基于專創(chuàng)教科融合的機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)研究

曹憲周 王明旭 晏麗

摘? 要：針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)方法和內(nèi)容不適應(yīng)高校“新工科”建設(shè)要求，通過(guò)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新教育相融合、教師教學(xué)與科研相融合的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，達(dá)到了機(jī)械設(shè)計(jì)的分析、綜合和評(píng)價(jià)的高階教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：專創(chuàng)教科融合;機(jī)械設(shè)計(jì);工程能力;創(chuàng)新能力;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）07-0096-03

Abstract： The higher-level teaching objectives of analysis， synthesis and evaluation of mechanical design have been achieved，in view of the fact that the traditional teaching methods and contents of mechanical design do not meet the requirements of the construction of "new subjects" in colleges and universities， by the integration of students' professional learning and innovative education and the integration of teachers' teaching and scientific research.

Keywords： combination of professional education and innovative education， combination of teaching and scientific research; mechanical design; engineering capability; innovative ability; teaching reform

引言

《中國(guó)制造2025》中指出：新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革使全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)出新的發(fā)展態(tài)勢(shì)和特征，是信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合。轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、創(chuàng)新發(fā)展模式的國(guó)家戰(zhàn)略、“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針，不僅強(qiáng)調(diào)了人才的重要性，而且對(duì)人才培養(yǎng)也提出了明確要求。對(duì)糧食行業(yè)來(lái)說(shuō)，（國(guó)家）“糧食物流業(yè)十三五發(fā)展規(guī)劃”和“互聯(lián)網(wǎng)+”智能制造，需要面向未來(lái)培養(yǎng)大量掌握糧食行業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)能力應(yīng)用和現(xiàn)代信息管理技術(shù)、具有較寬的國(guó)際視野、具有較強(qiáng)的創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)能力、能夠?qū)Χ鄬W(xué)科工程問(wèn)題開(kāi)展研究和生產(chǎn)、能夠適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)的技術(shù)人才。而目前全國(guó)大部分高校，普遍存在畢業(yè)生工程實(shí)踐能力不強(qiáng)、創(chuàng)新能力弱、理論和實(shí)踐脫節(jié)等問(wèn)題，人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)和質(zhì)量難以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的要求。尤其是學(xué)生在學(xué)習(xí)《機(jī)械設(shè)計(jì)》時(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)模式下的課程存在著教學(xué)方法、內(nèi)容不能完全適應(yīng)素質(zhì)教育的要求，再加上學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新教育、教師教學(xué)和科研相脫節(jié)，大部分學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力并未得到有效的鍛煉，教學(xué)效果難以達(dá)到教學(xué)大綱的要求。因此必須打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的束縛，使學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)、創(chuàng)新教育相融合，教師的教學(xué)內(nèi)容和科研活動(dòng)相融合，以學(xué)生為中心，圍繞學(xué)生工程能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程教學(xué)的各個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新性研究和實(shí)踐，對(duì)培養(yǎng)高素質(zhì)人才，具有十分重要的意義[1-3]。

