問題引導下的機械設計課程設計創新教學模式探討

劉宏

摘要：機械設計及其系列課程設計以其綜合運用專業理論知識解決工程實際問題的訓練特點，在培養學生向工程技術人員角色轉化過程中起到關鍵作用，但目前教學過程不能完全滿足新工科背景下應用型機械專業人才培養的需求。本文在分析目前機械設計課程設計在教學方法、教學內容、設計對象及其考核形式等方面問題的基礎上，基于新工科背景，結合產學研合作提出了問題引導下的機械設計課程設計教改思路，深化產學研合作基礎上，以解決企業一線典型產品設計需求為目標，以問題為導向，同步實施理論課與課程設計教學，滿足學生個性化發展需要，達到激發學生學習的主動些和創新能力的目的。

關鍵詞：新工科;產學研合作;機械設計;課程設計;先進設計方法

因其理論抽象、概念繁多、實踐性較強的特點，使得專業課在課程理論學習結束后均配有課程設計的實踐環節，能否對其學懂學透學以致用是一名學生能否向專業技術人才轉變的關鍵。隨著新工科建設的逐步深入，應用型人才培養方案也對專業課課程設計的實踐環節提出了更高要求[1]。

機械設計課程是面向機械類相關專業學生開設的一門重要的專業課，通過課程學習要求學生了解通用機械設備的工作原理、掌握通用零件的設計原理、方法和機械設計的一般規律，進而綜合運用所學知識研究改進并開發新的零部件。因此，在課程理論學習結束后，開設為期三周的機械設計課程設計實踐教學環節，通過本環節把機械設計及其它相關先修課程中所獲得的理論知識在設計實踐中加以綜合應用，使理論知識和生產實踐密切結合起來，培養學生的工程設計能力和分析問題、解決問題的能力，是培養學生向工程技術人員轉變的切入點。然而，目前機械設計課程設計存在選題單一、教學模式固定、設計方法滯后等諸多問題，不能完全滿足當前新工科發展對機械類人才培養的需求，同時對學生個性化學習成長極為不利。

鑒于此，本文結合新工科建設背景，在產學研協同育人的基礎上，提出基于問題導向的機械設計課程設計創新教學模式，充分利用合作企業教學資源，使學生切實感受到生產需求，并以問題驅動教學的方式，同步開展課堂理論教學與課程設計實踐，幫助學生更好搭建機械設計知識構架，提升機械設計課程設計的教學效果。

1 機械設計課程設計教學目前存在的問題

機械設計課程設計一般以傳動裝置中的減速器為設計對象，設計課題主要以圓柱齒輪、圓錐齒輪和蝸桿傳動中任意兩者的組合構成兩級減速器[2]。為達到獨立設計和團隊協作的目的，指導教師一般只進行方向性指導，切實培養了學生獨立設計工作的能力，普遍收獲較大。但通過指導和評閱機械設計課程設計，特別是隨著新工科建設和產學研合作的逐步深入，從中發現還存在一些必須引起重視和解決的問題。

1.1 教學方法固定且教學內容不連貫

新工科背景下，現有機械設計課程設計在教學模式上存在教學方法固定、教學內容不連貫問題，難以滿足學生個性化發展、特別是應用型人才培養的需求。通常一位教師指導近40位學生，時間緊、任務重，在教學上采用“批量生產通用產品”的方法，要求學生按照指導教師規劃的設計框架，填充式完成模板內各部分內容，導致學生形成了以習題形式開展設計工作、以進度快和圖紙美觀為得分追求點的片面認識，這嚴重限制了學生思維和個性化開展工作的途徑，使學生欠缺對各部分內容間連貫性和前因后果的考慮，設計過程難以體現出學生的創新能力。

1.2 課程設計環節與理論教學過程脫節

機械設計課程設計通常安排在機械設計課程結束后才統一布置設計題目，要求學生在三周內完成設計工作任務，由于理論課程持續時間較長，且缺乏實際工程問題的設計訓練，學生對理論課程知識點記憶淡化，需重溫和實操課程內容而花費較多時間，造成課程設計時間緊張，學生都要加班加點，通宵達旦，對很對知識點的實際應用來不及思考就在匆忙中完成課程設計[3]，在注重效率的情況下忽略了設計質量。

1.3 課程設計選題陳舊單一

長期以來，課程設計的命題主要是根據機械設計所學內容對通用二級齒輪減速器進行設計，相關指導書和網絡資源豐富，難免有部分學生存在抄襲和依葫蘆畫瓢的仿制現象，就導致學生缺乏學習的主動性、積極性，并少有結構創新設計[2]。因此，從命題角度看，現有課程設計缺少新工科背景下對產學研合作企業新型零件設計的考慮。

