新工科背景下機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計教學(xué)改革思考與探討

劉后廣 程志紅 楊建華 劉送永 彭玉興

摘 ?要 培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級需求的關(guān)鍵能力，是我國新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)提出的新要求，也是當(dāng)今工程教育面臨的主要問題。由于機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計對工科學(xué)生綜合能力培養(yǎng)影響較大，研究現(xiàn)有教學(xué)過程對學(xué)生關(guān)鍵能力培養(yǎng)的不足，并從教學(xué)理念、教學(xué)方法、評價體制等三個方面，探討教學(xué)過程中值得改進(jìn)的方向。

關(guān)鍵詞 新工科;機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ);課程設(shè)計;教學(xué)改革;虛擬仿真實驗室

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）18-0081-03

Thinking and Discussion on Teaching Reform of Course Design

for Fundamentals of Mechanical Design in Emerging Enginee-ring//LIU Houguang， CHENG Zhihong， YANG Jianhua， LIU Song-yong， PENG Yuxing

Abstract Cultivating students key ability to adapt to the needs of industrial transformation and upgrading is a new requirement for the cultivation of talents in the construction of emerging engineering in

our country， and it is the main problem facing engineering education today. Because the Course Design for the Fundamentals of Mecha-nical Design has a great influence on the comprehensive ability trai-

ning of engineering students， this paper studied the shortage of the

key ability training in the current teaching process. Besides， the direc-

tion that is worth improving in the teaching process was discussed from three aspects： teaching concept， teaching method and evalua-tion system.

Key words emerging engineering; fundamentals of mechanical de-sign; course design; teaching reform; virtual simulation laboratory

1 引言

制造業(yè)為我國的經(jīng)濟(jì)主體，針對我國制造業(yè)大而不強(qiáng)及世界新一輪的產(chǎn)業(yè)變革，國務(wù)院提出“中國制造2025”重大戰(zhàn)略[1]，將高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、航空航天裝備、先進(jìn)軌道交通裝備等列為十大重點發(fā)展領(lǐng)域。隨著該戰(zhàn)略的實施，全國向新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式經(jīng)濟(jì)形態(tài)轉(zhuǎn)型過程中，迫切需要大量具有工程實踐能力、創(chuàng)新能力及國際競爭力的高素質(zhì)工程技術(shù)人才。為了滿足該新型工程技術(shù)人才的需求，教育部于2017年提出開展新工科建設(shè)[2]，以新產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型為背景，探索“新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新分類”的新型工程教育改革。該支撐國家新形勢下產(chǎn)業(yè)升級的工程教育改革，對工程技術(shù)人才培養(yǎng)過程中的培養(yǎng)理念、培養(yǎng)模式及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等都提出更高的要求。與此同時，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于深化教育體制機(jī)制改革的意見》中，將培養(yǎng)支撐終身發(fā)展、適應(yīng)時代需求的關(guān)鍵能力作為人才培養(yǎng)重點[3]。故關(guān)鍵能力的培養(yǎng)已成為新工科建設(shè)下高素質(zhì)工程技術(shù)人才教育的新方向。這種工程人才的關(guān)鍵能力，體現(xiàn)在職業(yè)道德、工程思維能力、工程實踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、終身學(xué)習(xí)能力、領(lǐng)導(dǎo)能力等方面[4]。因此，新工科建設(shè)下，工程教育及課程教學(xué)的改革應(yīng)該注重學(xué)生上述關(guān)鍵能力的培養(yǎng)。

機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)是一門圍繞常用機(jī)構(gòu)的工作特性、設(shè)計方法，及通用零部件的工作原理、選型及設(shè)計計算的設(shè)計類課程，是從工程制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)等理論基礎(chǔ)課向工程機(jī)械等實踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程過渡的專業(yè)基礎(chǔ)課[5]。由于其對培養(yǎng)學(xué)生掌握工程設(shè)計基本技能上具有重要意義，現(xiàn)已成為國內(nèi)高校諸多工科專業(yè)開設(shè)的技術(shù)基礎(chǔ)課程。就中國礦業(yè)大學(xué)情況來說，該課程面向采礦工程、安全工程、工業(yè)設(shè)計等非機(jī)類專業(yè)，以及材料科學(xué)與工程、熱能與動力工程等近機(jī)類專業(yè);每學(xué)年授課班級數(shù)高達(dá)30多個，學(xué)生1200多人次，直接影響學(xué)校近五分之一的學(xué)生。