一、傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式存在問(wèn)題分析

《機(jī)械設(shè)計(jì)》是機(jī)械類專業(yè)重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程是繼工程圖學(xué)、機(jī)械原理、公差與配合、機(jī)械制造工程基礎(chǔ)等課程學(xué)習(xí)之后進(jìn)行的一門實(shí)踐性課程，是學(xué)生在大學(xué)學(xué)習(xí)中綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，對(duì)實(shí)際工程題目和創(chuàng)新題目進(jìn)行全面分析與設(shè)計(jì)，理論與實(shí)踐結(jié)合的一次綜合訓(xùn)練，對(duì)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)十分重要。然而，如前所述：由于現(xiàn)有教學(xué)方法、內(nèi)容不能完全適應(yīng)素質(zhì)教育的要求，學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力并未得到有效的鍛煉。在進(jìn)行專業(yè)課程設(shè)計(jì)及專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，所出現(xiàn)的共性問(wèn)題反映在：（工程）設(shè)備方案非技術(shù)（經(jīng)濟(jì)、人文、法律、環(huán)保等）指標(biāo)綜述性分析匱乏、設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)及機(jī)構(gòu)特點(diǎn)歸納描述不清晰、機(jī)械基本功不扎實(shí)（理論計(jì)算、圖形表達(dá)、零部件綜合設(shè)計(jì)）等問(wèn)題比較突出。究其原因就在于現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)計(jì)課程體系，各章節(jié)孤立地介紹各種機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，缺乏工程應(yīng)用實(shí)例和背景介紹，專業(yè)理論教學(xué)與創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)，各章節(jié)理論課程間銜接性差，不利于學(xué)生知識(shí)體系的形成，并且由于教材內(nèi)容在學(xué)術(shù)、技術(shù)上的滯后性，導(dǎo)致學(xué)生不知所學(xué)知識(shí)如何應(yīng)用，對(duì)于經(jīng)典理論知識(shí)應(yīng)用比較好，而對(duì)于具體工程問(wèn)題卻不知道用什么理論知識(shí)、從哪里入手、考慮哪些因素、用什么方法解決。對(duì)于工程中的問(wèn)題，學(xué)生只能按照教師提供的計(jì)算公式，按約定俗成的計(jì)算步驟來(lái)完成，沒(méi)有足夠的熱情和動(dòng)力進(jìn)行問(wèn)題的思考和分析，實(shí)質(zhì)上在這種培養(yǎng)模式下，幾乎談不到創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)課程高階教學(xué)目標(biāo)

美國(guó)著名心理學(xué)家、教育家布魯姆和其他研究者于20世紀(jì)50年代提出了著名的教育目標(biāo)分類法，該分類法將教育目標(biāo)分為三大領(lǐng)域：認(rèn)知領(lǐng)域、情感領(lǐng)域和動(dòng)作技能領(lǐng)域。其中認(rèn)知領(lǐng)域的目標(biāo)分為識(shí)記、理解、應(yīng)用、分析、綜合和評(píng)價(jià)六個(gè)層次。前三個(gè)屬于低階層次的認(rèn)知，后三個(gè)屬于高階層次的認(rèn)知。傳統(tǒng)課堂教學(xué)強(qiáng)調(diào)知識(shí)的記憶和理解以及運(yùn)用知識(shí)解決較為簡(jiǎn)單的問(wèn)題，注重發(fā)展低層次的認(rèn)知。由于學(xué)生的高層次認(rèn)知能力沒(méi)有得到發(fā)展，學(xué)生看不到所學(xué)的知識(shí)有什么價(jià)值或意義，通常為了應(yīng)付考試，他們要學(xué)習(xí)、掌握、記憶更多內(nèi)容，考完試后一段時(shí)間便忘得所剩無(wú)幾，所學(xué)的知識(shí)在他們身上得不到很好的保留。因此，教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)不能停留在低階的對(duì)知識(shí)的記憶、理解和簡(jiǎn)單應(yīng)用，而是應(yīng)該將重點(diǎn)放在解決復(fù)雜問(wèn)題或完成復(fù)雜任務(wù)。

因而，為順應(yīng)機(jī)械類工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)，應(yīng)依據(jù)布魯姆六層次認(rèn)知目標(biāo)分類體系及迪芬克教學(xué)目標(biāo)定義分類法，設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)課程的高階教學(xué)目標(biāo)，即在知識(shí)掌握的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用、綜合、情感和學(xué)習(xí)能力等高階目標(biāo)的達(dá)成，突出能力培養(yǎng)為核心。其中基礎(chǔ)知識(shí)是學(xué)生需要認(rèn)識(shí)的必備知識(shí)，是其他教學(xué)目標(biāo)達(dá)成的基石，教學(xué)時(shí)要發(fā)展學(xué)生理解并記憶具體信息和觀點(diǎn)的能力，并建立起課程知識(shí)體系，綜合性的將不同事物、不同思想觀點(diǎn)或不同學(xué)科領(lǐng)域等之間建立聯(lián)系，并能夠理解其中的相互關(guān)系，并且在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)情感對(duì)自然客觀認(rèn)識(shí)、與人溝通和交往、專業(yè)知識(shí)和學(xué)科知識(shí)積累的重要性。將專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)和學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐相聯(lián)系，將教師科研活動(dòng)和教學(xué)內(nèi)容相融合，最終達(dá)到學(xué)生在應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)上，使學(xué)生批判性、創(chuàng)造性地進(jìn)行各種思維活動(dòng)學(xué)習(xí)，進(jìn)而具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的實(shí)踐能力[4-5]。