1.4 設計方法滯后

隨著計算機技術的廣泛應用，如何利用先進的設計方法和技術手段進行新產品設計，最大程度縮短產品開發周期和節約開發成本，已成為同行們所追求的目標。

一方面，目前機械設計課程設計仍要求學生采用手工繪圖，修改工作量較大，但往往繪圖效率較低且繪圖質量層次不齊，也是導致學生不能如期完成設計任務的主要原因之一。另一方面，新工科背景下，機械產品的開發和設計方法已逐漸改變，計算機輔助工程及其創新設計方法已被提升到了重要地位[4]。有限元分析作為先修課程，其所強調的對產品結構分析、力學分析和結構優化設計方法已成為機械設計的重要方法，能有效減少不必要的手工重復計算。

1.5 考核方式單調

課程設計的指導通常注重方向性引導，已期望學生獨立完成整個設計過程的目的。因此，在最終考核上采取學生對設計過程答辯方式闡述，加之對完成圖紙及設計報告評分給出最終成績，缺乏對各設計環節的關注，缺乏設計過程中的交流與互動，難以有效調動學生學習積極性，對抄襲和獨立完成情況的判斷和最終成績的評定欠公平。

2 新工科背景下基于問題的教改思路

新工科教育理念的提出對人才培養提出了更高的要求，隨之制定了新版人才培養方案。作為應用型本科院校，機械類專業已全面實行卓越工程師人才培養模式，在人才培養過程中增加了實踐教學的比重，重視理論知識的同時更加重視實踐教學環節。因此，課程設計實踐教學環節的教改也迫在眉睫。本文在目前教學環節突出問題的基礎上，結合新工科建設要求，對機械設計課程設計的教學提出以下教改思路。

2.1 問題引導下理論教學與課程設計同步進行

一方面在新工科背景下，更應注重加強學生專業實踐的教學環節，在本課程進行前或課程實驗（機械零件認知）環節，有目的的將學生帶入產學研合作企業工廠參觀實習，在企業現場開展機械零件認知實驗，并了解企業生產實際需求，讓學生自行選擇或企業師傅推薦相關產品重點認知，作為自己課程設計目標;另一方面，在開展機械設計理論教學伊始，指導教師布置課程設計任務，將理論課學習和課程設計同步進行，按照理論課教學進度，學習完一部分理論內容后，學生應針對該部分理論知識完成課程設計中相應模塊的設計、計算任務，將理論知識得以充分實踐，既增強學生應用理論知識解決工程問題的能力，又保證課程設計任務順利完成。

2.2 產學研合作基礎上擬定課程設計命題

在題目設定方面應盡可能從產學研或學生經常開展專業實踐教學的企業工廠中獲得，保證學生能在開展實習實踐教學環節時經常接觸，以提高感性認識。因此，搜集課程設計題目可通過與產學研合作企業的合作關系，主動了解企業需求，將工廠一線問題納入到課程設計中，明確設計目標，提高學生參與課程設計的主動性，將原有仿制產品設計轉變為學生主動思考型。

2.3 運用先進設計方法提高產品開發效率

新形勢下，產品的開發過程更注重先進設計方法，不僅縮短了產品開發周期，又節省了大量開發成本。課程設計對學生能力的培養應注重學生和工程技術人員過渡過程的培養，將三維設計軟件、二維繪圖軟件和有限元分析軟件引入到課程設計，學生可采用三維設計軟件完成系統方案設計和結構設計，利用有限元分析軟件完成結構受力、壽命模擬及結構優化過程，最后使用二維制圖軟件完成零件圖和裝配圖的繪制，不僅提高了課程設計的含金量，同時也大大提高了產品設計和繪圖質量，鍛煉了學生應用先進設計方法進行產品開發的能力。

2.4 增加設計過程的評分比重

教育部印發《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》的文件中提到，在教學方面，應嚴格過程考核，加大過程考核成績在課程總成績中的比重。因此，指導教師更應注重在設計過程中與學生的交流和討論，在不同設計階段，及時了解和記錄學生設計情況，給予相應評分，作為最終成績的重要組成成分，以調動學生學習的積極性，同時也能有效避免抄襲現象的發生，從而保證最終成績能全面反映出學生的設計能力。

3 結語

新工科建設是對傳統工科專業的升級改造，更是以學生實踐能力本位的培養模式，這就要求更加注重學生實踐能力和創新能力的鍛煉。結合產學研合作，基于問題引導下的創新教學模式正是強調學生實踐基礎前提下提出的教學改革思路，以解決企業一線典型產品設計需求為目標，通過同步實施理論課與課程設計兩個環節，運用先進設計方法，重視和加大設計過程的評分比重，以滿足學生個性化發展需要，達到激發學生學習的主動些和創新能力的目的。

參考文獻：

[1]趙國勇，李志永，程祥，等.新工科背景下機械制造自動化專業課程體系及教學模式[J].教育教學論壇，2019（38）：181182.

[2]馬登秋，葉振環，熊飛嶠，等.基于工作室的機械設計系列課程創新教學模式探討[J].遵義師范學院學報，2019，21（05）：133137.

[3]湯曉明，潘曉紅.“目標引導，任務驅動”下的課程設計與專業課教學同步的教改嘗試——以機械設計基礎課程為例[J].大學教育，2019（01）：5860.

[4]李霞，陳建萍，魏敏，等.機械設計課程設計現狀與改革實踐的探索[J].教育教學論壇，2016（25）：6364.