirements of engineering undergraduates，and establishes the graduation requirement matrix of implementation of mechanical design course，and analysis the difficulties in the reform of mechanical design curriculum in local colleges.Starting from three aspects of course content，curriculum organization and teaching method of mechanical design series，this article puts forward a basic countermeasures of strengthening engineering ability training of engineering students in local colleges through the reasonable balance of knowledge，ability and quality.This article committed to to provide a reference for the reform of local colleges in this way.

Key Words：engineering capability；mechanical design；curriculum reform

基金項目：2015年廣西高等教育本科教學改革工程重點項目“面向工程能力培養的機械設計系列課程改革研究與實踐”(2015JGZ130)；2015年廣西高等教育本科教學改革工程項目“基于實踐能力和創新能力培養的地方高校控制工程類課程教學改革研究與實踐”(2015JGB242)。

收稿日期：2016-01-19修稿日期：2016-01-29

作者簡介：陳靜(1963-)，女，重慶市人，副教授，研究方向為機械設計與方法。

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9719(2016)3-0072-04