三、專創(chuàng)教科融合機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，是通過(guò)分析、綜合與創(chuàng)新而開(kāi)發(fā)出能滿足某些特定要求和功能的機(jī)械系統(tǒng)的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程的難點(diǎn)在于教育目標(biāo)的高層次體現(xiàn)。

（一）以工程設(shè)計(jì)為案例，實(shí)現(xiàn)教學(xué)高層次目標(biāo)達(dá)成

《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程教授的是機(jī)械通用零部件的設(shè)計(jì)、計(jì)算的具體知識(shí)及初步的設(shè)計(jì)過(guò)程，難點(diǎn)在于課程實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用的知識(shí)點(diǎn)多，學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)難以做到全面的識(shí)記、理解、應(yīng)用，更不要說(shuō)高層次的分析、綜合和評(píng)價(jià)教學(xué)目標(biāo)。因而，《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程教學(xué)應(yīng)以工程（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)為案例，聚焦于工程（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)與制造，并以產(chǎn)品為載體，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，從工程（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)所用知識(shí)的縱向和橫向進(jìn)行關(guān)聯(lián)歸納，按照工程（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)制造的過(guò)程教授所要應(yīng)用的學(xué)習(xí)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)融合，體現(xiàn)工程（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)藝術(shù)創(chuàng)造過(guò)程，體現(xiàn)教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程思維性、邏輯性、藝術(shù)性，有步驟、有層次地推進(jìn)教學(xué)，從而構(gòu)建起此課程完整的教學(xué)體系及知識(shí)體系，使學(xué)生在理解及知道知識(shí)該如何應(yīng)用的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工程（產(chǎn)品）設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、綜合和評(píng)價(jià)的高層次教學(xué)目標(biāo)。

（二）以工程設(shè)計(jì)為案例，融合專業(yè)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)具有很明顯的特點(diǎn)，即它的理論性、創(chuàng)造性、廣義性、優(yōu)選性等。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)模式多教授學(xué)生常用仿照、類比的設(shè)計(jì)方法。其實(shí)，人類文明的源泉在于創(chuàng)造，而設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是創(chuàng)造性的思維與活動(dòng)過(guò)程。教師應(yīng)在專業(yè)教授過(guò)程中融合創(chuàng)新性教學(xué)方法來(lái)體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)的真正本質(zhì)。

圖1是糧食行業(yè)所用糧食比重去石機(jī)。它的作用是去除糧食中粒度和糧食相近的石頭（稱為并肩石），其工作原理是去石機(jī)去石篩面在往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，利用并肩石和糧食的比重不同而去除混雜在糧食中的石頭。

《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程講授零件疲勞強(qiáng)度時(shí)，首先講述該專業(yè)設(shè)備工作原理，然后啟發(fā)學(xué)生利用系統(tǒng)搜尋法找出篩面實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的各種可能性機(jī)構(gòu)，很快便得知滿足這一設(shè)計(jì)要求的機(jī)構(gòu)有曲柄機(jī)構(gòu)、滑塊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、正弦機(jī)構(gòu)、正切機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等，此時(shí)引導(dǎo)學(xué)生分析不同機(jī)構(gòu)的各自運(yùn)動(dòng)規(guī)律，比較不同機(jī)構(gòu)對(duì)所設(shè)計(jì)設(shè)備的物料運(yùn)動(dòng)影響狀況，從中確定最佳傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，然后再利用課程中所講授的連接、軸系等基本知識(shí)確定整機(jī)組成，并結(jié)合課程中零部件的剛度、強(qiáng)度、可靠性等知識(shí)點(diǎn)，分析設(shè)備零件工作狀況，進(jìn)行機(jī)構(gòu)主要零部件的壽命變化規(guī)律分析計(jì)算。

在這個(gè)將專業(yè)與創(chuàng)新相融合的教學(xué)過(guò)程中，以專業(yè)工程裝備設(shè)計(jì)為案例，以掌握、應(yīng)用通用零部件設(shè)計(jì)計(jì)算及培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為主線，從整體和系統(tǒng)的角度，將課程知識(shí)體系整合為機(jī)械設(shè)計(jì)總論、連接、機(jī)械傳動(dòng)、軸系零部件四大模塊，體現(xiàn)學(xué)生設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力培養(yǎng)的循序漸進(jìn)性;并且，在這個(gè)具備過(guò)程思維性、邏輯性、藝術(shù)性的學(xué)習(xí)過(guò)程中，不僅使學(xué)生理解及知道知識(shí)該如何被應(yīng)用，也使學(xué)生明白如何對(duì)裝備設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、綜合和評(píng)價(jià)。