機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計是該門課程配套的一項重要的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，要求學(xué)生能夠根據(jù)實際生產(chǎn)需要，給出綜合考慮機(jī)械功能、性能、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等多方面因素的設(shè)計方案，是學(xué)生首次接受的全面工程設(shè)計訓(xùn)練。該訓(xùn)練要求學(xué)生能夠綜合運用所學(xué)理論課程解決實際工程問題，對學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想、掌握基本設(shè)計理論和方法、查閱及運用設(shè)計資料、培養(yǎng)良好的工程素質(zhì)具有關(guān)鍵的先導(dǎo)性作用。作為工科優(yōu)勢高校，如何響應(yīng)國家新工科建設(shè)號召，探索機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計這門對工科院校影響廣泛的課程的教學(xué)改革，強(qiáng)化學(xué)生的關(guān)鍵能力培養(yǎng)，是面臨的一個重要問題。本文針對該課程當(dāng)前的教學(xué)情況，結(jié)合新工科建設(shè)對高素質(zhì)工程人才的關(guān)鍵能力需求，就該課程能力培養(yǎng)過程中存在的不足及有待改進(jìn)的內(nèi)容進(jìn)行探討。

2 當(dāng)前教學(xué)存在的主要問題思考

機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計是諸多工科學(xué)生首次接觸的工程訓(xùn)練課程，對學(xué)生解決實際工程問題能力及工程素養(yǎng)的培養(yǎng)具有較大影響。新形勢下，應(yīng)該結(jié)合新工科關(guān)于人才關(guān)鍵能力培養(yǎng)的需要，對課程教學(xué)方法的進(jìn)一步改進(jìn)進(jìn)行研究。下面從現(xiàn)有設(shè)計內(nèi)容、教學(xué)過程、繪圖能力等方面進(jìn)行分析，闡述課程教學(xué)存在的主要不足。

從設(shè)計內(nèi)容來看 ?課程設(shè)計的題目，一方面影響學(xué)生工程能力培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)，另一方面受學(xué)生所處階段的知識水平及教學(xué)時間限制。現(xiàn)今國內(nèi)大部分高校的課程設(shè)計選題仍沿用20世紀(jì)30年代蘇聯(lián)列寧格勒加里寧工學(xué)院的方法，即以齒輪減速器設(shè)計為核心。學(xué)生根據(jù)課程設(shè)計指導(dǎo)資料中的方法，確定傳動方案、參數(shù)計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計，并繪制相應(yīng)的裝配圖、零件圖，撰寫設(shè)計說明書。設(shè)計對象包含了機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)中的核心內(nèi)容，有助于加強(qiáng)學(xué)生對課程知識的掌握。但題目陳舊，學(xué)生缺乏新鮮感，簡單抄襲往年材料的情況嚴(yán)重。以至于近年來，很多學(xué)者認(rèn)為該選題內(nèi)容過于固化，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng);并建議通過結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計大賽、科研項目等進(jìn)行選題，對課程設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行拓展。但該門課程是學(xué)生第一次接觸的工程實踐，學(xué)生工程基礎(chǔ)薄弱，且課程設(shè)計時間短。教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，成績中等偏上的學(xué)生完成傳統(tǒng)選題內(nèi)容，都需要通過加班來實現(xiàn)。因此，引入較新的設(shè)計題目，超越了大部分學(xué)生現(xiàn)有的知識水平，且會讓學(xué)生用去太多的時間查閱資料，造成大部分學(xué)生無法完成，失去課程設(shè)計人才培養(yǎng)的整體意義。如何在現(xiàn)有設(shè)計內(nèi)容基礎(chǔ)上提升學(xué)生關(guān)鍵能力的培養(yǎng)，使學(xué)生適應(yīng)時代發(fā)展的需求，是目前面臨的一個主要問題。