（三）以工程設(shè)計(jì)為案例，融合教學(xué)過(guò)程和科研活動(dòng)

圖2是本學(xué)科團(tuán)隊(duì)用來(lái)進(jìn)行糧食粉碎研究所用的稻谷脫殼壟谷機(jī)，它的作用是去除稻谷外殼，工作原理是利用圖3所示具有相向轉(zhuǎn)動(dòng)、且有速度差橡膠輥的擠壓、搓撕作用而脫殼。

以此為例進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)，從圖3、圖4進(jìn)行問(wèn)題的創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行軸系零部件的零件結(jié)構(gòu)、固定、裝拆、軸系支撐、軸系固定、密封、機(jī)架體的設(shè)計(jì)，并提出問(wèn)題讓學(xué)生思考、討論如何設(shè)計(jì)才能使軸系零部件受力、結(jié)構(gòu)、裝拆更合理;如何設(shè)計(jì)才能噪音更低、潤(rùn)滑油不泄漏，不對(duì)環(huán)境造成污染，如何設(shè)計(jì)才能在經(jīng)濟(jì)成本最低情況下達(dá)到設(shè)備工作要求;如何設(shè)計(jì)才能更人性化，便于設(shè)備的操作、維修。通過(guò)將教學(xué)過(guò)程與創(chuàng)新設(shè)計(jì)、科研活動(dòng)的融合，極大增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，紛紛表示更加明確了學(xué)習(xí)目標(biāo)，達(dá)到了學(xué)習(xí)效果。

機(jī)械設(shè)計(jì)高層次教學(xué)目標(biāo)是要讓學(xué)生能夠?qū)こ萄b備設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、綜合及評(píng)價(jià)。要達(dá)到這些目標(biāo)，就要求學(xué)生在完全掌握相關(guān)課程基本知識(shí)點(diǎn)前提下，構(gòu)成知識(shí)模塊，如：將產(chǎn)品設(shè)計(jì)表達(dá)等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)成工程圖學(xué)知識(shí)模塊;將方案設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)成機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)模塊;將加工工藝、零件制造、產(chǎn)品裝配等知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)成機(jī)械制造知識(shí)模塊;將結(jié)構(gòu)表達(dá)創(chuàng)新、方案創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和制造創(chuàng)新等知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)成機(jī)械創(chuàng)新知識(shí)模塊[6]。如此一來(lái)，以工程裝備設(shè)計(jì)為主線，不僅使學(xué)生系統(tǒng)的歸納了所學(xué)知識(shí)在裝備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，也可使學(xué)生構(gòu)成完整的知識(shí)體系，從而使學(xué)生對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、綜合和評(píng)價(jià)。

四、結(jié)束語(yǔ)

《機(jī)械設(shè)計(jì)》是機(jī)械類學(xué)生非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個(gè)人才培養(yǎng)體系中占有重要地位，傳統(tǒng)《機(jī)械設(shè)計(jì)》教學(xué)方法、內(nèi)容不適合教育部關(guān)于高等學(xué)校“新工科”建設(shè)中要培養(yǎng)工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力人才的要求，尤其是目前許多高校正在進(jìn)行的以O(shè)BE為理念的現(xiàn)代教學(xué)改革，更加突出學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成效。通過(guò)在我校過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)進(jìn)行“專業(yè)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐相融合、專業(yè)教育和科研活動(dòng)相融合”的教學(xué)活動(dòng)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了《機(jī)械設(shè)計(jì)》的高階教學(xué)目標(biāo)，不僅在全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽、全國(guó)大學(xué)生過(guò)程裝備創(chuàng)新大賽等活動(dòng)中多次獲獎(jiǎng)，并且在2018年教育部組織的對(duì)我校過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)專業(yè)認(rèn)證進(jìn)校考察過(guò)程中，獲得了進(jìn)校專家的一致好評(píng)，并于2019年順利通過(guò)了專業(yè)認(rèn)證。

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