從教學(xué)過程來看 ?機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計的完成時間通常在1～2周，隨著專業(yè)的不同而改變。其教學(xué)主要由設(shè)計前指導(dǎo)和設(shè)計過程中輔導(dǎo)這兩部分組成。其中，設(shè)計前指導(dǎo)主要是任課教師在學(xué)生選題時對課程設(shè)計的主要過程進(jìn)行2～4課時的介紹。采用以課堂講授為中心的講授模式，教學(xué)手段主要依靠講授PPT電子講稿。因?qū)W生缺乏工程經(jīng)驗，該指導(dǎo)過程中，學(xué)生難以理解所述機(jī)械結(jié)構(gòu)的實際意義。講解重點在于機(jī)械系統(tǒng)零件設(shè)計及箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計，而對方案設(shè)計及制造工藝介紹較少，學(xué)生缺乏對產(chǎn)品設(shè)計全流程的準(zhǔn)確認(rèn)識及構(gòu)思訓(xùn)練。而設(shè)計過程中的輔導(dǎo)主要是在課程設(shè)計開展期間，任課教師每天去設(shè)計教室現(xiàn)場對學(xué)生存在的問題進(jìn)行答疑，通常每天2～3小時。該指導(dǎo)過程中，由于課程設(shè)計時間較短，涉及的知識面卻較廣，部分學(xué)生無法在短期內(nèi)真正掌握設(shè)計過程，不敢咨詢?nèi)握n教師，只能簡單地照抄設(shè)計指導(dǎo)書中的資料，沒有實現(xiàn)工程實踐能力的培養(yǎng)目標(biāo)。與此同時，教師對學(xué)生最終成績評價相對單一，主要依靠學(xué)生最終的答辯成績及圖紙和說明書質(zhì)量，對中間完成過程的評估較少。這種以個人為單位的評價，造成學(xué)生只注重自己工作的完成情況，不能有效培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力及領(lǐng)導(dǎo)能力。

從工程繪圖能力訓(xùn)練來看 ?針對學(xué)生在開該門課程時工程制圖基礎(chǔ)薄弱，國內(nèi)院校主要要求學(xué)生繪制二維工程圖紙來完成課程設(shè)計。但從完成情況來看，學(xué)生CAD圖紙出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象，部分圖紙是基于一個電子模板完成，失去了課程設(shè)計的培養(yǎng)意義。針對該問題，很多教師要求學(xué)生手工繪制圖紙。這種手工繪圖雖然避免了抄襲現(xiàn)象，加強(qiáng)學(xué)生二維工程圖紙的繪圖能力，但也帶來一些問題：一方面，手工繪圖占用時間較多，且沒有培養(yǎng)學(xué)生的計算機(jī)繪圖能力;另一方面，由于現(xiàn)有企業(yè)工程圖紙繪制主要采用CATIA、UG、Pro/E等工業(yè)三維設(shè)計軟件完成，這種傳統(tǒng)的二維繪圖方法已脫離企業(yè)對現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)需求。

針對該問題，很多學(xué)者提出采用三維設(shè)計軟件來完成課程設(shè)計，但開課時真正掌握三維設(shè)計軟件的學(xué)生較少，而課程設(shè)計課時有限，教師無法額外指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)該類軟件，使得三維繪圖在該課程上的實際推廣存在較大困難。此外，從工程圖紙完成質(zhì)量來看，部分學(xué)生還不能準(zhǔn)確應(yīng)用機(jī)械制圖的前期知識，零件圖中零件形狀的繪制和公差標(biāo)注、裝配圖中配合尺寸的標(biāo)注等都存在較多問題。

3 課程設(shè)計教學(xué)方法和教學(xué)手段改革探討

改變教學(xué)理念，增加工程實踐 ?現(xiàn)有課程設(shè)計教學(xué)主要側(cè)重于知識傳授，而新工科建設(shè)要求高校能夠為社會提供高素質(zhì)復(fù)合型工程人才，故教學(xué)過程中還需注重學(xué)生綜合能力、素養(yǎng)等的培養(yǎng)。其中，知識傳授方面，在讓學(xué)生夯實教材中的主要設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，需注重培養(yǎng)學(xué)生具有綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識，分析和解決實際工程問題的能力;培養(yǎng)學(xué)生查閱最新文獻(xiàn)資料，緊跟學(xué)科前沿的能力。在綜合能力培養(yǎng)方面，要在課程設(shè)計中注重學(xué)生實踐動手能力、創(chuàng)新能力及自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。而素養(yǎng)方面，既要注重學(xué)生做人、做事基本素質(zhì)的培養(yǎng)，還要注重學(xué)生做學(xué)問的工程素質(zhì)培養(yǎng)。除了教學(xué)理念改變，還需進(jìn)一步加強(qiáng)工程實踐環(huán)節(jié)，提升學(xué)生實踐動手能力。現(xiàn)有課程設(shè)計教學(xué)還停留在理論設(shè)計上，沒有加工樣機(jī);學(xué)生完成的主要是理論上的復(fù)習(xí)，對產(chǎn)品的加工、制造缺乏認(rèn)識，造成該實踐訓(xùn)練不能滿足時代對工科學(xué)生實踐動手能力的需求。考慮到采用傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)成本較高，而3D打印該成本相對較低的新興技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計[6]，可將3D打印技術(shù)引入課程設(shè)計，讓學(xué)生參與加工過程，提升其動手能力，且便于教師評價課程設(shè)計完成質(zhì)量。

改革教學(xué)方法，增加教學(xué)資源 ?課程設(shè)計存在的很多問題，主要受課時限制，使得傳統(tǒng)教學(xué)方法無法解決。通過很多學(xué)者建議的課程設(shè)計融入課堂的方法，提前給學(xué)生布置課程設(shè)計題目，可以拓展學(xué)生的設(shè)計時間。但一部分學(xué)生自學(xué)能力及自我約束能力不強(qiáng)，僅提前布置任務(wù)，并不能讓他們真正提前開展設(shè)計工作，而機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課堂中又不能拿出較多時間指導(dǎo)課程設(shè)計。為此，需要探索利用學(xué)生的課外時間來指導(dǎo)學(xué)生。

現(xiàn)如今已進(jìn)入教育信息化時代，隨著國家精品在線開放課程建設(shè)的推進(jìn)，很多課程已經(jīng)通過慕課等在線課程來拓展學(xué)生學(xué)習(xí)時間，提高學(xué)生自學(xué)能力，但針對機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計的慕課至今還未見報道。因此，可以圍繞傳動方案設(shè)計、零部件設(shè)計、三維繪圖、工程圖標(biāo)注等錄制視頻在線課程，引導(dǎo)學(xué)生開展課程設(shè)計。

此外，教育部于2018年發(fā)布的《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》中指出，為了適應(yīng)信息化條件下知識獲取方式和傳授方式等發(fā)生革命性變化的要求，應(yīng)深化信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，開展虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作。故針對學(xué)生課程設(shè)計時對減速器及組成零件感性認(rèn)識欠缺，可探索建設(shè)機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計虛擬仿真實驗室。

改革評價體制，增強(qiáng)團(tuán)隊合作 ?改變傳統(tǒng)僅僅以個人完成的圖紙、設(shè)計說明書及答辯表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的評價方式，增加課程設(shè)計小組協(xié)作考核、過程考核。

首先，為了培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作精神，在不改變課程設(shè)計主體內(nèi)容（齒輪減速器）的情況下，通過增加應(yīng)用背景（如帶式輸送機(jī)傳動裝置、卷揚(yáng)機(jī)傳動裝置、螺旋輸送機(jī)傳動裝置等），對學(xué)生進(jìn)行分組。各小組根據(jù)設(shè)計內(nèi)容，對課程設(shè)計進(jìn)行任務(wù)分工。通過組員間相互溝通、相互合作，共同確定設(shè)計問題解決方案，逐步完成課程設(shè)計任務(wù)，進(jìn)而實現(xiàn)對學(xué)生團(tuán)隊合作能力及部分優(yōu)秀學(xué)生團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)能力的培養(yǎng)。

其次，增加課程設(shè)計過程考核環(huán)節(jié)。一方面，借助在線視頻課程建設(shè)，通過設(shè)置在線習(xí)題，增加線上學(xué)習(xí)的過程考核，把握學(xué)生對課程設(shè)計常見問題的掌握情況;另一方面，增設(shè)各小組于關(guān)鍵設(shè)計節(jié)點的進(jìn)展演示匯報考核，提升學(xué)生溝通、表達(dá)能力的同時，監(jiān)督學(xué)生對關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計、CAD工程繪圖的掌握情況，并把握學(xué)生的團(tuán)隊合作情況。

4 結(jié)語

基于新工科建設(shè)對學(xué)生關(guān)鍵能力培養(yǎng)提出的新要求，本文對機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計這門對工程專業(yè)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)影響較大的實踐課程的教學(xué)情況進(jìn)行了分析，研究了現(xiàn)有教學(xué)過程中對學(xué)生關(guān)鍵能力培養(yǎng)的不足，并從教學(xué)理念、教學(xué)方法、評價體制三個方面，探討教學(xué)過程中值得改進(jìn)的方向。

參考文獻(xiàn)

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